DE102007047825A1 - Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades eines Energiespeichers und Verwendung des Wirkungsgrades - Google Patents

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Abstract

Im Rahmen des Verfahrens zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor und zumindest eine Elektromaschine, wird im Energiespeichermodul eine kontinuierliche "Online"-Berechnung bzw. Echtzeit-Berechnung des Wirkungsgrades des Energiespeichers anhand eines Energiespeichermoduls unter Verwendung bekannter energiespeicherspezifischer Parameter und energiespeicherspezifischer Messgrößen durchgeführt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des berechneten Wirkungsgrades.
  • Aus dem Stand der Technik sind Hybridfahrzeuge umfassend ein Hybridgetriebe bekannt. Sie umfassen zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor zumindest einen Elektromotor bzw. eine elektrische Maschine. Bei seriellen Hybridfahrzeugen wird ein Generator vom Verbrennungsmotor angetrieben, wobei der Generator den die Räder antreibenden Elektromotor mit elektrischer Energie versorgt. Des weiteren sind parallele Hybridfahrzeuge bekannt, bei denen eine Addition der Drehmomente des Verbrennungsmotors und zumindest einer mit dem Verbrennungsmotor verbindbaren elektrischen Maschine erfolgt. Hierbei sind die elektrischen Maschinen mit dem Riementrieb oder mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbindbar. Die vom Verbrennungsmotor und/oder der zumindest einen elektrischen Maschine erzeugten Drehmomente werden über ein nachgeschaltetes Getriebe an die angetriebene Achse übertragen.
  • Beispielsweise ist im Rahmen der DE 10 2006 019 679 A1 ein Antriebsstrang mit einem elektrisch verstellbaren Hybridgetriebe und einem elektrohydraulischen Steuersystem, mehreren elektrischen Leistungseinheiten und mehreren Drehmomentübertragungsmechanismen bekannt. Hierbei können die Drehmomentübertragungsmechanismen durch das elektrohydraulische Steuersystem selektiv eingerückt werden, um vier Vorwärtsgänge, einen neutralen Zustand, eine elektrische Betriebsart mit niedriger und hoher Drehzahl, eine elektrisch verstellbare Betriebsart mit niedriger und hoher Drehzahl und eine Berghalte-Betriebsart bereitzustellen.
  • Aus de US 7,174,980 B2 ist ein Verfahren zur Steuerung des Betriebsverhaltens eines Hybridantriebes eines Fahrzeuges, wobei der Hybridantrieb als Antriebsmaschine eine Verbrennungskraftmaschine und wenigstens eine elektrische Maschine umfasst, und die Abtriebswellen der Antriebsmaschinen mit einem Antriebsstrang des Fahrzeuges wirkverbindbar sind. Hierbei ist vorgesehen, dass durch gezielte Ansteuerung der wenigstens einen elektrischen Maschine eine Schleppmoment-Kennlinie des Hybridantriebes eingestellt wird
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Energiespeicher Verlustleistungen aufweisen, die sich im Lade-/Entladevorgang quadratisch auswirken. In der Regel werden diese Verluste nicht berücksichtigt.
  • Des weiteren ist bekannt, dass der Wirkungsgrad eines Energiespeichers durch Umgebungsbedingungen und den Betriebszustand des Energiespeichers beeinflusst wird, wobei ohne Berücksichtigung des Wirkungsgrades eines Energiespeichers dessen optimale Nutzung nicht gewährleistet ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor und zumindest eine Elektromaschine anzugeben, durch dessen Durchführung der Wirkungsgrad mit geringem Rechenaufwand genau berechnet werden kann. Des weiteren sollen vorteilhafte Verwendungen des erfindungsgemäß berechneten Wirkungsgrades angegeben werden.
  • Diese Aufgabe wird für ein Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Verwendung des berechneten Wirkungsgra des ist Gegenstand des Anspruchs 6. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Demnach wird ein Verfahren vorgeschlagen, im Rahmen dessen im Energiespeichermodul eine kontinuierliche „Online"-Berechnung bzw. Echtzeit-Berechnung des Wirkungsgrades des Energiespeichers anhand eines Energiespeichermodels unter Verwendung bekannter energiespeicherspezifischer Parameter und energiespeicherspezifischer Messgrößen durchgeführt wird.
  • Gemäß der Erfindung werden zur Berechnung des Wirkungsgrades des Energiespeichers laufend die aktuellen energiespeicherspezifische Messgrößen Strom, Spannung und/oder Temperatur verwendet. Gemäß einer Variante der Erfindung kann anstelle des aktuellen Stromes ein geforderter Strom verwendet werden, wodurch eine Kurzzeit-Prognose für eine bestimmte Leistungsanforderung ermöglicht wird.
  • Des weiteren werden zur Berechnung des Wirkungsgrades des Energiespeichers „offline" ermittelte Energiespeicher-Parameter, wie der zumindest eine Innenwiderstand, die Doppelschicht-Zeitkonstante und die Lade-Zeitkonstante herangezogen. Ferner wird die an den Widerständen abfallende Spannung als Verlustleistung aufsummiert und mit der gesamten vom Energiespeicher umgesetzten Spannung in Relation gesetzt.
  • Für den Fall, dass nur ein Innenwiderstand angenommen wird ergibt sich der Wirkungsgrad Eta des Energiespeichers wie folgt: Eta = Wirkleistung/Energiespeicherleistung = (Ladeleistung-Verlustleistung am Energiespeicherinnenwiderstand)/Ladeleistung = 1 – abs((aktueller Energiespeicherstrom·Energiespeicherinnenwiderstand)/aktuelle Energiespeicherspannung), wobei abs den Betrag bezeichnet.
  • Vorzugsweise wird, um die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands zu berücksichtigen, der aktuelle Temperaturmesswert verwendet, um den Innenwiderstandswert nachzuführen, was beispielsweise über eine vorzugsweise im Energiespeichermodul abgelegte Kennlinie erfolgen kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der berechnete Wirkungsgrad des Energiespeichers an der Schnittstelle zwischen Energiespeichermodul und Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs (Hybridmodul) an das Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs übermittelt, wodurch sichergestellt ist, dass energiespeicher-spezifische Daten nur im Energiespeichermodul benötigt werden, so dass das Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs unabhängig vom aktuell verwendeten Energiespeicher ist.
  • Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, den Wirkungsgrad des Energiespeichers bei der Berechnung des Gesamtwirkungsgrades im Hybrid-Antriebsstrang zu verwenden. Hierbei wird in jedem Modul des Hybrid-Antriebsstrangs (z. B. Elektromaschinenmodul, Energiespeichermodul, Getriebemodul, Verbrennungsmotormodul etc.) der Modulwirkungsgrad berechnet und an das übergeordnete Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs übermittelt, wobei im Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs aus der Kette der Wirkungsgrade der einzelnen Module der Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstrangs für einen benötigten Leistungspfad berechnet wird. Auf diese Weise kann im Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs errechnet werden, ob z. B. sich eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors aus energetischer Sicht lohnt oder nicht.
  • Wenn beispielsweise der Verbrennungsmotor im Rahmen einer Lastpunktverschiebung in einen besseren Wirkungsgrad-Punkt gebracht werden soll, wobei die überschüssige elektrische Leistung in den Energiespeicher gespeichert werden soll, wird mittels des Batterie-Wirkungsgrades anhand des sich ergebenden Gesamtwirkungsgrades errechnet, ob sich dies nach Durchlaufen der gesamten Wirkungsgradkette aus energetischer Sicht lohnt oder nicht.
  • Gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Betriebsbereiche mit ungünstigen berechneten Gesamtwirkungsgrad im Hybridbetrieb als „zu vermeidende Bereiche" markiert werden, die während des Betriebes möglichst vermieden werden sollen.
  • Durch die erfindungsgemäße Konzeption der kontinuierlichen Berechnung wird der Wirkungsgrad des Energiespeichers mit einem vertretbaren Rechenaufwand genau erfasst. Ferner wird durch die Berechnung des Wirkungsgrades im Energiespeichermodul und Übermittlung des Wirkungsgrades an der Schnittstelle zum übergeordneten Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs die Unabhängigkeit des Funktionsmoduls bzw. des Funktionsmodells des Hybrid-Antriebsstrangs von einem spezifischen Energiespeicher gewährleistet, so dass der Energiespeicher mit wenig Aufwand ausgetauscht werden kann. Des weiteren führt die beschriebene Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Energiespeichers in strategischen Funktionen zu einer optimalen Nutzung des Energiespeichers.
  • 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 102006019679 A1 [0003]
    • - US 7174980 B2 [0004]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor und zumindest eine Elektromaschine, dadurch gekennzeichnet, dass im Energiespeichermodul eine kontinuierliche „Online"-Berechnung bzw. Echtzeit-Berechnung des Wirkungsgrades des Energiespeichers anhand eines Energiespeichermodels unter Verwendung bekannter energiespeicherspezifischer Parameter und energiespeicherspezifischer Messgrößen durchgeführt wird.
  2. Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Wirkungsgrades des Energiespeichers laufend die aktuellen energiespeicherspezifische Messgrößen Strom, Spannung und/oder Temperatur und als Energiespeicher-Parameter der zumindest eine Innenwiderstand, die Doppelschicht-Zeitkonstante und/oder die Lade-Zeitkonstante verwendet werden, wobei die an den Widerständen abfallende Spannung als Verlustleistung aufsummiert und mit der gesamten vom Energiespeicher umgesetzten Spannung in Relation gesetzt wird.
  3. Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich für den Fall, dass ein Innenwiderstand vorhanden ist der Wirkungsgrad Eta des Energiespeichers wie folgt ergibt: Eta = Wirkleistung/Energiespeicherleistung = (Ladeleistung-Verlustleistung am Innenwiderstand)/Ladeleistung = 1 – abs((aktueller Energiespeicherstrom·Energiespeicherinnenwiderstand)/aktuelle Energiespeicherspannung).
  4. Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass um die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands zu berücksichtigen, der aktuelle Temperaturmesswert verwendet wird, um den Innenwiderstandswert nachzuführen.
  5. Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführung des Innenwiderstandswertes in Abhängigkeit von der Temperatur über eine Kennlinie erfolgt.
  6. Verwendung des gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 berechneten Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor und zumindest eine Elektromaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad des Energiespeichers bei der Berechnung des Gesamtwirkungsgrades im Hybrid-Antriebsstrang verwendet wird.
  7. Verwendung des gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 berechneten Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Modul des Hybrid-Antriebsstrangs der Modulwirkungsgrad berechnet und an das Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs übermittelt wird, wobei im Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs aus der Kette der Wirkungsgrade der einzelnen Module der Gesamtwirkungsgrad des Hybrid-Antriebsstrangs für einen benötigten Leistungspfad berechnet wird und wobei anhand des Gesamtwirkungsgrades errechnet wird, ob sich eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors aus energetischer Sicht lohnt oder nicht.
  8. Verwendung des gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 berechneten Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Berechnung des Gesamtwirkungsgrades Betriebsbereiche mit ungünstigen Gesamtwirkungsgrad im Hybridbetrieb als „zu vermeidende Bereiche" markiert werden, die während des Betriebes möglichst vermieden werden sollen.
  9. Verwendung des gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 berechneten Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei der berechnete Wirkungsgrad des Energiespeichers an der Schnittstelle zwischen Energiespeichermodul und Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs an das Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs übermittelt wird, wodurch sichergestellt ist, dass energiespeicherspezifische Daten nur im Energiespeicher-Modul benötigt werden, so dass das Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs unabhängig vom aktuell verwendeten Energiespeicher ist.
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