DE102007024471A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Energiemanagement in einem elektrischen Energiesystem eines Hybridfahrzeuges - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Energiemanagement in einem elektrischen Energiesystem eines Hybridfahrzeuges Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zum Energiemanagement in einem elektrischen Energiesystem eines Hybridfahrzeuges, umfassend eine Brennkraftmaschine (2), mindestens eine Elektro-Maschine (3) und mindestens einen Energiespeicher, wobei die Elektro-Maschine (3) generatorisch und motorisch betreibbar ist, wobei die Elektro-Maschine (3) motorisch zur Unterstützung der Brennkraftmaschine (2) in einen Boostbetrieb zuschaltbar ist oder generatorisch zur Rekuperation der Verzögerungsenergie betreibbar ist, wobei dem Energiespeicher mindestens ein erster Soll-Ladezustand zugeordnet ist, wobei über eine Fahrstrecke und/oder Fahrzeit die über Rekuperation genommene elektrische Energie und durch Boostvorgänge entnommene elektrische Energie und/oder Größen, aus denen diese Energien abschätzbar sind, ermittelt werden und in Verhältnis zueinander gesetzt werden und in Abhängigkeit des Verhältnisses der Soll-Ladezustand angepasst wird, wobei bei höheren Rekuperationsenergien der Soll-Ladezustand niedriger als der erste Soll-Ladezustand und bei höheren Boostenergien der Snd eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Energiemanagement in einem elektrischen Energiesystem eines Hybridfahrzeuges.
  • Bei Hybridfahrzeugen werden zwei Antriebseinheiten miteinander kombiniert, die auf unterschiedliche Weise die Leistung für den Fahrzeugantrieb bereitstellen. Besonders gut ergänzen sich die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors (Brennkraftmaschine) und (mindestens) einer Elektro-Maschine, weshalb Hybridfahrzeuge heute überwiegend mit einer solchen Kombination ausgestattet werden. Die Anbindung der Elektro-Maschine an die Motorkurbelwelle kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen. So kann diese über eine Kupplung bzw. direkt mit der Kurbelwelle des Motors verbunden oder über einen Riementrieb bzw. ein Getriebe angekoppelt sein. Die Steuerung der Elektro-Maschine erfolgt über eine Steuerungseinheit (Wechselrichter, Leistungselektronik).
  • Als elektrische Energiespeicher werden bei Hybridfahrzeugen häufig zyklenfeste Batterien in NiMH- oder Li-Ionen-Technik eingesetzt. Die Lebensdauer der Batterie ist u. a. über die durchgesetzte (d. h. ein- und ausgespeicherte) Energie sowie die Leistung bzw. den Energiehub während des Lade- bzw. Entladevorgangs begrenzt. Eine starke Zyklisierung führt somit zu einer verringerten Lebensdauer. Um eine ausreichende Lebensdauer der Batterie zu erreichen, ist es daher erforderlich, die Ladezustandsschwankungen zu begrenzen und gleichzeitig den Ist-Ladezustand möglichst in einem Zielbereich zu halten. So sind dauerhaft sowohl sehr hohe als auch sehr niedrige Ladezustände zu vermeiden, wodurch sich der effektiv nutzbare SOC-Bereich (state of charge) der Batterie deutlich verkleinert.
  • Typischerweise wird angestrebt, den Ladezustand von Hybridbatterien in einem Fenster +/– 30%, bevorzugt +/– 20% und besonders bevorzugt +/– 10% um den Sollladezustand zu halten. Dabei können sich die bevorzugten SOC-Bereiche auch asymmetrisch um den Sollladezustand aufteilen. Da sich im realen Fahrbetrieb dieses Betriebsfenster in der Regel nicht automatisch als Ergebnis des wechselnden motorischen und generatorischen Betriebs der Elektro-Maschine einstellt, werden gezielte Funktionen aktiviert, um das zulässige Betriebsfenster einzuhalten, z. B. durch Lastpunktanhebung der Brennkraftmaschine und generatorischen Betrieb der Elektro-Maschine zur Ladung des Energiespeichers (Ist-SOC kleiner als Soll-SOC).
  • Die erzielbare Verbrauchsabsenkung bei Hybridfahrzeugen resultiert entscheidend aus einer geeigneten Steuerungsstrategie, die den Betrieb in Bereichen geringer verbrennungsmotorischer Wirkungsgrade möglichst vermeidet bzw. die Wirkungsgradeigenschaften von Brennkraftmaschinen und Elektro-Maschinen vorteilhaft miteinander kombiniert. So kann der rein elektromotorische Vortrieb beispielsweise in Bereichen mit nur geringen Lastanforderungen erfolgen, in denen eine Brennkraftmaschine typischerweise nur geringe Wirkungsgrade aufweist. Ein solcher Betrieb ist vor allem dann effektiv, wenn sich Brennkraftmaschine und Elektro-Maschine z. B. über eine zusätzliche Kupplung mechanisch von einander entkoppeln lassen. Zusätzliche Verbrauchspotenziale ergeben sich z. B. aus einer Start-Stopp-Funktion und der Möglichkeit zur Bremsenergierückgewinnung.
  • Idealerweise wird der Großteil der für den Vortrieb des Fahrzeuges aufzubringenden Energie sowie die für die Versorgung des elektrischen Bordnetzes benötigte Energie aus vorgelagerten Rekuperationsvorgängen gewonnen und im Energiespeicher zwischengespeichert. Hierfür werden Verzögerungsphasen des Fahrzeuges ausgenutzt, indem die erforderliche Bremsleistung zu einem möglichst großen Anteil über den Generatorbetrieb der Elektro-Maschine aufgebracht wird. In realen Fahrzyklen ist zur Erreichung des Zielladezustandes meistens die Erzeugung zusätzlicher Energie über den Verbrennungsmotor und generatorischen Betrieb der Elektro-Maschine erforderlich.
  • Um bei günstigen Fahrsituationen (häufige Verzögerungs- bzw. Bremsvorgänge, Bergabfahrt) eine möglichst große elektrische Energie durch Rekuperation einspeichern zu können, ist ein ausreichender Abstand des aktuellen Ladestandes zum oberen zulässigen Wert erforderlich. Vor diesem Hintergrund ist es sinnvoll, den Zielladezustand hier tendenziell niedrig zu halten, um möglichst selten (bzw. mit geringer Leistung) den generatorischen Ladevorgang über die Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors durchzuführen.
  • Darüber hinaus wird die Elektro-Maschine im Antriebsstrang häufig auch zur Verbesserung der Fahrleistungen des Hybridfahrzeuges eingesetzt. So kann die Momentenabgabe von Brennkraftmaschine und Elektro-Maschine auch parallel erfolgen, beispielsweise um das maximale Drehmoment der gesamten Antriebseinheit zu steigern (Boostbetrieb). Hierbei ist es zur Darstellung eines reproduzierbaren Fahrverhaltens wichtig, die Boostfunktion bei vergleichbaren Randbedingungen möglichst immer mit gleicher Performance darzustellen. Insbesondere hohe abgerufene elektrische Leistungen führen zu einer raschen Annäherung an den unteren zulässigen SOC-Wert des Energiespeichers und erfordern nachfolgend auch entsprechende Ladephasen, um bei mehrmaligem aufeinander folgendem Boostbetrieb Funktionseinschränkungen durch einen unzulässig niedrigen Ladezustand zu vermeiden.
  • Für einen Fahrbetrieb mit häufigen Boostvorgängen ist es somit vorteilhaft, einen möglichst hohen Zielladezustand der Batterie einzustellen, um für die Entladevorgänge einen entsprechenden Energievorhalt zu schaffen.
  • Aus der DE 10 2004 023 512 A1 ist ein Verfahren zum Energiemanagement in einem elektrischen Energiesystem eines Hybridfahrzeuges mittels einer Brennkraftmaschine, mindestens einer Elektro-Maschine und mindestens einem Energiespeicher bekannt, wobei die Elektro-Maschine generatorisch und motorisch betreibbar ist, wobei die Elektro-Maschine motorisch zur Unterstützung der Brennkraftmaschine in einem Boostbetrieb zuschaltbar ist oder generatorisch zur Rekuperation der Verzögerungsenergie betreibbar ist, wobei dem Energiespeicher mindestens ein erster Soll-Ladezustand zugeordnet ist.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Energiemanagement in einem elektrischen Energiesystem eines Hybridfahrzeuges zu schaffen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu umfasst die Vorrichtung zum Energiemanagement in einem elektrischen Energiesystem eines Hybridfahrzeuges eine Brennkraftmaschine, mindestens eine Elektro-Maschine und mindestens einen Energiespeicher, wobei die Elektro-Maschine generatorisch und motorisch zur Unterstützung der Brennkraftmaschine in einem Boost-Betrieb zuschaltbar ist oder generatorisch zur Rekuperation der Verzögerungsenergie betreibbar ist, wobei dem Energiespeicher mindestens ein erster Soll-Ladezustand zugeordnet ist, wobei über eine Fahrstrecke und/oder Fahrzeug die über Rekuperation gewonnene elektrische Energie und durch Boostvorgänge entnommene elektrische Energie und/oder Größen, aus denen diese Energien abschätzbar sind, ermittelt werden und in Verhältnis zueinander gesetzt werden und in Abhängigkeit des Verhältnisses der Soll-Ladezustand angepasst wird, wobei bei höheren Rekuperationsenergien der Soll-Ladezustand niedriger als der erste Soll-Ladezustand und bei höheren Boostenergien der Soll-Ladezustand höher als der erste Soll-Ladezustand eingestellt wird. Hierdurch wird erreicht, dass der Soll-Ladezustand dem Fahrstil des Fahrers bzw. den Streckenbedingungen angepasst wird. Dabei sei angemerkt, dass Verhältnis in diesem Zusammenhang allgemein eine wie auch immer geartete Relation meint, die auch eine einfache Quotientenbildung der Energie mit umfasst. Die Energien können dabei beispielsweise durch Integration der elektrischen Leistungen ermittelt werden. Vorzugsweise wird der Soll-Ladezustand maximal um +/– 10%, weiter vorzugsweise um maximal +/– 5% gegenüber dem ersten Soll-Ladezustand in Abhängigkeit des Verhältnisses geändert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Energien durch eine Auswertung von Zeiten oberhalb bzw. unterhalb von Leistungsgrenzen abgeschätzt und/oder durch eine Auswertung der Ist-Ladezustände infolge von Boost- und Rekuperationsvorgängen hinsichtlich Über- bzw. Unterschreitung von Grenzwerten und/oder Abständen zu Grenzwerten des Soll-Ladezustandes. Beispielsweise wird ermittelt, wie lange im Boost-Betrieb Leistungen von über 3 kW motorisch von der Elektro-Maschine abgegeben werden. Die Grenzwerte für den Soll-Ladezustand können wie bereits zum Stand der Technik erläutert symmetrisch oder asymmetrisch um den ersten Soll-Ladezustand gelegt werden, wobei auf die dortigen Zahlenangaben Bezug genommen wird.
  • Mittels der Größe zur Abschätzung der Energien können darüber hinaus die Ergebnisse der direkten Energieermittlung plausibilisiert werden, so dass diese zusätzlich oder alternativ zur Ermittlung der Energien herangezogen werden können.
  • Dabei ist vorzugsweise eine höhere Gewichtung des Pfades zur Erhöhung des Sollladezustandes bei hohen Boostenergien vorzusehen, um bei sehr stark dynamischer Fahrweise (mehrmaliges starkes Beschleunigen und Abbremsen des Fahrzeuges) und einem ausgeglichenen Verhältnis Boost-/Rekuperationsenergie zu Gunsten eines reproduzierbaren Fahrverhaltens eine Anhebung des Sollladezustandes durchzuführen.
  • Die Berechnung des Sollladezustandes kann darüber hinaus noch von weiteren Einflussgrößen beeinflusst/korrigiert werden:
    • – Bergabfahrt → tendenziell Absenkung Soll-SOC
    • – hohe Fahrzeuggeschwindigkeit → tendenziell Absenkung Soll-SOC (wegen typischerweise geringerem Boostbedarf und hoher kinetischer Fahrzeugenergie für Rekuperation)
    • – hohe Fahrpedal- und/oder Momentendynamik → tendenziell Anhebung Soll-SOC
    • – hohe Momentenanforderungen im Boost-Drehzahlbereich → tendenziell Anhebung Soll-SOC.
  • Darüber hinaus ist es auch sinnvoll, eine untere SOC-Grenze für die Beendigung von verbrauchsreduzierenden Hybridfunktionen wie z. B. E-Fahren oder Start-Stopp-Betrieb an die o. a. Auswertung zu koppeln. So wird bei einer näherungsweisen Konstantfahrt im unteren Geschwindigkeitsbereich typischerweise ein Toggle-Betrieb zwischen reinem E-Fahren und Verbrennungsmotorbetrieb mit Lastpunktanhebung zur Wiederaufladung des Energiespeichers stattfinden. Wird der Boostbetrieb dabei nur wenig genutzt, so kann die SOC-Grenze zur Beendigung des E-Fahrens niedriger gewählt werden, wodurch die Reichweite im E-Fahrbetrieb und gleichzeitig auch die Reproduzierbarkeit des Fahrverhaltens gesteigert wird, da die Betriebsartenwechsel seltener vorkommen.
  • Das Energiemanagement wird vorzugsweise in einem Steuergerät durchgeführt, beispielsweise dem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine, dem Steuergerät der Elektro-Maschine oder einem übergeordneten Hybrid-Steuergerät.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Energiemanagement in einem elektrischen Energiesystem,
  • 2 einen beispielhaften Verlauf von Rekuperations- und Boostvorgängen über der Zeit und
  • 3 einen beispielhaften Verlauf des Soll-Ladezustandes über der Zeit in Abhängigkeit des Verlaufs gemäß 2.
  • Die Vorrichtung 1 zum Energiemanagement in einem elektrischen Energiesystem eines Hybridfahrzeuges umfasst eine Brennkraftmaschine 2, eine Elektro-Maschine 3, eine Batterie 4 und ein Getriebe 5. Die Anbindung der Elektro-Maschine 3 an die Motorkurbelwelle kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise über eine Kupplung 6, oder direkt mit einer Motorkurbelwelle verbunden oder über einen Riementrieb bzw. ein Getriebe angekoppelt sein. Die Anbindung der Elektro-Maschine 3 an das Getriebe 5 erfolgt über eine Kupplung 7, die vorzugsweise als Doppelkupplung oder als Wandler ausgebildet ist. Des Weiteren ist die Batterie 4 mit der Elektro-Maschine 3 mit nicht dargestelltem Wechselrichter und einer Leistungselektronik verbunden. Der Batterie 4 ist eine Einrichtung 8 zur Ermittlung der über Rekuperation gewonnenen Energie und der durch Boost-Vorgänge entnommenen Energie zugeordnet. Der Brennkraftmaschine 2 ist ein nicht dargestelltes Motorsteuergerät zugeordnet. Ebenso sind dem Getriebe 5 ein Getriebesteuergerät und der Elektro-Maschine 3 ein Steuergerät zugeordnet. Eines dieser Steuergeräte, vorzugsweise das Motorsteuergerät oder ein übergeordnetes Hybridsteuergerät, weisen die Software für die Betriebsstrategie auf. Die Einrichtung liefert dann die ermittelten Energien über einen Bus oder direkt an das Steuergerät, das die Betriebsstrategie festlegt. Dabei übermittelt eines der Steuergeräte der Einrichtung 8, ob aktuell ein Rekuperations- oder Boostvorgang stattfindet. Die Energien werden dabei vorzugsweise durch Integration der elektrischen Leistungen ermittelt.
  • In der 2 ist stark vereinfacht ein beispielhafter Verlauf der elektrischen Leistung P aufgrund von Rekuperations- und Boostvorgängen dargestellt, wobei die Rekuperationsleistungen positiv und die Boostleistungen negativ dargestellt sind. Diese Leistungen P werden durch die Einrichtung 8 getrennt integriert, so dass die Einrichtung 8 eine Energie für Rekuperationsvorgänge und eine Energie für Boostvorgänge an das Steuergerät liefert. Zu einem Zeitpunkt t0 setzt das Steuergerät diese Energien in Verhältnis. Da, wie ersichtlich, erheblich mehr Energie durch Boostvorgänge entnommen als durch Rekuperationsvorgänge genommen wurde, wird der erste Soll-Ladezustand Soll-SOC zum Zeitpunkt Null auf einen höheren Soll-SOC zum Zeitpunkt t0 angehoben.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004023512 A1 [0010]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Energiemanagement in einem elektrischen Energiesystem eines Hybridfahrzeuges mittels einer Brennkraftmaschine, mindestens einer Elektro-Maschine und mindestens einem Energiespeicher, wobei die Elektro-Maschine generatorisch und motorisch betreibbar ist, wobei die Elektro-Maschine motorisch zur Unterstützung der Brennkraftmaschine in einen Boostbetrieb zuschaltbar ist oder generatorisch zur Rekuperation der Verzögerungsenergie betreibbar ist, wobei dem Energiespeicher mindestens ein erster Soll-Ladezustand zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Fahrstrecke und/oder Fahrzeit die über Rekuperation genommene elektrische Energie und durch Boostvorgänge entnommene elektrische Energie und/oder Größen, aus denen diese Energien abschätzbar sind, ermittelt werden, und in Verhältnis zueinander gesetzt werden und in Abhängigkeit des Verhältnisses der Soll-Ladezustand angepasst wird, wobei bei höheren Rekuperationsenergien der Soll-Ladezustand niedriger als der erste Soll-Ladezustand und bei höheren Boostenergien der Soll-Ladezustand höher als der erste Soll-Ladezustand eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energien durch eine Auswertung von Zeiten oberhalb bzw. unterhalb von Leistungsgrenzen abgeschätzt werden und/oder durch eine Auswertung der Ist-Ladezustände infolge von Boost- und Rekuperationsvorgängen hinsichtlich Über- bzw. Unterschreitung von Grenzwerten und/oder Abständen zu Grenzwerten des Soll-Ladezustandes abgeschätzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die entnommenen Boostenergien stärker gewichtet werden als die zugeführten Rekuperationsenergien.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Ladezustand bei Bergabfahrten und/oder bei höheren Geschwindigkeiten weiter erniedrigt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Ladezustand bei einer hohen Fahrpedal- und/oder Momentendynamik und/oder hohen Momentenanforderungen im Boost-Drehzahlbereich weiter erhöht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine untere Soll-Ladezustandsgrenze für die Beendigung von verbrauchsreduzierten Hybridfunktionen in Abhängigkeit der in Verhältnis gesetzten Energien herabgesetzt wird, wenn nur eine geringe Anzahl von Boost-Vorgängen vorliegt.
  7. Vorrichtung zum Energiemanagement in einem elektrischen Energiesystem eines Hybridfahrzeuges, umfassend eine Brennkraftmaschine, mindestens eine Elektro-Maschine und mindestens einen Energiespeicher, wobei die Elektro-Maschine generatorisch und motorisch betreibbar ist, wobei die Elektro-Maschine motorisch zur Unterstützung der Brennkraftmaschine in einen Boostbetrieb zuschaltbar ist oder generatorisch zur Rekuperation der Verzögerungsenergie betreibbar ist, wobei dem Energiespeicher mindestens ein erster Soll-Ladezustand zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Fahrstrecke und/oder Fahrzeit die über Rekuperation genommene elektrische Energie und durch Boostvorgänge entnommene elektrische Energie und/oder Größen, aus denen diese Energien abschätzbar sind, ermittelt werden und in Verhältnis zueinander gesetzt werden und in Abhängigkeit des Verhältnisses der Soll-Ladezustand angepasst wird, wobei bei höheren Rekuperationsenergien der Soll-Ladezustand niedriger als der erste Soll-Ladezustand und bei höheren Boostenergien der Soll-Ladezustand höher als der erste Soll-Ladezustand eingestellt wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energien durch eine Auswertung von Zeiten oberhalb bzw. unterhalb von Leistungsgrenzen abgeschätzt werden und/oder durch eine Auswertung der Ist-Ladezustände infolge von Boost- und Rekuperationsvorgängen hinsichtlich Über- bzw. Unterschreitung von Grenzwerten und/oder Abständen zu Grenzwerten des Soll-Ladezustandes erfolgt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die entnommenen Boostenergien stärker gewichtet werden als die zugeführten Rekuperationsenergien.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Ladezustand bei Bergabfahrten und/oder bei höheren Geschwindigkeiten weiter erniedrigt wird.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Ladezustand bei einer hohen Fahrpedal- und/oder Momentendynamik und/oder hohen Momentenanforderungen im Boost-Drehzahlbereich weiter erhöht wird.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine untere Soll-Ladezustandsgrenze für die Beendigung von verbrauchsreduzierenden Hybridfunktionen in Abhängigkeit der in Verhältnis gesetzten Energien herabgesetzt wird, wenn nur eine geringe Anzahl von Boost-Vorgängen bzw. nur geringe Energie durch Boost-Vorgänge entnommen wurde.
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