DE102009058091B4 - Kapazitätsmanagement eines Energiespeichers in einem Hybridfahrzeug mit zuschaltbarem Allradantrieb - Google Patents

Kapazitätsmanagement eines Energiespeichers in einem Hybridfahrzeug mit zuschaltbarem Allradantrieb Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Steuern der Energieabgabe und/oder der Energieaufnahme eines elektrischen Energiespeichers (9) in einem 2-achsigen Hybridfahrzeug (1) mit- einem Verbrennungsmotor (2) zum Antreiben von zwei Rädern (3, 4) einer ersten Fahrzeugachse der zwei Achsen, und- mindestens einem Elektromotor (5) zum zuschaltbaren Antreiben von zwei Rädern (6, 7) einer zweiten Fahrzeugachse der zwei Achsen,mit den Schritten:- Bestimmen des Werts eines oder mehrerer Parameter (11, 12, 13), die mit der zu erwartenden Reibung zwischen dem Fahrzeug (1) und der Fahrbahn für eine vorausliegende Fahrstrecke im Zusammenhang stehen; und- Beeinflussen der Energieabgabe und/oder der Energieaufnahme des Energiespeichers (9) in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert des einen oder der mehreren Parameter (11, 12, 13), wobei das Beeinflussen der Energieabgabe und/oder der Energieaufnahme des Energiespeichers (9) ein Anheben oder Absenken der Entladungsgrenze des Energiespeichers (9) in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert des einen oder der mehreren Parameter (11, 12, 13) umfasst und wobei die Entladungsgrenze angehoben wird, wenn der oder die Parameterwerte eine geringe Reibung zwischen dem Fahrzeug (1) und der Fahrbahn für eine vorausliegende Fahrstrecke erwarten lassen.

Description

  • Die Erfindung betrifft Hybridfahrzeuge, insbesondere 2-achsige Allrad-Hybridfahrzeuge mit
    • - einem Verbrennungsmotor zum Antreiben von zwei Rädern einer ersten Fahrzeugachse der zwei Achsen, und
    • - mindestens einem Elektromotor zum zuschaltbaren Antreiben von zwei Rädern einer zweiten Fahrzeugachse der zwei Achsen.
  • Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus den Druckschriften EP 1 707 428 A2 , DE 35 42 059 C1 , EP 1 359 041 B1 oder DE 10 2006 033 086 A1 , sind Hybridfahrzeuge bekannt, bei denen die nicht über den Verbrennungsmotor angetriebene Achse über einen oder mehrere Elektromotoren wahlweise angetriebenen werden kann, so dass sich ein zuschaltbarer Allradantrieb ergibt. Dies wird auch als elektrischer Allradantrieb bezeichnet. Der Verbrennungsmotor kann dabei je nach Antriebskonzept (Frontantrieb oder Heckantrieb) entweder die Vorderräder oder die Hinterräder des Hybridfahrzeugs antreiben. Zum Antreiben der jeweils anderen beiden Räder können ein Elektromotor (für beide Räder gemeinsam) oder zwei Elektromotoren (je ein Elektromotor pro Rad) verwendet werden. Bei dem Elektromotor kann es sich beispielsweise um einen Radnabenmotor handeln. Weitere Beispiele für vergleichbare Hybridfahrzeuge sind den Druckschriften US 2004 / 0 135 527 A1 , US 2003 / 0 052 650 A1 und US 2001 / 0 024 104 A1 zu entnehmen. Zudem wird auf die Druckschriften DE 10 2005 024 403 A1 und DE 10 2009 007 950 A1 verwiesen, welche ebenfalls Hybridfahrzeuge beschreiben.
  • Bei einem derartigen Hybridantriebskonzept wird typischerweise der elektrische Energiespeicher zum Betreiben des oder der Elektromotoren kontinuierlich abgerufen, sobald der Allradantrieb aktiviert wird.
  • Nachteilig hieran ist die begrenzte Kapazität des elektrischen Energiespeichers und die damit verbundene Limitierung des Allradbetriebs. Außerdem kann je nach Hybridkonzept (z. B. Mild-Hybrid oder Voll-Hybrid) die zur Aufladung des Energiespeichers nutzbare Energie mehr oder weniger stark eingeschränkt sein.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern der Energieabgabe und/oder Energieaufnahme eines derartigen Energiespeichers in einem Hybridfahrzeug mit zuschaltbarem elektrischem Allradantrieb anzugeben, welches die vorstehenden Nachteile entschärft.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Energieabgabe und/oder Energieaufnahme eines elektrischen Energiespeichers in einem 2-achsigen Hybridfahrzeug mit
    • - einem Verbrennungsmotor zum Antreiben von zwei Rädern einer ersten Fahrzeugachse der zwei Achsen, und
    • - mindestens einem Elektromotor zum zuschaltbaren Antreiben von zwei Rädern einer zweiten Fahrzeugachse der zwei Achsen.
  • Gemäß dem Verfahren wird der jeweilige Wert eines oder mehrerer Parameter bestimmt, die mit der zu erwartenden Reibung zwischen dem Fahrzeug und der Fahrbahn für eine vorausliegende Fahrstrecke im Zusammenhang stehen. Mit anderen Worten: Es werden ein oder mehrere Parameterwerte bestimmt, die für die zu erwartende Reibung bestimmend oder charakteristisch sind.
  • Die Energieabgabe und/oder Energieaufnahme des Energiespeichers wird in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert des einen oder der mehreren Parameter beeinflusst.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Problem der begrenzten Kapazität des Energiespeichers und damit der Limitierung des Allradbetriebs entschärft. Die Parameterwerte können helfen zu erkennen, mit welchen Reibwerten (d. h. Reibungskoeffizienten) im weiteren Verlauf der Strecke zu rechnen ist. Erwartete geringe Reibwerte (z. B. aufgrund von Niederschlag oder Schnee) im weiteren Verlauf der Strecke bedeuten einen hohen Allradeinsatz und damit einen höheren Energieverbrauch. In Abhängigkeit davon kann die Energieabgabe und/oder Energieaufnahme entsprechend gesteuert werden, damit ein etwaiger zukünftiger Allradeinsatz im Fall geringer Reibwerte gewährleistet werden kann.
  • Statt nur einem Elektromotor können auch zwei Elektromotoren zum Antreiben der beiden Räder verwendet werden, jeweils ein Elektromotor für ein Rad.
  • Der Energiespeicher wird in Abhängigkeit des oder der Parameterwerte auf einem entsprechenden Niveau vorgehalten.
  • Dies wird derart realisiert, dass eine Entladungsgrenze des Energiespeichers in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert des einen oder der mehreren Parameter angehoben oder abgesenkt wird. Die Entladungsgrenze wird angehoben, wenn der jeweilige Wert des einen oder der mehreren Parameter eine geringe Reibung zwischen dem Fahrzeug und der Fahrbahn für eine vorausliegende Fahrstrecke erwarten lässt.
  • Vorzugsweise umfassen der oder die Parameter einen oder mehrere der folgenden Parameter:
    • - die aktuelle oder die erwartete Außentemperatur;
    • - Reibwerte der zukünftigen Fahrstrecke;
    • - eine erwartete Fahrstrecke mit reduzierten Reibwerten (z. B. Berg und Passstraßen) und/oder erhöhten Reibwerten;
    • - der aktuelle oder der erwartete Niederschlag; oder
    • - die Uhrzeit.
  • In diesem Fall werden vorzugsweise mehrere Parameter der vorstehenden Parameter verwendet, nämlich zumindest
    • - die aktuelle oder die erwartete Außentemperatur,
    • - die erwartete Fahrstrecke mit reduzierten Reibwerten (z. B. Berg und Passstraßen) und/oder erhöhten Reibwerten, und
    • - der aktuelle (z. B. über einen Regensensor) oder der erwartete Niederschlag.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Energieabgabe und/oder Energieaufnahme des Energiespeichers dadurch beeinflusst, dass das Vorhalten von Energie in dem Energiespeicher in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert des einen oder mehreren Parameter gesteuert wird.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Energieabgabe und/oder Energieaufnahme eines elektrischen Energiespeichers in einem vorstehend beschriebenen 2-achsigen Hybridfahrzeug. Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise erste Mittel zum Bestimmen oder zum Entgegennehmen des jeweiligen Werts eines oder mehrerer Parameter, die mit der zu erwartenden Reibung zwischen dem Fahrzeug und der Fahrbahn für eine vorausliegende Fahrstrecke im Zusammenhang stehen. Ferner sind zweite Mittel zum Beeinflussen der Energieabgabe und/oder der Energieaufnahme des Energiespeichers in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert des einen oder der mehreren Parameter vorhanden. Das Beeinflussen der Energieabgabe und/oder der Energieaufnahme des Energiespeichers umfasst ein Anheben oder Absenken der Entladungsgrenze des Energiespeichers in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert des einen oder der mehreren Parameter. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, die Entladungsgrenze anzuheben, wenn der oder die Parameterwerte eine geringe Reibung zwischen dem Fahrzeug und der Fahrbahn für eine vorausliegende Fahrstrecke erwarten lassen.
  • Die vorstehenden Ausführungen zum ersten Aspekt der Erfindung gelten in analoger Weise auch für den zweiten Aspekt der Erfindung. Vorzugsweise sind die zweiten Mittel derart ausgestaltet, dass sie das Vorhalten von Energie in dem Energiespeicher in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert des einen oder mehreren Parameter steuern, insbesondere durch Anheben oder Absenken der Entladungsgrenze des Energiespeichers in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert des einen oder der mehreren Parameter.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von 1 beschrieben. 1 zeigt ein 2-achsiges Allrad-Hybridfahrzeug 1, welches einen Verbrennungsmotor 2 zum Antreiben von zwei Rädern 3, 4 einer Fahrzeugachse (beispielsweise der Heckachse des Fahrzeugs) über einen nicht näher dargestellten Antriebsstrang umfasst. Ferner umfasst das Hybridfahrzeug 1 einen Elektromotor 5 zum zuschaltbaren Antrieb von zwei Rädern 6, 7 der anderen Fahrzeugachse über einen nicht näher dargestellten Antriebsstrang, beispielsweise zum Antreiben der Räder der Vorderachse des Fahrzeugs. Statt nur einem Elektromotor 5 können auch zwei Elektromotoren zum Antreiben der beiden Räder 6, 7 verwendet werden, jeweils ein Elektromotor für ein Rad. Das Hybridfahrzeug umfasst ferner einen elektrischen Generator 8 zum Erzeugen elektrischer Energie, beispielsweise aus kinetischer Energie, die beim Bremsen in elektrische Energie umgewandelt wird. Statt der Verwendung zweier separater elektrischer Maschinen 5 und 8 zur Realisierung der Generator- und Motorfunktion kann eine einzige elektrische Maschine verwendet werden, die wechselweise im motorischen Betrieb und im generatorischen Betrieb arbeitet. Bei dem elektrischen Motor 5 handelt es sich beispielsweise um einen Radnabenmotor. Das Hybridfahrzeug 1 umfasst ferner einen elektrischen Energiespeicher 9, der die von dem Generator 8 erzeugte elektrische Energie aufnehmen und der den elektrischen Motor 5 mit elektrischer Energie speisen kann. Bei dem Energiespeicher 9 handelt es sich vorzugsweise um eine Batterie, alternativ kann beispielsweise jedoch auch ein Kondensator verwendet werden.
  • Der Energiespeicher 9 weist nur eine begrenzte Kapazität auf, daher ist der Allradbetrieb des Fahrzeugs limitiert. Außerdem kann je nach Hybridkonzept (z. B. Mild-Hybrid oder Voll-Hybrid) die zur Aufladung des Energiespeichers 9 nutzbare Energie mehr oder weniger stark eingeschränkt sein, wodurch die elektrische Allradunterstützung weiter eingeschränkt wird. Auf der anderen Seite ist jedoch die Verwendung eines elektrischen Allradantriebs häufig nicht notwendig, wenn ausreichende Reibung vorliegt. Die Problematik einer nur begrenzten Allradunterstützung wird durch ein intelligentes Batteriemanagement entschärft. Hierdurch wird gewährleistet, dass in Situationen mit geringer Reibung, in denen eine Allradunterstützung angeraten ist, der elektrische Allradantrieb dem Fahrer auch tatsächlich zur Verfügung steht und nicht aufgrund Energiemangel nicht verwendbar ist. Die Batteriemanagement ermöglicht so einen sinnvolleren und praxisgerechteren Allradeinsatz. Dazu wird die Energieabgabe und/oder die Energieaufnahme des Energiespeichers 9 mittels einer Batteriemanagement-Einheit 10 gesteuert. Die Batteriemanagement-Einheit 10 nimmt Werte verschiedener Parameter 11-13 entgegen, die mit der zu erwartenden Reibung zwischen dem Fahrzeug 1 und der Fahrbahn für eine vorausliegende Fahrstrecke im Zusammenhang stehen. Dabei ist es auch denkbar, dass die Batteriemanagement-Einheit 10 nur mit einem einzigen Parameter arbeitet (statt mit mehreren Parametern wie in 1 dargestellt). Diese Parameterwerte helfen zu erkennen, mit welchen Reibwerten im weiteren Verlauf der Fahrstrecke zu rechnen ist. Im Vorfeld kann also anhand der Werte der Parameter 11-13 auf die zu erwartende Reibung geschlossen werden. Bei den Parametern 11-13 kann es sich beispielweise um die aktuelle Außentemperatur 11, um die zu erwartende Strecke 12 mit reduzierten Reibwerten (z. B. Berg- oder Passstraßen) oder um den aktuellen Niederschlag 13 handeln. Die Außentemperatur hat Einfluss auf die Reibwerte der vorausliegenden Fahrstrecke: beispielsweise ist ab einer Außentemperatur unter 5° C mit geringer Reibung aufgrund gefrorener Nässe zu rechnen. Eine Angabe über die erwartete Strecke mit reduzierten Reibwerten (beispielsweise Berg- oder Passstraßen) gibt direkten Aufschluss über die zu erwartenden Reibwerte und lässt sich mittels eines Navigationssystems bestimmen. Auch der Niederschlag steht mit der zu erwartenden Reibung im Zusammenhang: bei Regen ist die Reibung geringer im Fall einer trockenen Straße.
  • Die Werte der Parameter 11-13 stellen also ein Indiz für die zu erwartende Reibung auf der vorausliegenden Fahrstrecke dar. Eine erwartete geringe Reibung (z. B. aufgrund von Niederschlag oder Schnee) im weiteren Verlauf der Strecke bedeutet einen hohen Allradeinsatz und damit einen höheren Energieverbrauch. In Abhängigkeit der Werte der Parameter 11-13 wird über die Batteriemanagement-Einheit 10 die Energieabgabe und/oder Energieaufnahme des Energiespeichers 9 gesteuert, damit ein etwaiger Allradeinsatz im weiteren Verlauf der Strecke aufgrund geringer Reibwerte gewährleistet werden kann.
  • In Abhängigkeit der jeweiligen Werte der Parameter 11-13 wird Energie für einen Allradeinsatz in dem Energiespeicher 9 vorgehalten.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird die Entladungsgrenze des Energiespeichers 9 in Abhängigkeit von den Werten der Parameter 11-13 angehoben oder abgesenkt. Beispielsweise kann eine Entladungsgrenze von 40 % der Gesamtkapazität des Energiespeichers 9 im gewöhnlichen Betrieb vorgesehen werden, die nicht unterschritten werden sollte. Falls sich jedoch anhand der Werte der Parameter 11-13 ergibt, dass im weiteren Verlauf der Fahrstrecke mit geringer Reibung zu rechnen ist und damit ein erhöhter Allradeinsatz angeraten ist, kann die Entladungsgrenze erhöht werden, beispielsweise auf 70 % der Gesamtkapazität des Energiespeichers 9. Die Werte der Parameter 11-13 können beispielsweise mittels einen bestimmten Verknüpfungsfunktion verknüpft werden und das Verknüpfungsergebnis kann mit einem Schwellwert verglichen werden. Falls der Schwellwert im Fall erwarteter geringer Reibung überschritten (oder je nach Verknüpfungsfunktion unterschritten) wird, wird die Entladungsgrenze erhöht. Durch Erhöhen der Entladungsgrenze wird sicher gestellt, dass im Bedarfsfall (d. h. bei geringer Reibung) tatsächlich ausreichende Energiereserven in dem Energiespeicher 9 vorhanden sind, um einen Allradeinsatz über eine entsprechende Dauer zu gewährleisten. Das Anpassen der Entladungsgrenze bewirkt also eine Steuerung der Energieabgabe des Energiespeichers 9. Wenn die Entladungsgrenze zunimmt, kann dies mit einem Abschalten des Allradbetriebs verbunden sein, wenn der aktuelle Kapazitätswert des Energiespeichers 9 unter der Entladungsgrenze liegt.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Energieaufnahme des Energiespeichers 9 in Abhängigkeit von den Werten der Parameter 11-13 gesteuert werden. Falls sich anhand der Werte der Parameter 11-13 ergibt, dass im weiteren Verlauf der Fahrstrecke mit geringer Reibung zu rechnen ist und damit ein erhöhter Allradeinsatz angeraten ist, kann die Energiezufuhr zur Aufladung des Energiespeichers 9 (beispielsweise aus dem Verbrennungsmotor) erhöht werden.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Steuern der Energieabgabe und/oder der Energieaufnahme eines elektrischen Energiespeichers (9) in einem 2-achsigen Hybridfahrzeug (1) mit - einem Verbrennungsmotor (2) zum Antreiben von zwei Rädern (3, 4) einer ersten Fahrzeugachse der zwei Achsen, und - mindestens einem Elektromotor (5) zum zuschaltbaren Antreiben von zwei Rädern (6, 7) einer zweiten Fahrzeugachse der zwei Achsen, mit den Schritten: - Bestimmen des Werts eines oder mehrerer Parameter (11, 12, 13), die mit der zu erwartenden Reibung zwischen dem Fahrzeug (1) und der Fahrbahn für eine vorausliegende Fahrstrecke im Zusammenhang stehen; und - Beeinflussen der Energieabgabe und/oder der Energieaufnahme des Energiespeichers (9) in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert des einen oder der mehreren Parameter (11, 12, 13), wobei das Beeinflussen der Energieabgabe und/oder der Energieaufnahme des Energiespeichers (9) ein Anheben oder Absenken der Entladungsgrenze des Energiespeichers (9) in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert des einen oder der mehreren Parameter (11, 12, 13) umfasst und wobei die Entladungsgrenze angehoben wird, wenn der oder die Parameterwerte eine geringe Reibung zwischen dem Fahrzeug (1) und der Fahrbahn für eine vorausliegende Fahrstrecke erwarten lassen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der oder die Parameter (11, 12, 13) einen oder mehrere der folgenden Parameter (11, 12, 13) umfassen: - die aktuelle (11) oder die erwartete Außentemperatur; - Reibwertinformation für die vorausliegende Fahrstrecke; - Information über die erwartete Fahrstrecke (12) mit reduzierten und/oder erhöhten Reibwerten; - der aktuelle (13) oder der erwartete Niederschlag; oder - die Uhrzeit.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beeinflussen der Energieabgabe und/oder der Energieaufnahme des Energiespeichers (9) umfasst: - Vorhalten von Energie in dem Energiespeicher (9) in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert des einen oder der mehreren Parameter (11, 12, 13).
  4. Vorrichtung (10) zum Steuern der Energieabgabe und/oder der Energieaufnahme eines elektrischen Energiespeichers in einem 2-achsigen Hybridfahrzeug (1) mit - einem Verbrennungsmotor (2) zum Antreiben von zwei Rädern (3, 4) einer ersten Fahrzeugachse der zwei Achsen, und - mindestens einem Elektromotor (5) zum zuschaltbaren Antreiben von zwei Rädern (6, 7) einer zweiten Fahrzeugachse der zwei Achsen, wobei die Vorrichtung umfasst: - Mittel zum Beeinflussen der Energieabgabe und/oder Energieaufnahme des Energiespeichers (9) in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert eines oder mehrerer Parameter (11, 12, 13), die mit der zu erwartenden Reibung zwischen dem Fahrzeug (1) und der Fahrbahn für eine vorausliegende Fahrstrecke im Zusammenhang stehen, wobei das Beeinflussen der Energieabgabe und/oder der Energieaufnahme des Energiespeichers (9) ein Anheben oder Absenken der Entladungsgrenze des Energiespeichers (9) in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert des einen oder der mehreren Parameter (11, 12, 13) umfasst und wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die Entladungsgrenze anzuheben, wenn der oder die Parameterwerte eine geringe Reibung zwischen dem Fahrzeug (1) und der Fahrbahn für eine vorausliegende Fahrstrecke erwarten lassen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der oder die Parameter (11, 12, 13) einen oder mehrere der folgenden Parameter (11, 12, 13) umfassen: - die aktuelle (11) oder die erwartete Außentemperatur; - Reibwertinformation für die vorausliegende Fahrstrecke; - Information über die erwartete Fahrstrecke (12) mit reduzierten und/oder erhöhten Reibwerten; - der aktuelle (13) oder der erwartete Niederschlag; oder - die Uhrzeit.
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