DE102009034180A1

DE102009034180A1 - Ansteuerung eines elektrischen Energiespeichers

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Publication number: DE102009034180A1
Application number: DE102009034180A
Authority: DE
Inventors: Dieter Polenov; Hartmut Dr. Pröbstle; Tomas Reiter
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-07-22
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2011-02-03

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Energiespeichers in einem Fahrzeug angegeben, bei dem anhand einer Vorhersage mindestens eine Zeitdauer für einen Energieüberschuss oder einen Energiemangel ermittelt wird, bei dem anhand der mindestens einen Zeitdauer ein Energietransfer in den Energiespeicher oder aus dem Energiespeicher durchgeführt wird. Weiterhin werden eine entsprechende Vorrichtung sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Energiespeichers und eine Vorrichtung zur Anbindung eines elektrischen Energiespeichers sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
Der Grad der Elektrifizierung nimmt in Kraftfahrzeugen stetig zu. Neben konventionell verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen spielen auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge zunehmend eine größere Rolle. Zwischenformen aus rein verbrennungsmotorisch und elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden als Hybridfahrzeuge bezeichnet. Ein signifikanter Anteil des Kraftstoffs bei verbrennungsmotorischen oder hybriden Fahrzeugen wird zur Erzeugung elektrischer Energie aufgewendet. In elektrisch betriebenen Fahrzeugen kann die Bremsenergie zur Erhöhung der Reichweite genutzt werden.
Ein Generator des Kraftfahrzeugs kann derart betrieben werden, dass elektrische Energie bevorzugt während der hierfür günstigen Fahrsituationen (z. B. Schub- bzw. Bremsphasen) erzeugt wird, was zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs beiträgt bzw. die Reichweite des Kraftfahrzeugs erhöht. So kann die Leistungsabgabe des Generators entsprechend der Energieverfügbarkeit im Fahrzeug erhöht (z. B. während der Bremsphasen) oder herabgesetzt (z. B. während der Beschleunigungsphasen) werden.
Entsprechendes gilt für die elektrische Maschine in dem Hybridfahrzeug oder in dem elektrisch betriebenen Fahrzeug. Für das Energiebordnetz mit einem elektrischen oder einem elektrochemischen Energiespeicher bedeutet dies, dass je nach Fahrzustand der Ladezustand des Energiespeichers verändert wird. Wenn mehr Energie erzeugt als aktuell benötigt wird, besteht ein Energieüberschuss; analog ergibt sich ein Energiemangel, wenn weniger Energie erzeugt als benötigt wird.
Um Generatoren, elektrische Maschinen und Verbraucher möglichst effizient betreiben zu können, wurden Verfahren und Konzepte zur Vorhersage des Eintretens oder der Beendigung des Energieüberschusses bzw. der Energieunterdeckung entwickelt. Dadurch kann der Energiespeicher derart vorkonditioniert werden, dass die Phasen der Energieunterdeckung oder Energieüberschuss möglichst effizient genutzt werden. Als Beispiel diene eine Berg-Talfahrt: Der Start der Fahrt erfolgt im Tal. Die Vorhersage gibt Information über die Dauer der anstehenden Bergauffahrt und der sich anschließenden Bergabfahrt sowie das zu erwartende Leistungsprofil. Daraus lassen sich Informationen betreffend Energieunterdeckung bzw. Energieüberschuss generieren. Vorzugsweise wird während der Bergauffahrt der elektrische Energiespeicher so weit entladen, dass dieser in der nachfolgenden Bergabfahrt wieder möglichst viel Energie aufnehmen kann. Die Vorhersageeinheit gibt somit vorzugsweise für die Zeitpunkte der Übergänge von Energieüberschuss und Energieunterdeckung gewünschte Ladezustände vor.
Ein konventionelles Fahrzeugenergiebordnetz, bestehend aus dem Generator, den Verbrauchern und dem Energiespeicher (z. B. mindestens einer Batterie), ist auch durch die Leistungsaufnahme der Verbraucher sowie durch das Aufnahmevermögen des Energiespeichers limitiert.
Das Speichern bzw. Entladen des Energiespeichers sowie der Transfer der Energie durch einen Energieflusssteller (z. B. elektrischen Wandler, DC/DC-Wandler) sind grundsätzlich verlustbehaftet. Derartige Verluste tragen zur Erwärmung der Bauteile bei, wodurch z. B. der Energiespeicher bzw. der Energieflusssteller durch hohe Temperaturen oder starke Temperaturschwankungen belastet wird. Dies kann zu einer Verschlechterung der Eigenschaften der betroffenen Bauteile (Alterung, Degradation) und/oder zu einem Ausfall derselben führen.
Weiterhin sind die Energie- und Leistungsverfügbarkeit des Fahrzeugbordnetzes durch den Generator und/oder den Energiespeicher limitiert. Durch eine Erweiterung des Fahrzeugenergiebordnetzes mit zusätzlichen Energiespeichern wie Batterien oder Kondensatoren kann dessen Energieaufnahmevermögen bzw. Energieverfügbarkeit für den Fall des Energieüberschusses bzw. der Energieunterdeckung erhöht werden. Zur Optimierung der Energiespeicherfähigkeit zusätzlicher Energiespeicher können Energieflusssteller, z. B. DC/DC-Wandler, eingesetzt werden, wobei der Energieflusssteller vorzugsweise einen Ladezustand des zusätzlichen Energiespeichers einstellt, indem Energie gemäß einer vorgegebenen Systembetriebsstrategie entnommen bzw. zugeführt wird.
Hierbei ist es von Nachteil, dass Energiespeicher mit einer maximal zulässigen Leistung entladen bzw. geladen werden. Diese Betriebsart ist ineffizient sowohl für den Energieflusssteller als auch für den (Zusatz-)Energiespeicher.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Lösung anzugeben, anhand derer ein optimierter Betrieb eines elektrischen Systems, insbesondere eines Fahrzeugbordnetzes, ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Energiespeichers in einem Fahrzeug angegeben,

– bei dem anhand einer Vorhersage mindestens eine Zeitdauer für einen Energieüberschuss oder einen Energiemangel ermittelt wird;
– bei dem anhand der mindestens einen Zeitdauer ein Energietransfer in den Energiespeicher oder aus dem Energiespeicher durchgeführt wird.

Beispielsweise kann der Energietransfer durch einen Energieflusssteller bei einer Bekanntgabe und/oder einer Vorhersage der Zeit bis zum Eintreten bzw. der Dauer eines Energieüberschusses eines von einem Generator gespeisten Bordnetzzweigs oder der Zeit bis zum Eintreten bzw. der Dauer eines Energiemangels in dem Bordnetzzweig durch eine Steuereinheit (ggf. mit Hilfe einer Einheit zur Optimierung des Energietransfers) derart eingestellt werden, dass ein erforderlicher Ladezustand des Energiespeichers unter Ausnutzung der mindestens einen Zeitdauer erreicht wird und dabei Energieverluste in dem Energieflusssteller als auch dem Energiespeicher minimiert werden. Beispielsweise ermöglicht die Ausnutzung einer längeren Zeitdauer zum Laden des Energiespeichers einerseits einen effizienten Energietransfer und andererseits kann die Lebensdauer der betroffenen Komponenten (Energieflusssteller bzw. Energiespeicher) verlängert werden, da die Belastung entsprechend reduziert wird.
Somit ist es von Vorteil, dass anhand des hier vorgeschlagenen Ansatzes der Energiespeicher effizient z. B. in Abhängigkeit von einer für die jeweilige Aufgabe (Laden/Entladen) zur Verfügung stehenden Zeit geladen bzw. entladen wird. Damit wird die in dem System vorhandene Energie optimiert eingesetzt, was eine zielorientierte Dimensionierung ermöglicht und eine Überdimensionierung und damit teilweise ungenutzte Ressourcen verhindert.
Entsprechend ist es von Vorteil, dass Bauteile des Systems (z. B. Energieflussteller, Energiespeicher) effizient betrieben werden können, ohne dass es zu einer unerwünschten Wärmeentwicklung kommt. Damit reduziert sich auch der Aufwand für die Kühlung der Bauteile.
Auch wird mit dem hier vorgeschlagenen Ansatz verhindert, dass Energieflusssteller und/oder (zusätzlicher) Energiespeicher vorzeitig altern oder degradieren.
Somit ermöglicht es der hier beschriebene Ansatz, dass eine elektrische Wirkkette, umfassend z. B. den Energiespeicher, den Energieflusssteller und die Energiequelle, verlustoptimiert betrieben werden, so dass der Wirkungsgrad des Energiespeichers optimiert und damit auch der Energiespeicher selbst geschont wird.
Eine Weiterbildung ist es, dass abhängig von der mindestens einen Zeitdauer im Wesentlichen über die mindestens eine Zeitdauer der Energietransfer durchgeführt wird.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass die Vorhersage der mindestens einen Zeitdauer erfolgt unter Berücksichtigung mindestens einer der folgenden Eingangsgrößen:

– gegenwärtige Navigationsdaten;
– vergangene Navigationsdaten;
– Fahrer;
– Fahrprofil, insbesondere häufig verwendete Strecken des Fahrers und/oder des Fahrzeugs;
– Verkehrsinformationen;
– Routeninformationen.

Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass der Energietransfer mittels eines Energieflussstellers zwischen dem Energiespeicher und einer Energiequelle und/oder einer Energiesenke des Fahrzeugs durchgeführt wird.
Bei dem Energiespeicher handelt es sich beispielsweise um einen separaten Energiespeicher des Fahrzeugs. Insbesondere kann der Energiespeicher Teil eines weiteren Bordnetzes des Fahrzeugs sein. Alternativ ist es auch möglich, dass der Energiespeicher Teil des Hauptbordnetzes des Fahrzeugs ist. Auch können eine Vielzahl von Energiespeichern vorgesehen sein, die ggf. jeweils nach dem hier beschriebenen Muster im Hinblick auf das Gesamtbordnetz des Fahrzeugs betrieben werden können.
Der Energieflusssteller ermöglicht den Energietransfer. Der Energieflusssteller kann insbesondere als ein DC/DC-Wandler ausgeführt sein oder einen solchen umfassen.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass ein wirkungsgradoptimierter Energietransfer durchgeführt wird.
So ist es möglich, dass der Energietransfer durch den Energieflusssteller bei Änderung der Dauer des Energieüberschusses in dem über den Generator gespeisten Bordnetzzweig bzw. der Dauer bis zum Eintreten des Energieüberschusses oder der Dauer eines Energiemangels in dem Bordnetz bzw. der Dauer bis zu dem Eintreten des Energiemangels zur Verlustreduzierung in dem Energieflusssteller und dem Energiespeicher ein wirkungsgradoptimierter Betrieb erfolgt.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der wirkungsgradoptimierte Energietransfer einen Wirkungsgrad eines Systems umfassend insbesondere den Energiespeicher als auch den Energieflusssteller umfasst.
Vorzugsweise kann eine hinsichtlich des Systemwirkungsgrades optimierte Einstellung des Energieflusses durch den Energieflusssteller als eine Trajektorie oder als ein Kennfeld mit Systemparametern (z. B. Strom des Energieflussstellers, Spannung des Energiespeichers, Temperatur, etc.) hinterlegt sein, z. B. in dem Energieflusssteller oder in einer Steuerung des Energieflussstellers.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung wird der Wirkungsgrad des Systems anhand vorgegebener Werte, vorgegebener Modelle und/oder dynamisch während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs bestimmt.
Beispielsweise kann die Einstellung eines Ladezustands des Energiespeichers in Abhängigkeit eines Zustands des Gesamtenergiebordnetzes des Fahrzeugs als vorgegebene Größen, z. B. in dem Energieflusssteller, hinterlegt sein. Auch ist es möglich, dass Vorgaben für die Einstellung des Ladezustands des Energiespeichers in Abhängigkeit von Zuständen des Gesamtenergiebordnetzes mit Hilfe von Modellen berechnet werden.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der Energietransfer anhand der mindestens einen Zeitdauer und in Abhängigkeit von weiteren Randbedingungen dynamisch während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs angepasst wird.
Insbesondere kann der Energietransfer durch den Energieflusssteller bei Änderung von Randbedingungen bzw. Systemzustandsgrößen (z. B. Klemmenspannungen an dem Energieflusssteller, Ladezustand des Energiespeichers oder Temperatur derselben) im Rahmen einer Verlustminimierung in dem Energieflusssteller sowie dem Energiespeicher bzw. im Rahmen eines wirkungsgradoptimierten Betriebs des Systems angepasst werden.
Beispielsweise können hierfür die für die Einstellung eines optimierten Betriebs benötigten Randbedingungen bzw. Systemzustandsgrößen automatisch erfasst werden. Die Erfassung kann beispielsweise von dem Energieflusssteller oder einer ihm zugeordneten Komponente durchgeführt werden.
Eine Ausgestaltung ist es, dass mit einer hohen Priorität mindestens ein Verbraucher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt wird und mit einer niedrigen Priorität der Energiespeicher geladen wird.
Somit wird vorteilhaft sichergestellt, dass zunächst die Verbraucher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt werden. Insbesondere kann hierbei nur der Verbraucher mit hoher Priorität mit Energie versorgt werden und der Energiespeicher wird währenddessen nicht geladen. Entsprechend können auch einzelne Verbraucher mit einer niedrigeren Priorität versehen werden, so dass zunächst der Energiespeicher vor diesen Verbrauchern geladen wird.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass falls die mindestens eine Zeitdauer größer als ein vorgegebener Schwellwert ist, ein optimierter Energietransfer durchgeführt wird.
Somit wird der Energiespeicher effektiv (”schonend”) geladen, wenn, z. B. abhängig von einem aktuellen Ladezustand des Energiespeichers ausreichend Zeit zur Verfügung steht, um einen Ziel-Ladezustand einzustellen. Entsprechend kann der Energiespeicher über die bereitstehende Zeitdauer effizient entladen werden. Auch ist es möglich, dass falls die mindestens eine Zeitdauer nicht größer als der vorgegebene Schwellwert ist, der Energiespeicher mit maximal zulässiger Energie geladen bzw. entladen wird. In diesem Fall wird eine zu geringe Zeit möglichst effektiv genutzt, um einen Soll-Ladezustand des Energiespeichers einzustellen.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass der optimierte Energietransfer in Abhängigkeit von einem aktuellen Ladezustand des Energiespeichers durchgeführt wird.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die Vorhersage iterativ durchgeführt wird und die mindestens eine Zeitdauer bei Abweichung gegenüber einer vorangegangenen Vorhersage entsprechend korrigiert wird.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst anhand einer Vorrichtung zur Anbindung eines Energiespeichers an ein Bordnetz umfassend eine Steuereinheit, die derart eingerichtet ist, dass das Verfahren wie hierin beschrieben ausführbar ist.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die Steuereinheit einen Energieflusssteller ansteuert oder einen solchen umfasst.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung wie hierin beschrieben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines aus zwei Zweigen bestehenden Fahrzeugenergiebordnetzes mit einer direkten Speisung eines ersten Bordnetzzweigs durch einen Generator;
2 eine schematische Darstellung des Ladezustandsniveaus für den Energiespeicher;
3 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Wirkungsgrade η des Energieflussstellers, des Energiespeichers und eines Systems aus Energieflusssteller und Energiespeicher in Abhängigkeit von einer mit dem maximal zulässigen Wert normierten Transfer- bzw. Lade- bzw. Entladeleistung;
4 schematisch eine alternative Darstellung zur effizienten Speisung eines Fahrzeugenergiebordnetzes über einen Energiespeicher;
5 einen beispielhaften Verlauf einer Vorhersage von Energiezuständen.
1 zeigt eine schematische Anordnung eines Fahrzeugenergiebordnetzes umfassend ein Bordnetz 101 mit einem Generator 103, einer Batterie 104 (allgemein: Energiespeicher) und einem Verbraucher 105, die jeweils mit einem DC/DC-Wandler 107 eines Energieflussstellers 110 verbunden sind. Weiterhin ist mit dem DC/DC-Wandler 107 des Energieflussstellers 110 ein Energiespeicher 106 eines Bornetzes 102 verbunden.
Der Energieflusssteller 110 umfasst weiterhin eine Einrichtung 108 zur Optimierung des Energietransfers, die den DC/DC-Wandler 107 ansteuert bzw. Rückmeldung von diesem erhält. Weiterhin ist eine Steuereinheit 109 vorgesehen, die steuernd auf die Einrichtung 108 des Energieflussstellers 110 einwirkt.
Hierbei sei angemerkt, dass die Einrichtung 108 auch Teil des Wandlers 107 sein könnte, bzw. die Einrichtung 108 und/oder der Wandler 107 Teil der Steuerung 109 sein könnte(n). Die hier vorgeschlagene Unterteilung ist rein beispielhaft, andere Zuordnungen sind entsprechend möglich.
Der hier vorgeschlagene Ansatz stellt eine Möglichkeit zur Optimierung des Energietransfers und der Energiespeicherung hinsichtlich einer Effizienzsteigerung und einer Verlustminimierung in mehreren Bordnetzen bereit, wobei jedes Bordnetz mindestens jeweils einen Energiespeicher aufweist. Optional kann auch nur ein einzelnes Bordnetz vorgesehen sein.
Der Energieflusssteller 110 kann zur Rückgewinnung elektrischer Energie, z. B. von Bremsenergie, eingesetzt werden. Die Energiespeicher 104 und 106 sind über den Energieflusssteller 110 getrennt in den unterschiedlichen Bordnetzen 101 und 102 angeordnet.
Das Bordnetz 101 entspricht beispielsweise einem herkömmlichen Energiebordnetz eines Fahrzeugs, die Batterie 104 stellt beispielsweise eine Spannung von 12 V oder von 14 V bereit, der Verbraucher 105 repräsentiert beispielhaft einen oder mehrere elektrische Verbraucher des Bordnetzes 101. Der Generator 103 speist das Bordnetz 101 mit elektrischer Energie.
Das Bordnetz 102 steht beispielhaft für ein zweites Energiebordnetz. Entsprechend können auch mehrere zusätzliche Energiebordnetze vorhanden sein. Der Energiespeicher 106 ist insbesondere zur Optimierung des Energieaufnahmevermögens bzw. der Energieverfügbarkeit des Gesamtbordnetzes vorgesehen.
Abhängig von einer Fahrsituation des Fahrzeugs sowie abhängig von einer Energieverfügbarkeit besteht für das Bordnetz 101 ein Energieüberschuss oder ein Energiemangel.
Aufgrund z. B. extern verfügbarer Daten, z. B. einer eingegebenen Fahrtroute oder einem eingegeben Zielort für die Fahrt, einer oder mehrerer GPS-Information(en), einem Fahrprofil pro Fahrer und/oder Fahrzeug, kann eine voraussichtliche Dauer des Energieüberschusses T₁ = t₀₁ – t_ist oder eine voraussichtliche Dauer bis zum Eintreten des Energieüberschusses T₂ = t₀₂ – t_ist ermittelt werden, wobei

t01: eine absolute Zeit für das Ende des Energieüberschusses
t02: eine absolute Zeit für ein Eintreten des Energieüberschusses,
tist: die momentane Zeit,

Die Steuereinheit 109 kann den Generator 103 durch Sollwertvorgaben steuern und die entsprechenden Werte T₁ und T₂ an den Energieflusssteller 110 übermitteln.
Vorzugsweise erhöht der Energieflusssteller 110 in dem Fahrzeugenergiebordnetz gemäß 1 die Energiespeicherfähigkeit bzw. die Energieverfügbarkeit, indem im Falle eines Energieüberschusses der Energiespeicher 106 bis zu einem Ladezustand SOC₂₁ geladen wird, wobei vor Eintreten des Energieüberschusses bzw. insbesondere im Falle eines Energiemangels in dem Bordnetz 101, der Energiespeicher 106 bis zu einem Ladezustand SOC₂₂ entladen wird.
Ausgehend von einem aktuellen (IST-)Ladezustand SOC_ist mit SOC₂₂ ≤ SOC_ist ≤ SOC₂₁ des Energiespeichers 106 führt der Energieflusssteller 110 dem Energiespeicher 106 eine Energiemenge E_ist21 zu bzw. entnimmt der Energieflusssteller 110 dem Energiespeicher 106 eine Energiemenge E_ist22. Diese Energiemengen können wie folgt bestimmt werden: E_ist21 = (SOC₂₁ – SOC_ist)·K_ES2 E_ist22 = (SOC_ist – SOC₂₂)·K_ES2 wobei K_ES2 eine Energiespeicherkapazität des Energiespeichers 106 bezeichnet.
2 zeigt diesbezüglich eine schematische Darstellung des Ladezustandsniveaus für den Energiespeicher 106.
Eine Leistung P_tr,EFS mit der der Energieflusssteller 110 die Energie transferiert, kann unabhängig von der Transferrichtung in einem Bereich 0 ≤ P_tr,EFS ≤ P_max,EFS eingestellt werden, wobei P_max,EFS die maximale Leistung des Energieflussstellers 110 bezeichnet.
Der Wirkungsgrad des Energieflussstellers 110 sowie der Wirkungsgrad des Energiespeichers 106 sind nicht ideal und z. B. von Faktoren wie Transferleistung, Klemmenspannungen bzw. Temperatur des Energieflussstellers 110 sowie von Lade- und/oder Entladeleistung, Ladezustand bzw. Temperatur des Energiespeichers 106 abhängig.
3 zeigt eine schematische Darstellung einen Wirkungsgrad η_EFS des Energieflussstellers 110, einen Wirkungsgrad η_ES2 des Energiespeichers 106 und einen Wirkungsgrad η_EFS·η_ES2 eines Systems aus Energieflusssteller 110 und Energiespeicher 106 in Abhängigkeit von einer mit dem maximal zulässigen Wert P_max normierten Transfer- bzw. Lade-/Entladeleistung. Es ergibt sich ein optimaler Betriebspunkt 301 für das System aus Energieflusssteller 110 und Energiespeicher 106.
Die Abhängigkeit des jeweiligen Wirkungsgrads für den Energieflusssteller 110 bzw. für den Energiespeicher 106 von den genannten Faktoren kann beispielsweise empirisch oder analytisch ermittelt werden.
Die Leistung P_tr,EFS des Energieflussstellers 110 kann mittels der Einrichtung 108 derart eingestellt werden, dass innerhalb der Zeiträume T₁ bzw. T₂ die Energiemengen E_ist21 bzw. E_ist22 dem Energiespeicher 106 zugeführt bzw. entnommen werden. Damit können die Ladezustände SOC₂₁ bzw. SOC₂₂ möglichst genau eingestellt werden. Dies erlaubt einen hinsichtlich des Wirkungsgrads optimierten Betrieb des Systems aus Energieflusssteller 110 und Energiespeicher 106.
Hierbei ist es besonders von Vorteil, dass die zur Erfüllung der jeweiligen Aufgabe (Laden oder Entladen des Energiespeichers 106) zur Verfügung stehende Zeit effizient genutzt werden kann um einen effizienten Energietransfer mittels des Energieflussstellers 110 in den Energiespeicher bzw. aus dem Energiespeicher ermöglicht. Somit kann das auf unterschiedlichen historischen oder prädizierten Daten basierende Fahrprofil genutzt werden, das Fahrzeugenergiebordnetz effizient zu betreiben. Ändern sich z. B. die Zeitdauern T₁ und T₂ aufgrund des (aktuellen oder vorherbestimmten) Fahrprofils, kann die Transferleistung des Energieflussstellers 110 entsprechend adaptiert werden.
Insbesondere kann die Einrichtung 108 die Steuereinheit 109 über die im Sinne einer Systemwirkungsgradoptimierung sinnvollen Änderungen von Zustandsgrößen informieren, die mit Hilfe des Energieflussstellers 110 nicht direkt und/oder nicht deterministisch veränderbar sind.
Auch ist es möglich, dass der Energieflusssteller 110 bei Bekanntgabe und/oder Vorhersage der Zeit bis zum Eintreten des Energieüberschusses bzw. der Dauer des Energieüberschusses in dem Bordnetz 101 oder der Zeit bis zum Eintreten des Energiemangels bzw. der Dauer des Energiemangels in dem Bordnetz 101 durch die Steuereinheit 109 mit Hilfe der Einrichtung 108 derart gesteuert wird, dass neben der Einstellung des Ladezustands des Energiespeichers 106 weitere Aufgaben, beispielsweise eine Unterstützung von Bordnetzzweigen oder Komponenten bei einer transienter Belastung, ausgeführt oder übernommen werden.
4 zeigt schematisch eine alternative Darstellung zur effizienten Speisung eines Fahrzeugenergiebordnetzes über einen Energiespeicher.
Ein Energieflusssteller 401 ist verbunden mit einer Energiequelle bzw. Energiesenke 402 umfassend, z. B. eine elektrische Maschine, einen Generator und einen Verbraucher. Der Energieflusssteller 401 umfasst z. B. eine Leistungselektronik zur Regelung einer elektrischen Maschine oder eine Leistungselektronik eines Stromrichters, insbesondere eines DC/DC-Wandlers.
Eine Steuereinheit 404 steuert den Energieflusssteller 401 an. Insbesondere kann hierfür die Steuereinheit 404 eine Regelung aufweisen.
Der Energieflusssteller 401 ist weiterhin mit einem Energiespeicher 403 verbunden. Der Energiespeicher 403 kann z. B. als konventionelle Starterbatterie, als eine Lithium-Ionen-Batterie oder als ein Doppelschichtkondensator ausgeführt sein. Auch mehrere der bzw. Kombinationen aus den vorstehenden Einheiten sind möglich.
Die Vorhersageeinheit 406 ist mit der Steuereinheit 404 verbunden und ermöglicht eine Prädiktion einer benötigten Energie bzw. Leistung eines Fahrzeugs. Diesbezüglich sind Verfahren bekannt, anhand derer z. B. mittels Navigationsdaten Zeitpunkte für Energieüberschüsse oder Energiemangel sowie deren Zeitdauern vorhergesagt werden können. Auch ist es möglich, z. B. anhand vergangener Daten und/oder anhand von Zieleingaben, z. B. in ein Navigationssystem, Startzeitpunkte für Fahrten bzw. deren Verlauf vorherzusagen. Weiterhin können gewünschte Energiespeicherzustände zu bestimmten Zeitabschnitten vorgegeben werden.
Eine Einheit zur Vorhersage von Wirkungsgraden 405 ist einerseits mit dem Energieflusssteller 401 und andererseits mit der Steuereinheit 404 verbunden.
Wirkungsgrade von Energiespeichern und Energieflusssteller sind abhängig von Temperatur, Spannungsbereich) und Strom. Diese Größen werden z. B. von dem Energieflusssteller 401 der Einheit 405 bereitgestellt. Die Einheit 405 ermittelt z. B. anhand dieser Eingangsgrößen eine Wirkungsgradcharakteristik. Diese Abbildungsvorschrift (der Eingangsgrößen auf einen oder mehrere Wirkungsgrade) können auf Erfahrungswerten beruhen und fest vorgegeben sein und/oder während des Fahrbetriebs dynamisch bestimmt werden. Entsprechend kann die Einheit 405 der Steuereinheit 404 die Wirkungsgrade des Energiespeichers 403 sowie des Energieflussstellers 401 bereitstellen.
5 zeigt einen beispielhaften Verlauf 501 einer Vorhersage von Energiezuständen. Durch eine entsprechende Auswertung z. B. eines Fahrziels und/oder eines vergangenen Fahrverhaltens (pro Fahrer) können anhand von Navigationsdaten eine Fahrtroute (ggf. unter Berücksichtigung eines Verkehrsaufkommens und Höheninformation) und somit dieser Verlauf 501 ermittelt werden. Entsprechend können Zeiträume bestimmt werden, in denen Energieüberschuss bzw. Energiemangel herrschen.
Somit kann die Einheit 405 zu einem Zeitpunkt ti gewünschte Ladezustände des Energiespeichers 403 vorgeben: Z. B. zu einem Zeitpunkt t0 entspricht der Ladezustand des Energiespeichers 403 einem aktuellen Wert, zu einem Zeitpunkt t1 soll der Ladezustand des Energiespeichers 403 20% betragen und zu einem Zeitpunkt t2 soll der Ladezustand des Energiespeichers 403 100% betragen.
Hierdurch lassen sich Zeitdauern (z. B. von t1 bis t2) bestimmen, anhand derer die Steuereinheit 404 die minimal erforderliche Lade-/Entladeleistung des Energiespeichers 403 berechnen kann, um diese Vorgabe (z. B. 100% Ladezustand zum Zeitpunkt t2) zu erfüllen.
Beispielsweise wird der Energiespeicher 403 bei einer kurzen Zeitdauer und zugleich bei starker Entladung mit einer maximalen Ladeleistung aufgeladen. Steht hingegen ein langer Zeitraum zur Verfügung, um einen vorgegebenen Ladezustand zu erreichen oder ist der Ladezustand des Energiespeichers 403 in der Nähe des Niveaus der Vorgabe, so kann der Energiespeicher 403 mit reduzierter Ladeleistung geladen werden. Diese Zusammenhänge gelten für ein Entladen des Energiespeichers 403 entsprechend. Ist z. B. ein gewünschter Ladezustand des Energiespeichers 403 in kürzerer als der zur Verfügung stehenden Zeit erreicht, wird das Laden bzw. Entladen durch den Energieflusssteller 401 eingestellt.
Weitere Vorteile:
Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht eine eigenständige Ermittlung der Wirkungsgradcharakteristik des Systems aus Energiespeicher und Energieflusssteller anhand des Energieflussstellers. Eine Gewichtung der Wirkungsgrade ermöglicht eine Verlustminimierung gezielt in einer (oder mehrerer) Komponenten, z. B. dem Energiespeicher.
Die Wirkungsgradcharakteristik kann basierend auf Modellen während des Fahrbetriebs berechnet werden.
Die Zeitdauern für Lade- bzw. Entladevorgaben kann im Hinblick auf Änderungen der Umgebungsparameter angepasst werden. Beispielsweise ist es möglich, eine Fahrtroute oder eine Leistungsanforderung über die Wegstrecke in Abhängigkeit von einem geänderten Strombedarf (z. B. durch Aktivieren von Komfortfunktionen, z. B. einer Klimaanlage des Fahrzeugs) anzupassen.
Auch kann die Steuereinheit den Energieflusssteller stetig anpassen derart, dass während des gesamten Lade- oder Entladevorgangs (also bei variablen Klemmenspannungen) ein optimaler Systemwirkungsgrad eingehalten wird. Trajektorien oder Kennfelder, die hierzu verwendet werden, können in der Steuereinheit oder in der Einheit zur Bestimmung der Wirkungsgrade abgespeichert sein.
Ferner können zusätzlich zu der Einstellung des Ladezustands des Energiespeichers weitere Aufgaben wahrgenommen bzw. Vorgaben erfüllt werden, z. B. eine Dämpfung einer transienten Belastung von weiteren elektrischen Komponenten, die an dem Energiespeicher betrieben werden.
Trotz einer reduzierten Leistung des Energieflussstellers kann dem Fahrer des Fahrzeugs angezeigt werden, dass eine effiziente Ladung bzw. Entladung des Energiespeichers erfolgt, was im Sinne des optimierten Wirkungsgrads des Gesamtsystems ist.
Ein weiterer Vorteil besteht in der reduzierten CO2-Emission aufgrund der optimierten Nutzung vorhandener elektrischer Energie.
Auch ergibt sich durch die anforderungsgerechte Belastung der Komponenten eine erhöhte Lebendauer des Energieflussstellers sowie des Energiespeichers.
Bezugszeichenliste

101: Bordnetz
102: Bordnetz
103: Generator
104: Energiespeicher, insbesondere Batterie
105: Verbraucher
106: Energiespeicher
107: DC/DC-Wandler
108: Einrichtung zur Optimierung des Energietransfers
109: Steuereinheit
110: Energieflusssteller
301: Optimaler Betriebspunkt des Systems
401: Energieflusssteller
402: Energiequelle bzw. Energiesenke
403: Energiespeicher
404: Steuereinheit
405: Einheit zur Verarbeitung von Wirkungsgraden
406: Vorhersageeinheit
501: Verlauf einer Vorhersage von Energiezuständen

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Energiespeichers in einem Fahrzeug, – bei dem anhand einer Vorhersage mindestens eine Zeitdauer für einen Energieüberschuss oder einen Energiemangel ermittelt wird; – bei dem anhand der mindestens einen Zeitdauer ein Energietransfer in den Energiespeicher oder aus dem Energiespeicher durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem abhängig von der mindestens einen Zeitdauer im Wesentlichen über die mindestens eine Zeitdauer der Energietransfer durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorhersage der mindestens einen Zeitdauer erfolgt unter Berücksichtigung mindestens einer der folgenden Eingangsgrößen: – gegenwärtige Navigationsdaten; – vergangene Navigationsdaten; – Fahrer; – Fahrprofil, insbesondere häufig verwendete Strecken des Fahrers und/oder des Fahrzeugs; – Verkehrsinformationen; – Routeninformationen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Energietransfer mittels eines Energieflussstellers zwischen dem Energiespeicher und einer Energiequelle und/oder einer Energiesenke des Fahrzeugs durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem ein wirkungsgradoptimierter Energietransfer durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der wirkungsgradoptimierte Energietransfer einen Wirkungsgrad eines Systems umfassend insbesondere den Energiespeicher als auch den Energieflusssteller umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Wirkungsgrad des Systems anhand vorgegebener Werte, vorgegebener Modelle und/oder dynamisch während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Energietransfer anhand der mindestens einen Zeitdauer und in Abhängigkeit von weiteren Randbedingungen dynamisch während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mit einer hohen Priorität mindestens ein Verbraucher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt wird und mit einer niedrigen Priorität der Energiespeicher geladen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem falls die mindestens eine Zeitdauer größer als ein vorgegebener Schwellwert ist, ein optimierter Energietransfer durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der optimierte Energietransfer in Abhängigkeit von einem aktuellen Ladezustand des Energiespeichers durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorhersage iterativ durchgeführt wird und die mindestens eine Zeitdauer bei Abweichung gegenüber einer vorangegangenen Vorhersage entsprechend korrigiert wird.
Vorrichtung zur Anbindung eines Energiespeichers an ein Bordnetz umfassend eine Steuereinheit, die derart eingerichtet ist, dass das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Steuereinheit einen Energieflusssteller ansteuert oder einen solchen umfasst.
Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14.