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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer zu einem jeweiligen
Zeitpunkt zur Verfügung stehenden Leistung und/oder elektrischen Arbeit
und/oder entnehmbaren Ladungsmenge eines in einem Stromkreis eingebundenen
elektrischen Speichers, insbesondere einer Batterie, mittels eines Modells
zur Nachbildung des elektrischen Speichers, wobei das Modell aus
mindestens einem den Ladezustand des Speichers kennzeichnenden Parameter zu
mindestens einem ersten Zeitpunkt eine zur Entnahme zur Verfügung
stehende Leistung und/oder elektrische Arbeit und/oder Ladungsmenge
zu mindestens einem zweiten Zeitpunkt berechnet.
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Stand der Technik
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Ein
derartiges Verfahren zur Bestimmung einer aus dem elektrischen Speicher
entnehmbaren Ladungsmenge zu einem vorgebbaren Zeitpunkt ist bekannt.
Die
DE 103 01 823
A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln
einer aus einem elektrischen Speicher bis zu einem vorgegebenen
Entladeschluss entnehmbare Ladung, wobei aus einem als Entladestromverlauf
ausgebildeten, den Ladezustand (Ladungszustand) des Speichers kennzeichnenden
Parameter auf der Grundlage eines mathematischen Modells eine Zustandsgröße bestimmt
wird, aus der die aus dem elektrischen Speicher entnehmbare Ladungsmenge
ermittelt werden kann. Die Zustandsgröße ist eine
dimensionslose Kennzahl (Ladungsprädikationskennzahl),
die Aussagen über den Ladezustand (SOC: State of Charge)
und/oder den Gesundheits-/Alterungszustand (State of Health) und/oder
die Leistungsbereitschaft (State of Function) des elektrischen Speichers zulässt.
Der Ladezustand ist beispielsweise als Quotient aus der aktuell
im elektrischen Speicher enthaltenen Ladung und der Nennkapazität
des Speichers definiert. Die Bestimmung des Ladezustands erfolgt bei
einem als Batterie ausgebildeten elektrischen Speicher insbesondere
durch seine Rückführung auf eine Ruhespannungskennlinie,
durch eine Amperestunden-Bilanz oder auch explizit aus den Zuständen des
Modells. Unter dem Gesundheits-/Alterungszustand ist im Allgemeinen
der Quotient aus der aktuell zur Verfügung stehenden Ladungsmenge
zu der zu Beginn der Nutzung des elektrischen Speichers zur Verfügung
stehenden Ladungsmenge bei beliebig langsamer Ladung/Entladung zu
verstehen. Die Leistungsbereitschaft ist die maximale Lade- und
Entladeleistung des elektrischen Speichers. Der den Ladezustand
des Speichers kennzeichnende Parameter ist eine aktuelle Betriebsgröße,
wie zum Beispiel die aktuelle Spannung, der aktuelle Lade- beziehungsweise
Entladestrom und/oder die aktuelle Temperatur des elektrischen Speichers.
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Um
eine vorteilhafte Lade-/Entladestrategie des elektrischen Speichers
im Stromkreis realisieren zu können, muss eine Vielzahl
von möglichen Betriebsarten des Stromkreises berücksichtigt
und gegeneinander abgewägt werden. Ist dies nicht möglich oder
zu rechenintensiv, so muss der Betriebsbereich des elektrischen
Speichers vorsorglich eingeschränkt werden, um zum Beispiel
einer unvorhersehbaren Alterung entgegenzuwirken. Dies lässt
jedoch einen großen Teil der verfügbaren Kapazität des
elektrischen Speichers für den Betrieb ungenutzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur
Nutzung des elektrischen Speichers in einem großen Betriebsbereich
ist vorgesehen, dass das Modell mittels mindestens eines eine jeweilige Betriebsart
des Stromkreises kennzeichnenden Stromanforderungsprofils und/oder
Leistungsanforderungsprofils und/oder Temperaturprofils beaufschlagt und
die dazugehörige zur Verfügung stehende Leistung
und/oder elektrische Arbeit und/oder Ladungsmenge ermittelt wird.
Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass das Modell als sogenannte „Black Box",
also unabhängig von seiner internen Modellstruktur, mittels
mindestens eines Stromanforderungsprofils, Leistungsanforderungsprofils
und/oder Temperaturprofils beaufschlagt wird. Unterschiedliche Stromanforderungsprofile
können dabei zum Beispiel den häufigsten Betriebsarten
entsprechen, in denen der Stromkreis betrieben wird.
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Alternativ
oder zusätzlich wird das Modell mit mindestens einem Leistungsanforderungsprofil
beaufschlagt. Die dem Stromanforderungs- und/oder Leistungsanforderungsprofil
zugeordneten Temperaturprofile kennzeichnen die Betriebsbedingungen. Aus
der elektrischen Arbeit kann eine maximale Zeitspanne Δt
bestimmt werden, in der der elektrische Speicher mit einer bestimmten
Leistung belastet werden kann. Unter einem Modell wird im Zusammenhang
mit dieser Anmeldung eine Einrichtung oder zumindest eine mathematische
Funktion verstanden, die den elektrischen Speicher nachbildet und
Ausgangsgrößen ausgibt, die zu charakteristischen
Größen des Speichers proportional sind.
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Die
Bestimmung der zu einem vorgegebenen Zeitpunkt zur Entnahme zur
Verfügung stehenden Leistung und/oder Ladungsmenge des
elektrischen Speichers innerhalb des Stromkreises (Leistungs-/Ladungsprädikation)
wird erreicht, indem das Modell, insbesondere ein mathematisches
Modell, zur Nachbildung des elektrischen Speichers virtuell mit
dem entsprechenden Leistungs- und/oder Stromanforderungsprofil und/oder
Temperaturprofil "belastet" wird: Zur möglichst raschen
und genauen Bestimmung der zur Verfügung stehenden Leistung und/oder
Ladungsmenge zu einem wählbaren Zeitpunkt wird das Modell
insbesondere mit bekannten Stromanforderungsprofilen, Leistungsanforderungsprofilen
beziehungsweise Temperaturprofilen beaufschlagt, sodass dieses Verfahren
genutzt werden kann, um eine Betriebsartenauswahl entsprechend des
Zustands des elektrischen Speichers durchzuführen.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass der elektrische Speicher in dem Stromkreis
eines Fahrzeugs ausgebildet ist. Der elektrische Speicher eines
Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, wird im Betrieb des Fahrzeugs
durch Belastung entladen und zum Beispiel mittels eines Generators
wieder aufgeladen. Die gewählte Betriebsart des Stromkreises
hat somit einen großen Einfluss auf den Ladezustand, den
Gesundheits-/Alterungszustand und die Leistungsbereitschaft des
elektrischen Speichers. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Fahrzeug
einen in den Stromkreis eingebundenen Elektroantrieb mit mindestens
einer als Elektromotor verwendbaren elektrischen Maschine aufweist.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fahrzeug
einen Hybridantrieb mit mindestens einem Verbrennungsmotor und mindestens
einer im Stromkreis eingebundenen elektrischen Maschine als Antriebsmaschinen
aufweist. Die elektrische Maschine arbeitet als Elektromotor, der
den elektrischen Speicher im Motorbetrieb entlädt und/oder
als Generator, der den elektrischen Speicher im Generatorbetrieb
auflädt. Ein derartiger Hybridantrieb weist alternative
Betriebsarten des Stromkreises mit charakteristischen Belastungen
für den elektrischen Speicher auf. Die Betriebsarten des Stromkreises
ergeben sich aus unterschiedlichen Betriebsarten des Fahrzeugs.
Der elektrische Speicher für einen Hybridantrieb ist bevorzugt
als Traktionsbatterie ausgebildet.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die mindestens eine Betriebsart des Fahrzeugs
mit Hybridantrieb ein elektrisches Fahren, ein Boostbetrieb, ein Rekuperationsbetrieb,
ein Start des Verbrennungsmotors und/oder ein Ladebetrieb ist. Bei
diesen unterschiedlichen Betriebsarten des Fahrzeugs ergeben sich
unterschiedliche Betriebsarten des Stromkreises mit charakteristischen
Ladestrom- und/oder Entladestrom-Verläufen des elektrischen
Speichers.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass eine der Betriebsarten aufgrund der Berechnung des Modells
ausgewählt und angewendet wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für
mindestens eine Betriebsart ein Ladungsprädikationskennfeld
erstellt wird. Zur raschen Bestimmung der aus dem elektrischen Speicher
entnehmbaren Ladung zu einem jeweiligen Zeitpunkt werden zum Beispiel
alternative, bekannte Stromanforderungsprofile beziehungsweise Temperaturprofile
genutzt. Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Stromanforderungsprofile
beziehungsweise Temperaturprofile zeitnah erstellt werden. Anschließend
wird das Modell mit diesen Stromanforderungs- beziehungsweise Temperaturprofilen
beaufschlagt und mittels des von den Stromanforderungsprofilen beziehungsweise
Temperaturprofilen "belasteten" Modells ein entsprechendes Ladungsprädikationskennfeld
erstellt. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass
für mindestens eine Betriebsart ein Leistungsprädikationskennfeld
erstellt wird.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Ladungsprädikationskennfeld als Matrix mit Ladungsmengenparametern
darstellbar ist. Die Ladungsmengenparameter sind die Matrixelemente
Qij der Matrix und geben den Betrag der
zu einem Zeitpunkt t entnommenen Ladung an. Die Ladungsmengenparameter
werden berechnet bis eine vorgebbare Abbruchbedingung der Berechnung
erfüllt ist. Das Ladungsprädikationskennfeld beziehungsweise
jedes der Ladungsprädikationskennfelder gibt insbesondere
einen Ladungsmengenverlauf über der Zeit für seine
zugehörige Betriebsart und/oder eine maximale Ladungsmenge
bis zur Erfüllung der Abbruchbedingung an.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass die Ladungsmengenparameter zur Steuerung/Regelung von
mindestens einem Verbraucher, insbesondere der elektrischen Maschine,
im Stromkreis genutzt wird.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Ladungsmengenparameter zur Steuerung/Regelung der
elektrischen Maschine einem Steuergerät der elektrischen
Maschine und/oder einer die Steuergeräte der Antriebsmaschinen
(Motor-Steuergerät des Verbrennungsmotors beziehungsweise
Elektromaschinen-Steuergerät der elektrischen Maschine)
koordinierenden Einrichtung zur Verfügung gestellt werden.
Diese koordinierende Einrichtung ist insbesondere ein Hybridantriebs-Steuergerät.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung
des vorstehend genannten Verfahrens. Es ist vorgesehen, dass die
Vorrichtung ein Teil eines Batterie-Management-Systems (BMS) eines
Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrzeugs mit einem Hybridantrieb
oder einem Elektroantrieb, ist. Dazu ist bevorzugt ein Modell und
ein Leistungs- und/oder Stromprofilgenerator im Batterie-Management-System
implementiert. Der Leistungs- und/oder Stromprofilgenerator erstellt
mindestens ein Stromanforderungsprofil und/oder mindestens ein Leistungsanforderungsprofil
und/oder mindestens ein Temperaturprofil für je eine entsprechende
Betriebsart eines Stromkreises des Fahrzeugs. Das Modell wird mit
diesen Profilen beaufschlagt und erzeugt mindestens ein betriebsartabhängiges
Leistungs- und/oder Ladungsprädikationskennfeld. Die Leistungs-
und/oder Ladungsmengenparameter dieses Leistungs- und/oder Ladungsprädikationskennfeldes werden
bei einem Fahrzeug mit Hybridantrieb insbesondere einem die Steuergeräte
der Antriebsmaschinen koordinierenden Hybridantriebs-Steuergerät
zur Verfügung gestellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert,
und zwar zeigt:
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1 einen
Hybridantrieb eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und zwei
in einen Stromkreis eingebundenen elektrischen Maschinen,
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2 ein
Blockdiagramm einer Einzelalgorithmusstruktur eines Modells eines
in den Stromkreis eingebundenen elektrischen Speichers und
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3 eine
Gesamtstruktur einer Vorrichtung zur Bestimmung einer zur Verfügung
stehenden Ladungsmenge des elektrischen Speichers.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Die 1 zeigt
einen Hybridantrieb 1 eines nicht näher dargestellten
Fahrzeugs. Der Hybridantrieb 1 weist einen Verbrennungsmotor 2 sowie
eine als Elektromotor 3 ausgebildete erste elektrische
Maschine 4 auf. Der Verbrennungsmotor 2 wird mit Kraftstoff
aus einem Tank 5 versorgt.
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Der
Verbrennungsmotor 2 und der Elektromotor 3 sind über
ein vorzugsweise als Planetengetriebe ausgebildetes Getriebe 6 miteinander
kuppelbar. Ferner ist mit dem Getriebe 6 eine weitere elektrische
Maschine 7 verbunden, die ebenfalls zum Hybridantrieb 1 gehört.
Die Abtriebswelle des Elektromotors 3 steht mit einem Differenzial 8 in
Verbindung, das zu den Antriebsrädern 9 des Fahrzeugs
führt. Der Einfachheit halber ist nur ein Antriebsrad 9 dargestellt.
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Der
Verbrennungsmotor 2 ist an einem Motor-Steuergerät 10 und
der Elektromotor 3 ist an einem Elektromaschinen-Steuergerät 11 zum
Steuern/Regeln der Motoren 2, 3 elektrisch angeschlossen.
Die weitere elektrische Maschine 7 und ein elektrischer
Speicher 12 sind ebenfalls an das Elektromaschinen-Steuergerät 11 angeschlossen.
Der elektrische Speicher 12 ist insbesondere als Batterie
ausgebildet, vorzugsweise als Traktionsbatterie. Er ist mit einem
Batterie-Management-System (BMS) 13 verbunden, das zur
Kommunikation an eine die Steuergeräte 10, 11 koordinierende
und als Hybridantrieb-Steuergerät 14 ausgebildete
Einrichtung angeschlossen ist. Das Hybridantrieb-Steuergerät 14 ist dazu
mit den Steuergeräten 10, 11 verbunden
und koordiniert insbesondere deren Steuerung/Regelung der Motoren 2, 3.
Die elektrischen Maschinen 4, 7 und der elektrische
Speicher 12 bilden mit weiteren, nicht gezeigten elektrischen
Komponenten einen Stromkreis 15 des Fahrzeugs.
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Alternativ
zum gezeigten leistungsverzweigenden Hybridantrieb 1 kann
das Fahrzeug auch einen parallelen Hybridantrieb 1 oder
einen Elektroantrieb aufweisen.
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In 2 ist
ein Blockdiagramm einer Verfahrenssequenz zur Bestimmung einer zu
einem jeweiligen Zeitpunkt zur Entnahme zur Verfügung stehenden
Ladungsmenge des elektrischen Speichers 13 für
eine beliebige Betriebsart des Stromkreises 15 dargestellt.
An einem Startpunkt 21 wird ein Klon eines Modells zur
Nachbildung des elektrischen Speichers erstellt. Das Modell ist
insbesondere ein mathematisches Modell. In einem darauf folgenden Schritt
wird im Programmpunkt 22 dieser Klon des Modells mit einem
Satz von m Temperaturprofilen i mit i = 1 ... m und für
jedes dieser Temperaturprofile i mit einem Satz von n Leistungsanforderungsprofilen j
mit j = 1 ... n – zum Beispiel mittels zweier Ineinander geschachtelter „FOR
... NEXT"-Schleifen beaufschlagt. Alternativ zur Verwendung von
Leistungsanforderungsprofilen j werden Stromanforderungsprofile
verwendet. In einem ersten Unterschritt (Programmpunkt 23)
wird für jede sich so ergebende Kombination aus Temperaturprofil
i und Leistungsanforderungsprofil j die zeitabhängige Ladungsmenge Qij = Qij(t) eines
Lade- beziehungsweise Entlade-Prozesses des elektrischen Speichers 13 bis
zu einer vorbestimmten Ladungsmenge Qa als Abbruchbedingung
berechnet. In einem nachfolgenden Unterschritt (Programmpunkt 24)
des Programmpunkts 22 wird der Betrag der Ladungsmenge
Qij als Ladungsmengenparameter in einem
Speicher des Batterie-Management-Systems 13 abgespeichert.
In einem nachfolgenden Schritt (Programmpunkt 25) werden die
Ladungsmengenparameter über den Temperatur- und Stromanforderungsprofilen
aufgetragen und es ergibt sich ein betriebsartabhängiges
Ladungsprädikationskennfeld.
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Der
in der 2 dargestellte Algorithmus benötigt zur
klaren Definition die folgenden Parameter:
- – einen
Satz an Leistungsanforderungsprofilen j (alternativ: einen Satz
an Stromanforderungsprofilen), die für das Fahrzeug mit
Hybridantrieb 1 (Hybridfahrzeug) charakteristisch sind,
- – einen Satz an relevanten Temperaturprofilen i für
jeden Satz an Leistungsanforderungsprofilen j (beziehungsweise Stromanforderungsprofilen) auf
der Basis der aktuellen Umgebungstemperatur T des elektrischen Speichers 12 und
- – eine vorbestimmte Ladungsmenge Qa als
Abbruchbedingung zur Beendigung der Anwendung des jeweiligen Leistungsanforderungsprofils
j (Stromanforderungsprofils).
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Die 3 zeigt
eine Gesamtstruktur einer Vorrichtung 26 zur Bestimmung
einer zur Verfügung stehenden Ladungsmenge des elektrischen
Speichers 12, bei der über eine Messeinrichtung
28 zum Beispiel die aktuelle Spannung des elektrischen Speichers 12 an
einen im Batterie-Management-System 13 implementierten
Stromprofilgenerator 27 ausgegeben wird (Pfeil 29).
Weiterhin übermittelt das die Steuergeräte 10, 11 der
Antriebsmaschinen 2, 3 (der mindestens eine Verbrennungsmotor 2 und
der mindestens eine Elektromotor 3) koordinierende Hybrid-Steuergerät 14 ein
Anforderungssignal an den Leistungs- oder Stromprofilgenerator 27 mit
dem ein einer Betriebsart entsprechendes Leistungs- oder Stromanforderungsprofil
oder mehrere dieser Stromprofile ausgewählt wird (Pfeil 30).
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Der
Leistungs- oder Stromprofilgenerator 27 erstellt das mindestens
eine Stromanforderungs- und/oder Temperaturprofil, im Beispiel der 3 fünf alternative
Klone (Blöcke 31 bis 35) des Modells
zur Nachbildung des elektrischen Speichers 12. Die fünf Klone
entsprechen zum Beispiel den Betriebsarten: elektrisches Fahren
(Block 31), Boostbetrieb (Block 32), Rekuperationsbetrieb
(Block 33) Grundlastbetrieb (Block 34) und Start
des Verbrennungsmotors (Block 35).
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Anschließend
wird aus den erstellten Ladungsmengenparametern der betriebsartabhängigen
Ladungsprädikationskennfelder ein Gesamt-Ladungsprädikationskennfeld
(Block 36) erstellt. Die Ladungsmengeparameter Qij werden anschließend an das den
Betrieb des Stromkreises steuernde Steuergerät 11, 14 ausgegeben
(Pfeil 37). Dieses Steuergerät kann das Elektromotor-Steuergerät 11 sein,
ist bevorzugt jedoch das Hybridantriebs-Steuergerät 14.
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Es
ergeben sich folgende potentielle Erweiterungen/Alternativen:
- 1. Bestimmung einer Maximalleistung, die dem elektrischen
Speicher für eine Zeitspanne von mindestens Δt
entnommen werden kann. Damit kann eine maximale Zeitspanne bestimmt
werden, in der der Hybridantrieb 1 im Boostbetrieb betrieben wird.
- 2. Erstellung eines leistungsbasierten Kennfeldes. Anstelle
einer Beaufschlagung des Modells mit dem Satz an Stromanforderungsprofilen
wird das Modell mit einem Satz von Leistungsanforderungsprofilen
beaufschlagt, wobei der Strom der sinkenden Klemmenspannung angepasst
wird. Mit einem derartigen Satz von Leistungsanforderungsprofilen
kann eine maximale Zeitspanne für ein rein elektrisches
Fahren ermittelt werden.
- 3. Erweiterung der Stromanforderungsprofile durch Hintereinanderausführen
von "Basisstromprofilen". Die Basisstromprofile sind vereinfachte Lastprofile,
die aus einer Analyse der Betriebsmodi und Batterielastprofilen
gewonnen werden.
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Bei
derartigen erweiterten Stromprofilen können zum Beispiel
Zusatzinformationen aus Navigationsdaten eingehen.
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Grundidee
des Verfahrens ist die Prädikation der zur Verfügung
stehenden Ladungsmenge des elektrischen Speichers 12, in
dem ein Modell zur Nachbildung des elektrischen Speichers 12,
vorzugsweise ein bereits vorhandenes Modell, das das Verhalten des
elektrischen Speichers 12 wiedergibt, virtuell mit dem
entsprechenden Stromanforderungsprofil und Temperaturprofil "belastet"
wird. Die Abbruchbedingung definiert eindeutig das Ende des Lastprofils.
Die in der Zwischenzeit entnommenen oder hinzugefügten
Ladungsmenge wird aufsummiert. Das Ergebnis ist ein Ladungsmengenparameter
eines Ladezustandskennfeld mit zugehörigem Stromanforderungs-
und Temperaturprofil. Es ergeben sich folgende Vorteile:
- 1. Der verwendete Algorithmus ist unabhängig von
der inneren Struktur des Modells zur Nachbildung des elektrischen
Speichers, da das Modell als Black-Box verwendet wird.
- 2. Der Algorithmus ist differenzierend, da je nach Betriebsmodus
(elektrisches Fahren, Boostbetrieb, Verbrennerstart, etc.) entsprechend
relevante Stromanforderungsprofile gewählt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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