DE102008027212A1

DE102008027212A1 - Adaptive Hybridsteuerung

Info

Publication number: DE102008027212A1
Application number: DE102008027212A
Authority: DE
Inventors: Peter Drimml
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-06-07
Also published as: DE102008027212B4

Abstract

Verfahren zur Beeinflussung der Ladekapazität eines elektrischen Energiespeichers bei einem vorwiegend auf einem gleichen Fahrweg mit einem bestimmten Streckenprofil im Linienverkehr eingesetzten hybridbetriebenen Fahrzeug, dessen Bremsenergie dem Energiespeicher zugeführt wird, wobei ein minimaler SOC (stage of charge)-Grenzwert vorbestimmt ist. Zur Erweiterung des SOC (stage of charge)-Bereiches durch einen im Fahrzeug vorhandenen Rechner wird an vorbestimmten Fahrwegpunkten elektrisch genutzte und elektrisch nicht genutzte Bremsenergie ermittelt. Ferner werden diejenigen Wegpunkte (x), an denen bei vollem Energiespeicher das Fahrzeug ohne Speicherung weiter gebremst wird vom Rechner abgespeichert. Der minimale SOC-Grenzwert wird an den davorliegenden Wegepunkten (x-1), an denen Energie aus dem elektrischen Speicher entnommen wird, für diesen Wegpunkt (x) nach unten korrigiert, um eine höhere Speichermenge zuzulassen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erweiterung des SOC(stage of charge)-Bereichs der Ladekapazität eines elektrischen Ladespeichers bei einem Fahrweg eines Nutzfahrzeugs im Linienverkehr.
In Kraftfahrzeugen werden Energiespeicher oder Ultracaps zur Speicherung elektrischer Energie eingesetzt. Im Weiteren wird vereinfachend auf Energiespeicher Bezug genommen. Die Energiespeicher oder Ultracaps werden bei laufendem Motor durch einen Generator aufgeladen und liefern elektrische Energie, wenn der Verbrennungsmotor ausgeschaltet ist. Die Energiespeicher liefern Energie z. B. zum Starten des Motors. Sie können zusätzliche Energie beisteuern, um bei laufendem Motor weitere Verbraucher anzutreiben, z. B. die Beleuchtungsanlage, die Heckscheibenheizung etc.
Zur Verlängerung der Lebensdauer des Energiespeichers sind Verfahren bekannt, die verhindern sollen, dass die s beim Aufladevorgang überladen wird. Hierbei schöpft man nicht die volle Speicherkapazität des Energiespeichers zu 100% aus, sondern hält den Ladezustand der in einem Ladezustand, der zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert liegt. Die Grenzwerte liegen dabei deutlich unterhalb von 100%. Der Ladungszustand des Energiespeiches wird als SOC (state of charge) bezeichnet. Je mehr Bremsenergie gespeichert wird, desto kraftstoffsparender und wirtschaftlicher kann das Fahrzeug bewegt werden.
Da bei heute eingesetzten Hybridfahrzeugen eine Grundversorgung der Nebenaggregate gewährleistet sein muss, dürfen die eingesetzten Energiespeicher im Hinblick auf ihren Ladezustand einen minimalen SOC-Wert nicht unterschreiten. Dadurch entsteht das Problem, dass ein herkömmlicher Energiespeicher durch Rückgewinnung von Bremsenergie nur in dem Maß ladbar ist, das dem maximalen Ladezustand abzüglich des minimalen SOC-Wertes entspricht. Die darüber hinaus gehende Bremsenergie kann bisher nicht in speicherbare Energie umgesetzt werden.
Aus der DE 10 2006 001 201 ist ein Verfahren zur Steigerung eines Energiespeicherladungsvorgangs eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeuges bekannt mit Rekuperationsphasen, die durch einen Generator gesteuert werden. Das Verfahren dient zur Umwand lung von kinetischer Energie in elektrische Energie und zur Rekuperation von Bremsenergie, wobei ein SOC-Level (state of charge) des Energiespeichers innerhalb zweier Grenzwerte gehalten wird und ein SOC-Soll-Level vorgegeben ist. Die während einer Rekuperationsphase zum Energiespeicher fließende Ladungsmenge wird an eine oder mehrere der vorhergehenden Rekuperationsphasen angepasst. Das Bremsverhalten wird kurz vor einer Rekuperationsladung überwacht und es wird daraus eine Ladestrategie festgelegt, wozu eine kurzzeitige Ladungsmessung erfolgt. Der SOC-Soll-Level wird durch einen Bremsvorgang derart an den Ladestrom angepasst, dass, wenn ein vorangegangener Bremsvorgang eine hohe Ladungsmenge ergeben hat, die Ladungsmenge einer vorliegenden Rekuperationsphase geringer ausfällt und umgekehrt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, bei dem bei einem Fahrzeug im Linienverkehr die Wirtschaftlichkeit im Betrieb erhöht und der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs gesenkt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung beruht darauf, dass ein im Linienverkehr eingesetztes Fahrzeug kontinuierlich einen bestimmten im Verlauf und im Profil gleich bleibenden Fahrweg befährt. Der Fahrweg ist gekennzeichnet von Straßenabschnitten, an denen das Fahrzeug beschleunigt wird oder sich mit gleich bleibender Geschwindigkeit bewegt. Andere Streckenabschnitte erfordern eine Reduzierung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die durch Betätigung einer der fahrzeugimmanenten Bremssysteme, z. B. der Betriebsbremse herbeigeführt wird. Die beim Bremsen frei werdende Bremsenergie wird durch Rekuperation in elektrische Energie umgewandelt und in fahrzeugeigenen Energiespeicher gespeichert. Je mehr Bremsenergie gespeichert wird, desto kraftstoffsparender, also wirtschaftlicher kann ein Fahrzeug betrieben werden. Bei heute eingesetzten Hybridfahrzeugen darf aus verschiedenen Gründen wie z. B., dem Komponentenschutz des elektrischen Speichers oder der Versorgung von Nebenaggregaten ein minimaler SOC-Wert nicht unterschritten werden. Durch diesen unteren Grenzwert SOC-Min wird die gesamte elektrische Speicherkapazität und somit der nutzbare SOC-Bereich des Fahrzeugs eingeschränkt. Die vorliegende Erfindung bezweckt, die Vergrößerung der begrenzten elektrischen Speicherkapazität (SOC-Bereich).
Es ist nunmehr denkbar, dass der Fahrweg Abschnitte aufweist, in denen das Fahrzeug in einem bestimmten Umfang und über eine bestimmte Dauer abgebremst werden muss, was dazu führt, dass die rekuperierte Bremsenergie die zur Verfügung stehende Speicherkapazität (d. h.: maximaler SOC-Wert – minimaler SOC-Wert) des Energiespeichers übersteigt und nicht in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Der Fahrzeugrechner legt in der Folge dem abgespeicherten Fahrweg Wegpunkte bei, an denen Bremsenergie elektrisch gespeichert werden kann. Er weist dem Fahrweg zusätzliche Wegpunkte (x) zu, an denen die anfallende Bremsenergie die vorhandene Speicherkapazität der Energiespeicher übersteigt und nicht genutzt werden kann. Wenn das Fahrzeug bei einem bestimmten Wegpunkt (x) seinen maximalen SOC-Wert (100%) erreicht hat und zusätzlich abgebremst werden muss, ist dies nur mehr durch konventionelles Bremsen ohne Speicherung von elektrischer Energie möglich. Wenn der Fahrzeugrechner erkennt, dass an bestimmten Wegpunkten (x) des Fahrwegs mit gleichem Streckenprofil immer wieder Bremsenergie ungespeichert verloren geht, wird der minimale SOC-Grenzwert an den davor liegenden Wegpunkten (x – 1), an denen elektrische Energie aus den Energiespeichern entnommen wird, nach unten korrigiert. Durch kontinuierliches Abfahren desselben Fahrwegs ermittelt der Fahrzeugrechner, wie viel elektrisch umwandelbare Bremsenergie in einer Umfahrung des Fahrzeugs generierbar ist und zur Verfügung steht. Mittels des Fahrzeugrechners wird darüber hinaus ermittelt, an welchen Wegpunkten (x) und in welchen Mengen überschüssige Bremsenergie hervorgebracht wird, aber nicht in Form elektrischer Energie speicherbar ist, weil der SOC-Wert bereits 100% erreicht hat. An diesen Wegpunkten (x) löst der Fahrzeugrechner eine Absenkung des minimalen SOC-Wertes an dem jeweils vorausgehenden Wegpunkt (x – 1) aus. Die Absenkung erfolgt dabei in dem Maße, in dem am Wegpunkt (x) überschüssige, weil nicht in elektrische Energie umwandelbare Bremsenergie anfällt. Vorteilhaft ist, dass nach der Absenkung des minimalen SOC-Wertes beim Wegpunkt (x – 1) am darauf folgenden Wegpunkt (x) eine größere Speicherkapazität zur Verfügung steht, wodurch das Fahrzeug in der Folge länger und nachhaltiger elektrisch angetrieben werden kann, was zur Einsparung von Kraftstoff führt. Die Absenkung des minimalen SOC-Wertes kann bei jeder Vorbeifahrt am Wegpunkt (x) erneut für die nächste Umfahrung des Fahrwegs ausgelöst werden. Sobald am Wegpunkt (x) wieder die volle Bremsenergie elektrisch genützt wird, wird der minimale SOC-Wert (x – 1) wieder auf den vorbestimmten vorherigen Normalwert angehoben. Der nutzbare Speicherbereich des Energiespeichers kann der jeweils befahrenen Strecke angepasst werden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:
1 den Lade- und Entladevorgang des Energiespeichers entlang einer Wegstrecke mit erhöhtem minimalen SOC-Wert,
2 den Lade- und Entladevorgang des Energiespeichers entlang einer Wegstrecke mit reduziertem minimalen SOC-Wert und
3 in schematischer Darstellung die Einwirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Bremssysteme des Fahrzeugs.
Beide 1 und 2 stellen einen typischen Beschleunigungs- und Bremsablauf eines Linienbusses z. B. im innerstädtischen Verkehr dar. Dem Stillstand 3 des Fahrzeugs an der Haltestelle (nicht dargestellt) folgt eine Beschleunigungsphase 1 und danach eine Phase konstanter Geschwindigkeit 2, die in eine Phase antriebslosen Rollens 4 übergeht. Im Bereich der Ziffer 5 wird das Fahrzeug aktiv abgebremst, wodurch gleichzeitig bei Ziff. 6 elektrische Energie generiert und gespeichert wird.
Die Beschleunigung erfolgt bei Ziffer 7 mit Hilfe elektrischer Energie und in der weiteren Folge bei Ziffer 8 mit Unterstützung des Verbrennungsmotors. Die Beschleunigung des Fahrzeugs durch elektrische Energie führt zur Entladung des Energiespeichers bis maximal zum minimalen SOC-Wert. Darüber hinaus wird das Fahrzeug z. B. mit Hilfe eines Verbrennungsmotors oder mit einem anderen alternativen Antriebssystem beschleunigt (vgl. Ziffer 1). Am Ende der Beschleunigungsphase 1' durchläuft das Fahrzeug bei Ziffer 2' eine Phase konstanter Geschwindigkeit, die in eine Phase 4' sinkender aber noch ungebremster Geschwindigkeit übergeht. Mit Aktivierung des Bremsvorgangs 5' bei Ziffer 10 wird Bremsenergie in elektrische Energie umgewandelt und gespeichert (vgl. Ziffer 6'). Einem kurzen Halt 11' an einer Haltestelle folgt eine erneute Beschleunigungsphase 1'' mit einem anschließenden Bereich konstanter Geschwindigkeit 2'' und einer Phase des Ausrollens 4'', die wiederum zum Halt 11'' des Fahrzeugs an der nächsten Haltestelle führt. Mit Abschluss der Bremsphase 5'' ist der SOC-Wert 100% erreicht und der Energiespeicher (z. B. der Energiespeicher oder ein anderer geeigneter Speicher) voll aufgeladen (vgl. Ziffer 12''). Im Weiteren wird exemplarisch von einem Energiespeicher ausgegangen.
Der Energiespeicher wird durch Umwandlung der Bremsenergie in elektrische Energie bei 6'' maximal aufgeladen (Ziffer 12''). Da das Fahrzeug bei 5'' jedoch zusätzlich abgebremst werden muss, wird bei Ziffer 13 mechanisch weitergebremst, wobei die Bremsenergie jedoch nicht mehr in elektrische Energie umgewandelt werden kann, da der Energiespeicher am Wegpunkt (x) vollständig aufgeladen ist (vgl. 12'').
In allen beschriebenen Fällen weist der Energiespeicher einen normalen minimalen SOC-Wert auf.
2 zeigt einen Ablauf entsprechend der 1 mit dem Unterschied, dass der minimale SOC-Wert beim Halt 11' (entspricht einem Wegpunkt x – 1) nach unten abgesenkt wird. Denkbar ist, dass der minimale SOC-Wert (x) im Normalfall 60% der maximalen Speicherkapazität beträgt (z. B. bei Ziffer 11). Bei Reduzierung kann der minimale SOC-Wert z. B. auf 40% der maximalen Speicherkapazität abgesenkt werden (entspricht einem Wegpunkt x – 1; bei Ziffer 11'). Die gewählten Werte sind nur beispielhaft gemeint. Es können auch andere Werte angesetzt werden. Im obigen Beispiel kann beim darauf folgenden Wegpunkt (x – 1) zur Beschleunigung des Fahrzeugs 20% mehr elektrische Energie abgerufen werden. Der Energiespeicher wird um den Betrag weiter entladen, der der Verringerung des SOC-Betrags unter den minimalen SOC-Wert entspricht. Gleichzeitig wird bei Ziffer 1'' bei konstantem Beschleunigungsverhalten weniger herkömmliche Antriebsenergie erforderlich. Bei Ziffer 15 kann durch das elektrische Speichermedium aufgrund einer erhöhten Speicherkapazität in erhöhtem Maße Bremsenergie in elektrische Energie umgewandelt werden und der Energiespeicher wieder voll geladen werden. Der mechanische Bremsanteil kann im Bereich der Ziffer 15 deutlich reduziert werden.
Die stufenweise Absenkung des minimalen SOC-Wertes kann bei jedem Passieren des Wegpunktes (x) für den nächsten Wegpunkt (x – 1) ausgelöst werden. Sobald an den Wegpunkten (x + 1) (Ziffer 12'') die gesamte zur Verfügung stehende elektrische Bremsenergie genutzt werden kann, kann der nachfolgende minimale SOC-Wert (x – 1) wieder angehoben werden. Der nutzbare Speicherbereich kann somit durch Senkung und Anheben des minimalen SOC-Wertes der aktuell durchfahrenen Wegstrecke angepasst werden.
In 3 sind mit Ziffer 9 eine Brennkraftmaschine und mit Ziffer 14 ein Elektromotor dargestellt. Beide (9 und 14) sind über ein Summiergetriebe 16 miteinander verbunden und am Gangwechselgetriebe 17 angekoppelt. Der Elektromotor 14 kann dabei als Generator arbei ten und den Energiespeicher 18 mit elektrischer Energie aufladen. Andererseits kann der Elektromotor 14 auch solange als Antriebsaggregat des Fahrzeugs genutzt werden, bis der Energiespeicher 18 leer ist und beim nächsten Bremsvorgang wieder befüllt werden muss. An der Brennkraftmaschine 9 ist eine Motorbremse 19 angeordnet. Zusätzlich weist die Brennkraftmaschine 9 zur Verlangsamung des Fahrzeugs einen Retarder 20 auf. Dem Fahrer stehen zur Verlangsamung des Fahrzeugs neben dem Bremspedal 21 z. B. in Lenkradnähe die Hebel 22 und 23 zur Betätigung der Motorbremse 19 bzw. des Retarders 20 zur Verfügung. Das Bremspedal 21 wirkt dabei auf die Betriebsbremse ein. Das Pedal 21 und die Hebel 22 und 23 stehen mit dem Bordrechner 24 in Verbindung, der in Bezug auf die fahrzeugeigenen Bremssysteme als Datenspeicher und als Programmspeicher dient. Verfahrensgemäß erhält der Bordrechner 24 unter anderem die Information über die elektrisch genutzte und die elektrisch nicht genutzte Bremsenergie. Der Bordrechner 24 veranlasst entsprechend die Reduktion oder die Anhebung des minimalen SOC-Grenzwertes. Der elektrische Energiespeicher 18 treibt solange den Elektromotor 14 an, bis der Energiespeicher 18 bis auf das Niveau des minimalen SOC-Grenzwertes entladen ist. In der Funktion als Generator wandelt der Elektromotor 14 zur Aufladung des Energiespeichers 18 Bremsenergie in elektrische Energie um, mit der der Energiespeicher 18 wieder aufgeladen wird. Ergänzend wird in 3 das Fahrpedal 25 gezeigt, das mit dem Bordrechner 24 in Verbindung steht.

1: Beschleunigungsphase
1': Beschleunigungsphase
1'': Beschleunigungsphase
2: Phase konstanter Geschwindigkeit
2': Phase konstanter Geschwindigkeit
2'': Phase konstanter Geschwindigkeit
3: Fahrzeugstillstand
4: Rollphase
4': Rollphase
4'': Rollphase
5: Abbremsphase
5': Abbremsphase
5'': Abbremsphase
6: Generierung elektrischer Energie
6': Generierung elektrischer Energie
6'': Generierung elektrischer Energie
7: Beschleunigung mit elektrischer Energie
8: Beschleunigung mit Verbrennungsmotor
8': Beschleunigung mit Verbrennungsmotor
8'': Beschleunigung mit Verbrennungsmotor
9: Brennkraftmaschine
10: Umwandlung: Bremsenergie in elektrische Energie
10': Umwandlung: Bremsenergie in elektrische Energie
10'': Umwandlung: Bremsenergie in elektrische Energie
11: Fahrtunterbrechung/Halt
11: Fahrtunterbrechung/Halt
11'': Fahrtunterbrechung/Halt
12: Speichermedium voll
12': Speichermedium voll
12'': Speichermedium voll
13: mechanisches Bremsen
14: Elektromotor
15: Gesteigerte Umwandlung von Bremsenergie in elektrische Energie
16: Summiergetriebe
17: Gangwechselgetriebe
18: elektrischer Energiespeicher
19: Motorbremse
20: Retarder
21: Bremspedal
22: Hebel
23: Hebel
24: Bordrechner
25: Fahrpedal

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 102006001201 [0005]

Claims

Verfahren zur Beeinflussung der Ladekapazität eines elektrischen Energiespeichers bei einem vorwiegend auf einem gleichen Fahrweg mit einem bestimmten Streckenprofil im Linienverkehr eingesetzten hybridbetriebenen Fahrzeug, dessen Bremsenergie dem Energiespeicher zugeführt wird, wobei ein minimaler SOC(stage of charge)-Grenzwert vorbestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erweiterung des SOC(stage of charge)-Bereiches durch einen im Fahrzeug vorhandenen Rechner an vorbestimmten Fahrwegpunkten elektrisch genutzte und elektrisch nicht genutzte Bremsenergie ermittelt wird, dass ferner diejenigen Wegpunkte (x), an denen bei vollem Energiespeicher das Fahrzeug ohne Speicherung weiter gebremst wird vom Rechner abgespeichert werden, und dass der minimale SOC-Grenzwert an den davor liegenden Wegepunkten (x – 1), an denen Energie aus dem elektrischen Speicher entnommen wird, für diesen Wegpunkt (x) nach unten korrigiert wird, um eine höhere Speichermenge zuzulassen.