DE102009019527A1

DE102009019527A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Ladezustands einer Batterie unter Nutzung regenerativer Energie

Info

Publication number: DE102009019527A1
Application number: DE102009019527A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr.-Ing. Cierullies; Dieter Dr. Grohmann; Roland Dipl.-Ing. Lindbüchl (FH)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2009-12-24

Abstract

Der Kraftstoffverbrauch soll unter Nutzung regenerativer Energien und Bremsenergierückgewinnung weiter reduziert werden. Dazu wird ein Verfahren zum Steuern des Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs durch Laden der Batterie während einer Fahrphase bis zu einem vorgegebenen ersten Ladezustand unter 100% bereitgestellt, wobei die Batterie in einer Standphase durch eine regenerative Eneriequelle weiter oder vollständig geladen wird. Weiterhin kann in einem vorbestimmten Zeitraum nach dem Start einer Fahrphase die Batterie bis zu einem vorgegebenen zweiten Ladezustand oder dem ersten Ladezustand entladen werden, ohne dass ein Generator des Kraftfahrzeugs die Batterie wieder lädt, die Batterie aber in diesem Zeitraum durch eine regenerative Energiequelle und/oder Rekuperation geladen werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs durch Laden der Batterie während einer Fahrphase bis zu einem vorgegebenen Ladezustand (SOC; State of Charge) unter 100%. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zum Steuern des Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs.
Aus der Druckschrift DE 101 03 995 A1 ist ein Bordstromspeicher für Kfz-Bordnetze bekannt. Eine Vorrichtung zum Starten von Verbrennungsmotoren weist einen Startergenerator und eine von einem Akkumulator gespeiste erste Bordspannung, einen als Kurzzeitspeicher dienenden Doppelschicht-Kondensator, der eine zweite Bordspannung erzeugt und die Startenergie/Startleistung für den Startergenerator liefert, und einen uni- oder bidirektionalen Wandler auf, über den der Doppelschicht-Kondensator aus dem Akkumulator aufgeladen wird. Darüber hinaus offenbart die Druckschrift DE 295 05 911 U1 ein Kraftfahrzeug mit unterschiedlichen Energieerzeugern. Nach dem Einschalten des Verbrennungsmotors werden über einen Computer und eine Schaltanlage, das Stromaggregat und wiederum die Schaltanlage sowie das Batterieaufladegerät die Batterien aufgeladen. Sobald diese geladen sind, wird der weitere Antrieb vom Elektromotor vorgenommen.
Bekannte Verfahren zur Rückgewinnung von Bremsenergie in Kraftfahrzeugen basieren auf einer bewusst ungenutzten Batteriekapazität im Fahrbetrieb, welche für die Speicherung der Rekuperationsenergie aus Schubphasen reserviert wird. Stand der Technik für Bordnetzbatterien ist, dass die Batterie mit einem Antriebspunkt im Bereich von etwa 70% bis 90% Ladezustand betrieben wird. In Standphasen des Fahrzeugs wird versucht, durch Ruhestrommanagement diesen Ladezustand möglichst zu erhalten, um eine praxistaugliche Standdauer des Fahrzeugs garantieren zu können. Das konventionelle Generatormanagement ist jedoch nicht dafür konzipiert, Energie emissionssenkend und verbrauchsreduzierend zu nutzen, die während der Standphasen von CO₂-ärmeren Energiequellen ins Bordnetz eingespeist wird. Beispiele für solche Energiequellen sind regenerative Energien.
Weiterhin ist bekannt, Kraftfahrzeuge an großen Fahrzeugflächen mit regenerativen Energiequellen, z. B. Photovoltaik, auszustatten (vgl. DE 44 19 177 C1 ). Die Energie, die diese zusätzlichen Energiequellen liefern, kann dazu genutzt werden, um im Fahrzeug beispielsweise Komfortfunktionen in Standphasen (Standheizung/-lüftung) zu realisieren. Ebenso kann damit die Fahrzeugstandzeit verlängert werden.
Bisherige Systeme dieser Art wurden allerdings nicht mit Maßnahmen zur Bremsenergierückgewinnung betrieben. Bei Fahrzeugen ohne Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) ist das Ziel der Batterieladung bisher immer ein Ladezustand von 100%, um möglichst lange Standzeiten und Batterielebensdauern zu ermöglichen. Die Energie von zusätzlichen regenerativen Energiequellen kann damit aber nicht genutzt werden, da in Standphasen kaum freie Batteriekapazität zur Verfügung steht. Lediglich der vom Fahrzeug verbrauchte Ruhestrom wird dabei kompensiert. Energetisch betrachtet ist dies aber zu vernachlässigen, wenn man den typischen Ruhestrom von < 50 mA mit normalen Fahrzeug-Betriebsströmen zwischen 20 A und 200 A vergleicht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die CO₂-Emissionen und den Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen zu senken und entsprechende andere Energiequellen besser zu nutzen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Verfahren nach Anspruch 1 oder 5 bzw. durch Vorrichtungen nach Anspruch 5 oder 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird somit eine Vorrichtung oder ein Verfahren zum Steuern des Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt durch Laden der Batterie während einer Fahrphase bis zu einem vorgegebenen ersten Ladezustand unter 100%, wobei die Batterie in einer Standphase durch eine regenerative Energiequelle weiter oder vollständig geladen wird.
Weiterhin wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Steuern des Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs durch Entladen der Batterie während einer Fahrphase, wobei in einem vorbestimmten Zeitraum nach dem Start der Fahrphase die Batterie bis zu einem vorgegebenen zweiten Ladezustand (der mit dem ersten Ladezustand identisch sein kann) entladen wird, ohne dass ein Generator des Kraftfahrzeugs die Batterie wieder lädt, die Batterie aber in diesem Zeitraum durch eine regenerative Energiequelle und/oder Rekuperation geladen wird.
In vorteilhafter Weise ist somit eine Kraftstoffeinsparung im Realbetrieb möglich, die je nach Fahrzeug, elektrischem Verbrauch und Nutzungsprofil bis zu 1 l/100 km gegenüber konventionellen Fahrzeugen betragen kann. Diese Verbrauchsreduzierung wird erreicht, indem ein großer Teil des elektrischen Energiebedarfs des Fahrzeugs nicht durch den Einsatz von Kraftstoff, sondern durch gezielte Nutzung regenerativer Energiequellen gedeckt wird.
Da der elektrische Energiebedarf eines konventionellen Fahrzeugs in direkter Relation zum Kraftstoffverbrauch steht, kann somit eine teilweise Entkopplung dieses Zusammenhangs erreicht werden. Die sich daraus ergebende Lücke wird dabei durch regenerative Energiequellen geschlossen. Die ungenutzte Batteriekapazität von bisher bekannten Systemen mit Bremsenergierückgewinnung kann somit zusätzlich noch zur Emissionssenkung genutzt werden.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
2 ein Zeitdiagramm des Energiemanagements in einer Fahrphase;
1 den Ladezustand einer Batterie in einer Standphase;
3 den Ladezustand einer Batterie in einer Fahrphase;
4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Generatormanagements.
Durch gezielte Kombination und Optimierung von Ladestrategien zur Bremsenergierückgewinnung und regenerativen Energiequellen im Fahrzeug kann das Potential beider Maßnahmen hinsichtlich Emissions- und Kraftstoffeinsparung deutlich erhöht werden. Geht man davon aus, dass der Arbeitspunkt für die Ladestrategie wie bei konventionellem Generatormanagement mit Bremsenergierückgewinnung weiterhin im Bereich von 70% bis 90% des maximalen Ladezustands verbleibt, so kann die restliche Batteriekapazität zur Speicherung emissionsarm oder emissionsfrei erzeugter Energie genutzt werden. Beispielsweise könnte das Generatormanagement während der Fahrt dafür sorgen, dass stets ein Ladezustand von 80% der Maximalladung (kurz: 80% Ladezustand = 80% SOC) durch den Generator angestrebt wird. Die restlichen 20% können zum einen durch die Bremsenergierückgewinnung während der Fahrt und zum anderen mittels sekundärer regenerativer Energiequellen im Fahrzeug gewonnen werden. Da diese sekundäre Energiequelle (z. B. ein Photovoltaikelement, eine Steckdose mit induktiver Ladeeinheit) im Stand und gegebenenfalls auch während der Fahrphasen aktiv ist und Energie ins Bordnetz liefert, ergeben sich daraus mehrere Energieeinsparpotentiale:
1. Standphase des Fahrzeugs:
Nach einer Fahrt wird ein Fahrzeug mit Generatormanagement in der Regel mit ca. 80% Batterieladezustand abgestellt. Die Lücke zu 100% Ladezustand kann nun durch Laden der Bordnetzbatterie über die sekundäre Energiequelle (z. B. Photovoltaikelement, Steckdose, induktive Ladeeinheit) geschlossen werden. Geht man davon aus, dass die Dachfläche des Fahrzeugs in Photovoltaiktechnik gebaut ist und bezieht man den typischen Wirkungsgrad von heutigen Photovoltaikelementen mit ein, so kann ausgehend von 80% Ladezustand ein Batterieladezustand von 100% in ca. 30 bis 60 Minuten erreicht werden. Das heißt, ein Fahrzeug, das so ausgerüstet ist, kann bereits während kurzer Standphasen die Bordnetzbatterie voll laden (Ladezustand 100%). Dabei geschieht diese Ladung günstigerweise vollkommen emissionsfrei durch Nutzung regenerativer Energiequellen.
1 zeigt den Ladezustand während einer Standphase. Ohne Generatormanagement ist zu Beginn der Standphase die Batterie 100% geladen. Der Ladezustand (SOC) nimmt allmählich ab. Es ist in diesem Fall kaum freie Kapazität zur Speicherung von emissionsfreier Energie im Stand vorhanden. Bei herkömmlichem Generatormanagement wird die Batterie auf beispielsweise 80% geladen. Die Batterie wird dann ausgehend von diesem Arbeitspunkt im Stand entladen. Entsprechend dem erfindungsgemäß optimierten Generatormanagement wird die Batterie während der Fahrt zwar ebenfalls auf 80% geladen, aber sie wird dann emissionsfrei bzw. mit regenerativer Energie im Stand weiter geladen. Sie erreicht damit nach gewisser Zeit 100% und bleibt idealerweise auf diesem Wert.
2. Fahrphase des Fahrzeugs
a) Generatorentlastung bei Fahrtdauern beispielsweise < 30 Minuten.
Nach einer Standphase, wie sie im obigen Abschnitt 1 definiert ist, gibt es mit dem neuen Konzept (optimiertes Generatormanagement) häufig Zustände, in denen die Fahrzeugbatterie bei Fahrtbeginn deutlich über 80%, im Idealfall zu 100% geladen ist. Um nun ausgehend von diesem Szenario den Arbeitspunkt für die Bremsenergierückgewinnung, nämlich einen Ladezustand von 80%, wieder zu erreichen, kann das Fahrzeug für Fahrtdauern < 30 Minuten alleine durch die Fahrzeugbatterie mit elektrischer Energie versorgt werden. Dies ist im linken Teil von 2 dargestellt. Ein Großteil des Energiegesamtbedarfs des Fahrzeugs wird also durch die gespeicherte Energie gedeckt und der Rest durch regenerative Energie. Der Generator wird während der Zeit, in der der Ladezustand noch größer 80% ist, vollkommen entlastet und speist keine elektrische Energie ins Bordnetz ein. Ausnahme sind Schubphasen des Fahrzeugs, in denen die Batterie ebenfalls ohne Kraftstoffeinsatz geladen werden kann (Bremsenergierückgewinnung).
Somit ist es möglich, bei Fahrten mit einer Fahrtdauer < 30 Minuten und einer mindestens ähnlich langen Standzeit danach das Fahrzeug vollkommen ohne Energieeinspeisung durch den Generator zu betreiben und das Bordnetz rein mittels gespeicherter Energie aus den Standphasen zu versorgen. Da die regenerative Energiequelle auch während der Fahrphase Energie liefern kann, kann sich diese „emissionsfreie” Bordnetzversorgung je nach Umgebungsbedingungen auch noch verlängern.
b) Generatorentlastung bei Fahrtdauern beispielsweise > 30 Minuten
Bei Fahrtdauern > 30 Minuten würde man bis zum Erreichen des Arbeitspunkts von 80% Ladezustand – wie unter a) beschrieben – gemäß dem linken Teil von 2 von der gespeicherten Energie profitieren. Nach Erreichen der 80%-Grenze wird der Ladezustand vom Generator nur konstant auf 80% gehalten und vom Generator wird nicht weiter geladen, wie der rechte Teil von 2 andeutet. Die Batterieladung darüber hinaus erfolgt während der Fahrt zum einen in Schubphasen durch Bremsenergierückgewinnung und zum anderen durch die elektrische Energie, die durch die regenerative Energiequelle während der Fahrt eingespeist wird. Somit erhält man selbst bei längeren Fahrten den Effekt, dass der Batterieladezustand sich in der Regel immer über 80% befindet, während die Generatorregelung auf 80% Ladezustand eingestellt bleibt. Die Differenz des Ladezustands bis zur Maximalladung wird vollkommen ohne Einsatz von Kraftstoff erzielt und kann den Generator während der Fahrt auch zum Teil in einigen Fällen zeitlich begrenzt ganz entlasten.
3 zeigt das Generatormanagement in der Fahrphase. Ohne Generatormanagement wird versucht, den maximalen Ladezustand möglichst rasch wieder zu erreichen. Mit herkömmlichem Generatormanagement speist der Generator Energie ins Bordnetz ein und hält die Batterieladung auf dem Arbeitspunkt (hier 80%). Das optimierte, erfindungsgemäße Generatormanagement sorgt – wie in dem Unterpunkt a) erwähnt – dafür, dass ausgehend von dem 100% Ladezustand die Ladung der Batterie zunächst bis zum Arbeitspunkt verbraucht wird, d. h. der Ladungsüberschuss für Generatorentlastung genutzt wird. Es steht damit auch wieder ein Puffer zur Speicherung emissionsfreier Energie bereit.
Ein Blockschaltbild für das optimierte Generatormanagement entsprechend der vorliegenden Erfindung ist in 4 wiedergegeben. Die Grundstruktur bildet eine Batterie 1, an die parallel ein Generator 2 und Verbraucher 3 geschaltet ist. Eine Bordnetz- und Energiemanagementeinheit 4 steuert einen Spannungswandler 5 gemäß Pfeil 6 an, so dass gegebenenfalls von einer regenerativen Energiequelle 7 Energie in das Bordnetz parallel zu dem Generator 2 eingespeist werden kann. Mit der Bordnetz- und Energiemanagementeinheit 4 (erste bis dritte Ansteuereinheit) kann somit eine intelligente Koordination des Einsatzes regenerativer Energie erfolgen. Für den Einsatz der emissionsfrei erzeugten Energie gilt immer das Ziel von 100% SOC, wie der Pfeil 8 vom Spannungswandler 5 zu der Batterie 1 andeutet.
Weiterhin steuert die Bordnetz- und Energiemanagementeinheit 4 den Generator in Bezug auf Bremsenergierückgewinnung, wie der Pfeil 9 zum Generator 2 andeutet. Dabei erfolgt für Konstantfahrt eine (Teil-)Entlastung des Generators, so lange SOC > 80% ist. Entsprechend Pfeil 10 wird der Generator also so angesteuert, dass stets ein 80% Ladezustand der Batterie 1 vorhanden ist. Nur für den Schubfall wird das Ladeziel auf 100% gemäß Pfeil 11 erhöht, denn dies lässt sich emissionsfrei erreichen.
Insgesamt ergibt sich mit dem obigen Konzept in Standphasen der Vorteil, dass die Fahrzeugbatterie emissionsfrei/-arm geladen werden kann. In Fahrphasen kann vorteilhafterweise im Mittelstreckenbetrieb mit Fahrtdauer < 30 Minuten der elektrische Energiebedarf des Fahrzeugs komplett aus der in der Standphase gewonnenen Zusatzladung gedeckt werden. Zusätzlich ist beispielsweise bei Verwendung eines Solardachs die Möglichkeit vorhanden, auch während der Fahrt elektrische Energie emissionsfrei ins Bordnetz einzuspeisen. Diese Wirkung bleibt auch bei Fahrtdauern > 30 Minuten noch erhalten. Insgesamt führt diese intelligente Nutzung von regenerativer Energie und Bremsenergierückgewinnung zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.

1: Batterie
2: Generator
3: Verbraucher
4: Bordnetz- und Energiemanagementeinheit
5: Spannungswandler
6, 8, 9, 10, 11: Pfeile
7: regenerative Energiequelle

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 10103995 A1 [0002]
- DE 29505911 U1 [0002]
- DE 4419177 C1 [0004]

Claims

Verfahren zum Steuern des Ladezustands einer Batterie (1) eines Kraftfahrzeugs durch – Laden der Batterie während einer Fahrphase bis zu einem vorgegebenen ersten Ladezustand unter 100% (10), dadurch gekennzeichnet, dass – die Batterie in einer Standphase nach der Fahrphase durch eine regenerative Energiequelle weiter oder vollständig geladen wird (8).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) in einem vorbestimmten Zeitraum nach dem Start einer Fahrphase bis zu einem vorgegebenen zweiten Ladezustand entladen wird, ohne dass ein Generator (2) des Kraftfahrzeugs die Batterie (1) wieder lädt, die Batterie (1) aber in diesem Zeitraum durch eine regenerative Energiequelle (7) ladbar ist.
Verfahren zum Steuern des Ladezustands einer Batterie (1) eines Kraftfahrzeugs durch – Entladen der Batterie (1) während einer Fahrphase, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem vorbestimmten Zeitraum nach dem Start der Fahrphase die Batterie (1) bis zu einem vorgegebenen zweiten Ladezustand entladen wird, ohne dass ein Generator (2) des Kraftfahrzeugs die Batterie (1) wieder lädt, – die Batterie (1) aber in diesem Zeitraum durch eine regenerative Energiequelle (7) und/oder Rekuperation ladbar ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Batterie (1) nach dem vorbestimmten Zeitraum durch den Generator (2) des Kraftfahrzeugs auf dem vorgegebenen zweiten Ladezustand gehalten wird.
Vorrichtung zum Steuern des Ladezustands einer Batterie (1) eines Kraftfahrzeugs mit – einer ersten Ansteuereinheit zum Ansteuern eines Generators (2) derart, dass er die Batterie (1) während einer Fahrphase bis zu einem vorgegebenen ersten Ladezustand unter 100% lädt, gekennzeichnet durch – eine zweite Ansteuereinheit zum Ansteuern einer regenerativen Energiequelle (7) derart, dass die Batterie (1) in einer Standphase nach der Fahrphase durch die regenerative Energiequelle (7) weiter oder vollständig ladbar ist.
Vorrichtung zum Steuern des Ladezustands einer Batterie (1) eines Kraftfahrzeugs mit – einer dritten Ansteuereinheit zum Steuern des Entladens der Batterie (1) während einer Fahrphase, dadurch gekennzeichnet, dass – durch die dritte Ansteuereinheit in einem vorbestimmten Zeitraum nach dem Start der Fahrphase die Batterie (1) bis zu einem vorgegebenen zweiten Ladezustand entladen lassen wird, ohne dass ein Generator (2) des Kraftfahrzeugs die Batterie (1) wieder lädt, – die Batterie (1) aber in diesem Zeitraum durch eine regenerative Energiequelle (7) und/oder Rekuperation ladbar ist.