DE102010048353A1

DE102010048353A1 - Verfahren zur Zuteilung elektrischer Hochspannungsenergie an Fahrzeugsysteme beim Fahren

Info

Publication number: DE102010048353A1
Application number: DE102010048353A
Authority: DE
Inventors: Christopher A. Mich. Kinser; James D. Mich. Marus
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2030-10-14
Also published as: US8049359B2; US20110089758A1; DE102010048353B4

Abstract

Es wird ein Verfahren offenbart, das ein Protokoll zum Verteilen von Leistung an Hochspannungskomponenten definiert, wenn zwei Bedingungen existieren: diese sind, wenn das Fahrzeug vorangetrieben oder betrieben wird und wenn die von den Leistungsversorgung angeforderte Leistung geringer als das ist, was die Leistungsversorgung liefern kann. Das Verfahren bestimmt, welche Hochspannungskomponenten eine verringerte oder unterbrochene Spannung empfangen können und dennoch ermöglichen, dass das Fahrzeug auf eine korrekte Weise arbeitet. Kalibrierungen der Verwendung und des Energieverlusts beruhen auf Parametern, die vorgeben, wie wichtig es ist, dass eine spezielle Hochspannungskomponente so viel von ihrer angeforderten Leistung wie möglich empfängt. Die Komponenten mit kritischen Funktionen werden anders gewichtet als diejenigen von weniger kritischen Komponenten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Zuteilen von Hochspannungsenergie und insbesondere ein System und ein Verfahren, die Hochspannungsenergie zuteilen, während sich ein Fahrzeug in Bewegung befindet.
HINTERGRUND
Da Fahrzeuge von Plattformen, die Brennkraftmaschinen enthalten, zu anderen Quellen wechseln, beginnen herkömmliche Vorgehensweisen zum Betreiben eines Fahrzeugs beim Berücksichtigen all der verschiedenen Probleme zu versagen, die nun Teil der wahrscheinlichen Szenarien sind, wenn das Fahrzeug betrieben wird. Ein derartiges Beispiel umfasst den Betrieb eines Fahrzeugs, das von einer anderen Quelle als einer Brennkraftmaschine mit Leistung versorgt wird, bei dem die Energie, die gespeichert ist oder erzeugt wird, den Energiebetrag nicht überschreitet, der von dem Bediener des Fahrzeugs angefordert wird. In den Fällen, in denen Energie zum Versorgen von Hochspannungskomponenten, wie etwa dem Antriebsstrang, dem Temperaturzustandssystem der Batterie, der Lenkungsanordnung, der Fahrgastzellen-Klimaanlagenanordnung oder der Bremsanordnung, mit Leistung angefordert wird, ist ein einfaches Trennen dieser Lasten vom Quellenschaltkreis nicht akzeptabel, da es zur Unzufriedenheit des Kunden während des Betriebs des Fahrzeugs oder während es sich bewegt führen kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Kalibrieren des Leistungsbetrags bereitgestellt, der an ein Fahrzeug mit Hochspannungskomponenten verteilt wird. Das Verfahren umfasst den Schritt des Berechnens einer Leistung, die zum Betreiben der Hochspannungskomponenten benötigt wird. Dann wird ein Leistungsbetrag gemessen, der zum Betreiben der Hochspannungskomponenten verfügbar ist. Es wird ermittelt, ob der verfügbare Leistungsbetrag kleiner als die benötigte Leistung ist. Dann wird ein Parameter für jede der Hochspannungskomponenten identifiziert. Wenn der verfügbare Leistungsbetrag kleiner als der benötigte Leistungsbetrag ist, tritt eine Kalibrierung einer dynamischen Verteilung von Leistung auf und beruht auf dem Parameter. Die Verteilung von Leistung hält einen optimalen Betrieb der Hochspannungskomponenten auf eine Weise aufrecht, die den Betrieb des Fahrzeugs optimiert. Wenn sich der Parameter für eine der Hochspannungskomponenten während des Betriebs des Fahrzeugs ändert, tritt eine Rekalibrierung der dynamischen Leistungsverteilung auf.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden hier nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:
1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Leistungssystems zum Betreiben eines Fahrzeugs ist, das kein Brennkraftmaschinenfahrzeug ist;
2 eine schematische Zeichnung des Fahrzeug-Energiezuteilungsmanagers und davon ist, wie dieser mit temperaturbezogenen Komponenten kommuniziert;
3 eine schematische Zeichnung des Fahrzeug-Energiezuteilungsmanagers ist, der mit dem Antriebsstrang kommuniziert;
4 ein Flussdiagramm ist, das ein beispielhaftes Verfahren zum Zuteilen von Energie in einem in 1 gezeigten Hochspannungssystem veranschaulicht;
5 ein Logikdiagramm ist, das die Architektur des Fahrzeug-Energiezuteilungsmanagers veranschaulicht; und
6 eine grafische Darstellung ist, die eine Berechnung eines Leistungsverlusts durch eine Hochspannungskomponente darstellt, welche das erfinderische Verfahren verwendet.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das nachstehend beschriebene Verfahren kann mit jedem Fahrzeug verwendet werden, das einen Antriebsstrang aufweist, der keine herkömmliche Brennkraftmaschine ist. Bei derartigen nicht-herkömmlichen Antriebsstrangplattformen werden Hochspannungssysteme verwendet, um Energie in ausreichenden Mengen zu liefern, um ein Fahrzeug und die Lasten, die es mit sich führt, eine Zeitspanne lang mit Leistung zu versorgen. Die Systeme können Brennstoffzellen, Batterien, oder sogar einen Brennkraftmaschinengenerator verwenden, aber sie alle benötigen zum Betrieb Hochspannungsantriebsstränge. Zudem werden Hochspannungskomponenten verwendet, um den Betrieb des Fahrzeugs zu ermöglichen, speziell beim Vortrieb des Fahrzeugs. Bei dieser Erörterung wird als Hochspannung alles betrachtet, was größer als 60 Volt ist. Fachleute sollten feststellen, dass diese Definition von Hochspannung immer elektrische Systeme umfassen wird, die eine Spannung aufweisen, die ausreicht, um die Rolle der Leistungsquelle für den Antriebsstrang des Fahrzeugs zu übernehmen.
Mit Bezug auf 1 ist ein beispielhafter elektrischer Schaltkreis 10 für ein Fahrzeug gezeigt, das einen elektrisch angetriebenen Antriebsstrang 12 umfasst. Ein ”elektrisch angetriebener Antriebsstrang” umfasst in weitem Sinn jeden Typ von Antriebsstrang, der eine Hochspannungsquelle verwendet, um die Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs zu erzeugen. Einige Beispiele, welche diese Typen von Antriebssträngen enthalten, umfassen ohne eine Einschränkung Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV), die im Fahrzeugantriebsstrang sowohl eine Brennkraftmaschine als auch einen Elektromotor enthalten, sowie Batterieelektrofahrzeuge (BEVs), die sich zum Fahrzeugvortrieb nur auf einen Elektromotor stützen. Ein weiteres Beispiel eines derartigen Antriebsstrangs umfasst einen Antriebsstrang, der Energie von einem fahrzeugeigenen Wasserstoffantriebsaggregat empfängt, welches Wasserstoff in Energie umsetzt. Obwohl die folgende Beschreibung nur die Verwendung des erfinderischen Verfahrens mit einem BEV beschreiben wird, ist festzustellen, dass das Verfahren mit einem beliebigen anderen Typ von elektrisch angetriebenem Antriebsstrang verwendet werden kann, da das folgende Beispiel aus Klarheits- und Einfachheitsgründen verwendet wird.
Gemäß dieser speziellen Ausführungsform umfasst der elektrische Schaltkreis 10 eine Hochspannungsverbindung 14 und einen Niederspannungs-/Kommunikationsbus 16. Der Schaltkreis, der Bus oder eine andere geeignete Hochspannungsverbindung 14 kann verwendet werden, um elektrische Leistung an die verschiedenen Hochspannungskomponenten zu liefern, welche im Anschluss detaillierter erörtert werden, während der Niederspannungs-/Kommunikationsbus 16 verwendet werden kann, um Informationen, Daten und Meldungen auszutauschen oder auf andere Weise zwischen den verschiedenen Systemen und Komponenten zu kommunizieren. Alle in 1 gezeigten Komponenten können an dem Fahrzeug (nicht gezeigt) starr montiert und angeordnet sein.
Der elektrische Schaltkreis 10 umfasst eine Hochspannungsbatterieeinheit 18, die das Fahrzeug mit elektrischer Leistung versorgt und die in Abhängigkeit von der speziellen Ausführungsform die primäre elektrische Leistungsquelle für das Fahrzeug sein kann oder in Verbindung mit einer weiteren Leistungsquelle zu Leistungsergänzungszwecken verwendet werden kann, um zwei Beispiele anzuführen. Es können viele verschiedene Batterietypen und anordnungen verwendet werden, einschließlich der beispielhaften hier schematisch gezeigten, welche einen Batteriestapel 20, einen oder mehrere Batteriesensoren 22 und eine Steuerungseinheit 24 umfasst. Der Batteriestapel 20 kann eine Ansammlung identischer oder einzelner Batteriezellen umfassen, die in Reihe, parallel, oder einer Kombination daraus verbunden sind, um eine gewünschte Spannung, Stromstärke, Kapazität, Leistungsdichte und/oder andere Leistungscharakteristika zu liefern. Es ist allgemein wünschenswert, hohe Leistungs- und Energiedichten bereitzustellen, was zur Entwicklung und Verwendung von vielen Batterietypen geführt hat, welche chemische, nicht chemische und andere umfassen. Einige Beispiele geeigneter Batterietypen umfassen alle Typen von Lithium-Ionen-Batterien (z. B. Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Nickelmangankobalt, Lithium-Eisensulfid, Lithium-Polymer, usw.), Bleisäure, moderne Bleisäure, Nickelmetallhydrid (NiMH), Nickelkadmium (NiCd), Zinkbrom, Natriumnickelchlorid (NaNiCl), Zinkluft, Vanadiumredox und weitere. Der Batteriestapel 20 kann in Abhängigkeit von seiner speziellen Konstruktion und Anwendung etwa 60–600 Volt liefern. Beispielsweise kann ein Schwerlastwagen, der ein Hybridsystem mit zwei Modi verwendet, einen Hochspannungsbatteriestapel benötigen, der zur Bereitstellung von etwa 350 Volt in der Lage ist, wohingegen ein leichteres Fahrzeug nur etwa 200 Volt benötigen kann. Der Batteriestapel 20 sollte so konstruiert sein, dass er wiederholte Lade- und Entladezyklen aushält und dass er elektrische Energie von einer externen Leistungsquelle (nicht gezeigt, aber es versteht sich, dass diese zumindest teilweise zum Aufladen verwendet wird) empfängt. Fachleute werden feststellen, dass das hier beschriebene System und Verfahren nicht auf irgendeinen speziellen Typ von Batterie oder Batterieanordnung begrenzt sind, da eine Anzahl verschiedener Batterietypen verwendet werden kann.
Die Batteriesensoren 22 können eine beliebige Kombination von Hardware- und/oder Softwarekomponenten umfassen, die zum Überwachen von Batteriezuständen, etwa der Batterietemperatur, der Batteriespannung, dem Batteriestrom, dem Batterieladezustand (SOC), dem Batteriegesundheitszustand (SOH), usw. in der Lage sind. Diese Sensoren können in die Hochspannungsbatterieeinheit 18 integriert sein (z. B. eine intelligente oder smarte Batterie), sie können externe Sensoren sein, die außerhalb der Batterieeinheit 18 angeordnet sind, oder sie können in Übereinstimmung mit einer anderen bekannten Anordnung bereitgestellt sein. Die Batterietemperatursensoren können die Batterietemperatur auf einer Basis von Zelle zu Zelle, als eine durchschnittliche oder gemeinsame Temperatur eines Blocks von Zellen oder eines Bereichs der Batterieeinheit, als eine durchschnittliche oder gemeinsame Temperatur der gesamten Batterieeinheit oder in Übereinstimmung mit einem anderen Temperaturermittlungsverfahren, das in der Technik bekannt ist, überwachen und ermitteln. Das Messen der Batterietemperatur auf der Basis einzelner Zellen kann vorteilhaft sein, wenn beispielsweise die mittleren Zellen andere Temperaturen als die Rand- oder Grenzzellen des Batteriestapels 20 aufweisen. Das gleiche Prinzip wie bei der Ermittlung der Batterietemperatur auf der Basis von Zelle zu Zelle, einer gemeinsamen Basis oder einer anderen Basis, trifft auch auf die Batteriespannung, den Batteriestrom, den Batterie-SOC, den Batterie-SOH usw. zu. Eine Ausgabe von den Batteriesensoren 22 kann an die Steuerungseinheit 24, ein Batterieladesteuerungsmodul (nicht gezeigt) oder eine andere geeignete Einrichtung geliefert werden.
Die Steuerungseinheit 24 kann eine beliebige Variante von elektronischen Verarbeitungseinrichtungen, Speichereinrichtungen, Eingabe-/Ausgabe-Einrichtungen (I/O-Einrichtungen) und anderen bekannten Komponenten umfassen und kann verschiedene steuerungs- und/oder kommunikationsbezogene Funktionen ausführen. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit 24 Sensorsignale von den verschiedenen Batteriesensoren 22 empfangen, die Sensorsignale in eine geeignete Sensormeldung verpacken und die Sensormeldung über den Niederspannungs-/Kommunikationsbus 16 an das Batterieladesteuerungsmodul senden. Es ist möglich, dass die Steuerungseinheit 24 Batteriesensorlesewerte sammelt und sie in einem lokalen Speicher speichert, sodass eine umfassende Sensormeldung zu einem späteren Zeitpunkt bereitgestellt werden kann, oder die Sensorlesewerte können weitergeleitet werden, sobald sie bei der Steuerungseinheit 24 eintreffen, um ein paar Möglichkeiten aufzuzählen. Statt die Batteriesensorlesewerte an ein Batterieladegerätsteuerungsmodul für eine anschließende Verarbeitung zu senden, ist es möglich, dass die Steuerungseinheit 24 die Sensorlesewerte selbst verarbeitet oder analysiert. Bei einer anderen Ausprägung kann die Steuerungseinheit 24 sachdienliche Batterieeigenschaften und Hintergrundinformationen hinsichtlich der Zellenchemie, der Zellenkapazität, oberer und unterer Batteriespannungsgrenzen, Batteriestromgrenzen, Batterietemperaturgrenzen, Temperaturprofile, einer Batterieimpedanz, der Anzahl oder des Verlaufs von Auflade-/Entlade-Ereignisse der Batterie usw. speichern.
Ein Batterietemperatursystem 26 ist mit der Hochspannungsbatterieeinheit 18 thermisch gekoppelt, sodass es Aspekte der Umgebung, welche die Leistung der Hochspannungsbatterieeinheit 18 beeinflussen können, verwalten, steuern oder anderweitig manipulieren kann. Zum Beispiel kann das Batterietemperatursystem 26 eine Kühlungs- und/oder Heizungseinrichtung 28 umfassen, welche die Temperatur der Hochspannungsbatterieeinheit 18 absenken oder erhöhen kann. Fachleute werden feststellen, dass das Auflade- und Entladeverhalten, die Lebensdauer sowie andere Eigenschaften des Batteriestapels 20 durch die Temperatur beeinflusst werden können. Wenn ein Fahrzeug beispielsweise in einer extrem kalten Umgebung gestartet wird, kann das Batterietemperatursystem 26 eine Heizungseinrichtung verwenden, um den Batteriestapel 20 auf eine Temperatur zu erwärmen, die zum Aufladen, Entladen usw. besser geeignet ist. Andererseits kann das Batterietemperatursystem 26 eine Kühlungseinrichtung, etwa einen Kompressor, umfassen, um die Temperatur des Batteriestapels 20 beim Aufladen, Entladen usw. zu verringern, sodass sie bei einer niedrigeren und wünschenswerteren Temperatur gehalten wird. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Batterietemperatursystem 26 eine oder mehrere Heizungs-/Kühlungs-Einrichtungen 28, Sensoren 30 und eine Steuerungseinheit 32. Einige Beispiele einer geeigneten Heizungs-/Kühlungs-Einrichtung 28 umfassen: Kompressoren, Ventilatoren, Wassermäntel, Luftdurchgänge, Kühlkörper, thermoelektrische Kühlelemente (z. B. Peltiereinrichtungen), eine interne resistive Heizung, Kondensatoren oder eine Kombination daraus. Die Heizungs-/Kühlungs-Einrichtung 28 kann passive Einrichtungen (z. B. Einrichtungen, die sich auf die nicht erwärmte und nicht gekühlte Umgebungsumwelt stützen, um die Temperatur zu manipulieren), aktive Einrichtungen (z. B. Einrichtungen, die dem System Wärme aktiv zuführen oder diese daraus abführen, um die Temperatur zu manipulieren), oder beides umfassen. Die Sensoren 30 und die Steuerungseinheit 32, die im Batterietemperatursystem 26 enthalten sind, können denjenigen ähneln, die in der Hochspannungsbatterieeinheit 18 enthalten sind; somit trifft die vorstehende Beschreibung dieser Komponenten hier ebenfalls zu. Es ist auch möglich, dass sich das Batterietemperatursystem 26 auf die Sensorlesewerte und andere Informationen von den Sensoren 22 der Hochspannungsbatterieeinheit 18 stützt, wobei in diesem Fall die Sensoren 30 im Batterietemperatursystem 26 weggelassen werden können.
Es spielt daher keine Rolle, ob die Kühlungs- und/oder Heizungseinrichtungen speziell in der Hochspannungsbatterieeinheit 18 oder dem Batterietemperatursystem 26 zusammengefasst sind; sie werden im Folgenden hier so behandelt, als wären sie Teil des Batterietemperatursystems 26, unabhängig davon, ob sie sich physikalisch dort befinden oder nicht. Gemäß der hier gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist das Batterietemperatursystem 26 mit dem Hochspannungsschaltkreis 14 verbunden, sodass es elektrische Hochspannungsleistung von der Hochspannungsbatterieeinheit 18 empfangen kann, und es ist mit einem Niederspannungs-/Kommunikationsbus 16 verbunden, sodass es Meldungen senden kann und Informationen mit anderen Einrichtungen im System austauschen kann. Andere Verbindungen und Anordnungen sind möglich.
Ein Fahrgastzellentemperatursystem 34 ist mit der Fahrgastzelle oder dem Fahrzeuginneren temperaturgekoppelt, sodass es Aspekte der Umgebung in diesem Raum verwalten, steuern oder anderweitig manipulieren kann. Das Fahrgastzellentemperatursystem 34 kann zum Beispiel das Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagensystem (HVAC-System) des Fahrzeugs umfassen, welches die Umgebungsbedingungen in der Fahrgastzelle des Fahrzeugs einschließlich der Temperaturbedingungen und der Luftfilterung, ohne darauf begrenzt zu sein, manipuliert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Fahrgastzellentemperatursystem 34 eine oder mehrere Heizungs-/Kühlungs-Einrichtungen 36, Sensoren 38 und eine Steuerungseinheit 40. Die Heizungs-/Kühlungs-Einrichtungen 36 umfassen eine beliebige Einrichtung oder Komponente, die zum Beeinflussen der oder zum Einwirken auf die Umgebung in der Fahrgastzelle des Fahrzeugs in der Lage ist. Dies kann beispielsweise Heizungen, Klimaanlagenkompressoren, Sitzheizungen, Lenkradheizungen, Ventilatoren usw. umfassen. Die Sensoren 38 und die Steuerungseinheit 40, die im Fahrgastzellentemperatursystem 34 enthalten sind, können denjenigen ähneln, die in der Hochspannungsbatterieeinheit 18 enthalten sind; folglich trifft die vorstehende Beschreibung dieser Komponenten hier ebenfalls zu. Gemäß dieser speziellen Ausführungsform ist das Fahrgastzellentemperatursystem 34 mit dem Hochspannungsschaltkreis 14 verbunden, sodass es elektrische Hochspannungsleistung von der Hochspannungsbatterieeinheit 18 empfangen kann, und es ist mit dem Niederspannungs-/Kommunikationsbus 16 verbunden, sodass es Meldungen senden kann und Informationen mit anderen Einrichtungen im System austauschen kann. Andere Verbindungen und Anordnungen sind möglich, da diese nur eine Möglichkeit ist.
Eine weitere Hochspannungskomponente, der Antriebsstrang 12, ist ebenfalls sowohl mit der Hochspannungsverbindung 14 als auch dem Niederspannungs-/Kommunikationsbus 16 verbunden. Der Antriebsstrang 12 umfasst eine Steuerungseinheit 48, die es dem Antriebsstrang 12 ermöglicht, Hochspannungsenergie zu empfangen, und er verwendet Elektromotoren 42, um die Hochspannungsenergie in eine Bewegungskraft umzuformen, die das Fahrzeug vorantreibt. Der Antriebsstrang 12 ist mit Rädern funktional verbunden, welche sich in eine Richtung oder die andere drehen werden, um das Fahrzeug vorwärts oder rückwärts anzutreiben. Der Antriebsstrang 12 umfasst eine Kühlungseinheit 44 und Sensoren 46. Diese Unterkomponenten ähneln denjenigen, die vorstehend erörtert wurden, und werden auf eine dazu ähnliche Weise arbeiten, um den Antriebsstrang 12 zu steuern und zu ermöglichen, dass er auf optimale Weise arbeitet.
Zwei weitere Hochspannungskomponenten, die ebenfalls mit der Hochspannungsverbindung 14 und dem Niederspannungs-/Kommunikationsbus 16 verbunden sind, sind eine Bremsanordnung 50 und eine Servolenkungsanordnung 52. Diese zwei Hochspannungskomponenten oder System 50, 52 arbeiten, wie sie es herkömmlich in vielen Fällen tun, aber sie können auch Belastungen der Hochspannungsbatterieeinheit 18 erzeugen, da sie zum Arbeiten Energie brauchen. In dem Fall, bei dem das Hostfahrzeug ein Hybridfahrzeug ist, führt die Bremsenanordnung 50 tatsächlich Energie an den elektrischen Schaltkreis 10 zurück, indem sie die Energie, die absorbiert wird, wenn das Fahrzeug abgebremst wird, in Hochspannungselektrizität umformt, die in die Hochspannungsverbindung 14 zurückgeleitet werden kann, sodass Regenerationsenergie von anderen Hochspannungskomponenten oder Lasten verwendet werden kann. Alternativ kann die regenerierte Energie verwendet werden, um die Hochspannungsbatterieeinheit 18 wieder aufzuladen. Die Bremsenanordnung 50 umfasst eine Steuerungseinheit 54, welche die Bremsenanordnung 50 betreibt und bestimmt, wann Hochspannungsenergie zurück in die Hochspannungsverbindung 14 regeneriert werden soll. Sensoren 56 unterstützen die Steuerung der Bremsenanordnung 50 und bei derartigen Anordnungen, welche die Möglichkeit bereitstellen, die Energie zu nutzen, die zum Abbremsen des Fahrzeugs verwendet wird, wird eine elektrische Einrichtung 58 verwendet, um das Fahrzeug abzubremsen und die Energie zu erzeugen.
In Hinblick auf die Servolenkungsanordnung 52 steuert eine elektronische Verarbeitungseinrichtung 60 die Umformung der von der Hochspannungsverbindung 14 empfangenen Hochspannungsenergie in eine Energieform, die mm Unterstützen des Fahrers beim Drehen des Lenkrads (nicht gezeigt) notwendig ist. Eine Steuerungseinheit 62 steuert die Aufnahme von Hochspannungsenergie von der Hochspannungsverbindung 14 und liefert Ausgaben hinsichtlich des Energieverbrauchs. In einigen Fällen wird die Servolenkungsanordnung 52 einen pneumatischen Antrieb umfassen; jedoch sind viele Servolenkungsanordnungen 52 elektrischer/elektronischer Natur. Und ähnlich wie die Bremsenanordnung 50 wäre eine elektrische Servolenkungsanordnung 52 insofern vorteilhaft, als sie Strom nur entnehmen würde, wenn das Lenkrad gedreht wird (pneumatische Systeme müssen konstant eingeschaltet sein).
Obwohl es mehrere weitere Komponenten gibt, die mit der Hochspannungsverbindung 14 verbunden sind, ist die letzte in 1 veranschaulichte und damit hier zu erörternde der Fahrzeug-Energiezuteilungsmanager (FEZM) 64. Der FEZM 64 empfängt Eingänge von den Steuerungseinheiten 48, 32, 40, 54, 62 und bestimmt die Zuteilung von Energie zu jedem der Systeme, die jeweils mit den Steuerungseinheiten 48, 32, 40, 54, 62 verbunden sind. Eine vollständigere Erörterung des Zuteilungsprozesses wird nachstehend offengelegt.
Genauer gesagt ist der FEZM 64 eine Schnittstelle zwischen der Hochspannungsbatterieeinheit 18 und allen Hochspannungskomponenten 12, 26, 34, 50, 52. Der FEZM 64 empfängt Informationen hinsichtlich des Zustands der Hochspannungsbatterieeinheit 18 sowie Informationen hinsichtlich des Bedarfs der Hochspannungskomponenten 12, 26, 34, 50, 52 durch jede der jeweiligen Steuerungseinheiten 48, 32, 40, 54, 52. Der FEZM 64 wird dann eine Berechnung verwenden, um zu bestimmen, welche der Hochspannungskomponenten 12, 26, 34, 50, 52 wann welchen Teil der von der Hochspannungsbatterieeinheit 18 verfügbaren Leistung empfangen sollen. Der FEZM 64 stellt die optimale Leistung des Fahrzeugs, seiner Hochspannungsbatterieeinheit 18 und der Hochspannungskomponenten 12, 26, 34, 50, 52 sicher, wenn die Kapazität der Hochspannungsbatterieeinheit 18 die Bedürfnisse, mit denen sie belastet wird, nicht in Echtzeit erfüllen kann.
Zur besseren Beschreibung des FEZM 64 wird auf 2, 3 und 5 Bezug genommen. Mit Bezug speziell auf 2 ist der FEZM 64 so gezeigt, dass es die Leistungsgrenzen von drei verschiedenen Temperatureinrichtungen steuert. Der FEZM 64 liefert eine Leistungsobergrenze für Komfort durch eine Verbindung 66 an ein elektronisches Klimasteuerungssystem 68. Das elektronische Klimasteuerungssystem 68 liefert einen Leistungsbefehl durch eine Leitung 70 an ein Kühlmittelheizungssteuerungsmodul 72, das zur Steuerung des Klimas in der Fahrgastzelle des Fahrzeugs verwendet wird. Eine Leistungsanforderung zur Klimasteuerung wird durch eine Leitung 74 bereitgestellt, welche in 2 als eine gestrichelte Linie gezeigt ist, um die Tatsache darzustellen, dass der FEZM 64 eine Leistungsanforderung wie diese ignorieren kann, wenn der FEZM 64 bestimmt, dass nicht genügend Leistung für alle Komponenten vorhanden ist.
Kompressorleistungsgrenzen werden vom FEZM 64 durch eine Leitung 80 an eine elektronische Temperatursteuerung 76 und ein Temperaturuntersystem 78 des Energiespeichersystems gesandt. Die elektronische Temperatursteuerung 76 empfängt durch eine Leitung 81 auch Klimasteuerungszieltemperaturen, welche gestrichelt ist, um darzustellen, dass diese Ziele bei Bedarf ignoriert werden können. Die elektronische Temperatursteuerung 76 sendet einen Drehzahlbefehl (RPM-Befehl) an ein Klimaanlagenzubehör-Kompressormodul 82. Die elektronische Temperatursteuerung 76 sendet auch eine Information über eine angeforderte Kompressorleistung, eine Kompressorleistungsproportion des Energiespeichersystems, und eine verbrauchte elektrische Kompressorleistung an den FEZM 64 durch eine Leitung 84 zurück, welche die Schnittstelle für den FEZM 64 zur Steuerung der vom Kompressor bei Ereignissen mit begrenzter Leistung verbrauchten Leistung bereitstellt. Es wird angemerkt, dass in diesem Fall sowohl für die Fahrgastzellenklimatisierung als auch für die Batterietemperaturklimatisierung ein Kompressor verwendet wird. Es soll jedoch angemerkt werden, dass der FEZM 64 auch über die Fähigkeit verfügt, eine Kompressorleistungsverwendung für zwei getrennte Kompressoren zu steuern, die entworfen sind, um eine Fahrgastzellenklimatisierung und eine ESS-Temperaturklimatisierung separat zu steuern.
Der FEZM 64 empfängt durch eine Leitung 86 ein Energiespeichersystem-Leistungsanforderungssignal und ein Energiespeichersystem-Leistung-Verwendet-Signal vom Energiespeichersystem 78. Der FEZM 64 liefert durch eine Leitung 88 eine Leistungsgrenze an das Temperaturuntersystem 78 des Energiespeichersystems. Mit dieser Grenze liefert die technische Beschreibung des Temperaturuntersystems 78 des Energiespeichersystems durch eine Leitung 92 einen Leistungsbefehl an eine Energiespeichersystemheizung 90. Dies stellt die Schnittstelle bereit, die es dem FEZM 64 ermöglicht, die von der Batterieheizung 90 bei Ereignissen mit begrenzter Leistung verbrauchte Leistung zu steuern.
Mit Bezug auf 3 stellen der FEZM 64 und der Antriebsstrang 12 Informationen dazwischen bereit. Der FEZM 64 sendet dem Antriebsstrang 12 durch eine Leitung 94 die angeforderte Hochspannungsleistung, die angeforderte Lastleistung und die augenblickliche Gesamtleistung, die von allen Hochspannungslasten mit der Ausnahme des Antriebsstrangsystems 12, verwendet wird, welche von dem FEZM 64 geregelt werden. Die von dem Antriebsstrang 12 ermittelten oberen und unteren Temperaturleistungsgrenzen werden an den FEZM 64 gesandt, wodurch die Schnittstelle bereitgestellt wird, um die Leistung zu ermitteln, die für die Hochspannungslasten verfügbar ist, welche von dem FEZM 64 geregelt werden. Der angeforderte Temperaturleistungsbetrag stellt die Schnittstelle bereit, die es dem FEZM 64 ermöglicht, das Antriebsstrangsystem 12 dazu zu zwingen, weniger Hochspannungsleistung zu verbrauchen und somit die Leistung zu verringern, die für das Vortriebssystem bei Bedingungen mit begrenzter Leistung verfügbar ist, und den Leistungsbetrag zu erhöhen, der verfügbar ist, um die Leistungsbedürfnisse anderer Hochspannungsuntersysteme, die von dem FEZM 64 gesteuert werden, zu erfüllen. Diese Schnittstelle stellt dem FEZM 64 die Kontrolle bereit, die notwendig ist, um die Hochspannungsenergie zu modulieren, die für das Fahrzeug zur Verfügung steht, während eine mangelhafte Leistung eines beliebigen gegebenen Untersystems verhindert wird, das von dem FEZM 64 bei Ereignissen mit begrenzter Leistung gesteuert wird.
Mit Bezug auf 4 ist das erfinderische Verfahren allgemein bei 100 angezeigt. Das Verfahren 100 beginnt bei 102. Da dieses Verfahren 100 verwendet wird, wenn das Fahrzeug bewegt wird, besteht die erste Entscheidung darin, bei 104 zu ermitteln, ob das Fahrzeug betrieben wird. Wenn nicht, springt das Verfahren 100 bei 106 zurück und wartet darauf, dass das Fahrzeug betrieben wird. Sobald es in Betrieb ist, berechnet das Verfahren 100 bei 108 den Energiebedarf der Hochspannungskomponenten des Fahrzeugs. Dann wird bei 110 die Energie ermittelt, die zum Betreiben des Fahrzeugs verfügbar ist.
Von dort aus berechnet das Verfahren 100 bei 112, ob die benötigte Gesamtenergie größer als diejenige ist, die verfügbar ist. Wenn die benötigte Gesamtenergie nicht größer als die verfügbare ist, wird bei 114 die gesamte Energie bereitgestellt und das Verfahren 100 endet bei 116.
Wenn ermittelt wird, dass die verfügbare Gesamtenergie nicht ausreicht, wird das Verfahren 100 verwendet, um das Problem zu lösen, wie die Energie auf eine Weise verteilt werden kann, die einen Betrieb der Hochspannungskomponenten oder -Systeme 12, 26, 34, 50, 52, nicht unterbrechen wird oder seine Insassen nicht einem schlecht funktionierenden Fahrzeug überlässt. Das Verfahren 100 identifiziert bei 118 jede Hochspannungskomponente oder jedes Hochspannungssystem, das Energie anfordert. Bei 120 wird ein Parameter oder werden mehrere Parameter für jede Hochspannungskomponente oder jedes Hochspannungssystem identifiziert. Ein Parameter ist etwas für die Hochspannungskomponente spezifisches, das die Funktionsfähigkeit beeinflussen kann, wenn sie bei oder in der Nähe dieses Parameters betrieben wird. Um beispielsweise die Entladung des Energiespeichersystems oder der Hochspannungsbatterieeinheit 18 zu maximieren, kann bestimmt worden sein, dass die Temperatur der zu messende Parameter ist. Wenn die Temperatur unter einem Idealwert liegt, dann könnte bestimmt werden, dass die Energiespeichersystemheizung 90 für mindestens einen Teil der Zeit, in der das Fahrzeug arbeitet, eingeschaltet werden soll. Je weiter die Temperatur des Energiespeichersystems von seiner idealen Temperatur entfernt ist, desto mehr Energie wird an die Energiespeichersystemheizung 90 geliefert, um es dem Energiespeichersystem 18 zu ermöglichen, seine Idealtemperatur zu erreichen.
Sobald die Parameter identifiziert sind, wird bei 122 ein Wert für jeden der Parameter gemessen. Diese Parameter werden in Algorithmen verwendet, welche die Leistung ermitteln, die für die Hochspannungseinrichtung benötigt wird, um eine korrekte Funktionalität und ein korrektes Verhalten des Untersystems sicherzustellen. Das Berechnen eines Energieverlusts ist ein spezifischer Typ von Verfahren, der zur Ermittlung der benötigten Leistung verwendet wird, und wird bei 124 für einige Hochspannungskomponenten oder -systeme kalibriert. Die Energie wird dann bei 126 auf der Grundlage der Kalibrierungen und der dynamischen Parameter auf die verschiedenen Hochspannungskomponenten (und manchmal eine Untermenge davon) verteilt. Sobald die korrekte Verteilung der verfügbaren Hochspannungsenergie abgeschlossen ist, endet das Verfahren bei 116.
In 6 ist ein graphisches Beispiel der Berechnung des Energieverlusts mit Hilfe von Leistung gezeigt. Bei diesem Beispiel fordert das Batterietemperatursystem 26 einen Leistungsbetrag 150 an. Eine Stufe 152 in der Linie 150 stellt eine dynamische Echtzeitanforderung für mehr Leistung dar. Aufgrund der Zustände des Fahrzeugs und des für alle Systeme verfügbaren Leistungsbetrags wird dem Batterietemperatursystem 26 eine Leistungsgrenze 154 auferlegt. Die von dem Batterietemperatursystem 26 verwendete Leistung ist durch eine Linie 156 dargestellt. Die von dem Batterietemperatursystem 26 verwendete Leistung 156 nähert die Leistungsgrenze 154 an (obwohl die Anstiegs- und Abfall-Zeiten aufgrund externer Bedingungen variieren können), wenn die Leistungsgrenze 154 unter die Leistungsanforderung 150 fällt. Die Leistungspegeluntergrenze, die für das Batterietemperatursystem 26 akzeptabel ist, ist der minimale angeforderte Leistungsverlust 158. Wenn der minimale Leistungsverlust 158 ansteigt, tut dies auch die verwendete Leistung 156. Es ist festzustellen, dass der Gesamtenergieverlust des Batterietemperatursystems 26 das Integral der Fläche zwischen der angeforderten Leistung 150 und der verwendeten Leistung 156 über die Zeit ist.

Das Verfahren 100 zieht das Verändern der Kalibrierung in Betracht, wenn sich der Parameter verändert. Sollte die Temperatur fallen, wird der Parameter verändert, der zur Ermittlung verwendet wird, wie viel Hochspannungsenergie an die Hochspannungskomponente gesendet werden soll, um diese neue Situation zu berücksichtigen. Die nachstehende Tabelle veranschaulicht den Energiebetrag, den eine spezifische Einrichtung verliert, bevor zu einer spezifischen ”angeforderten Leistung” umgeschaltet wird.

Parameter	Wert	Energieverlustschwellenwert
ESS-Zellentemperaturindex 1 (hoch)	–40	0
ESS-Zellentemperaturindex 2	–20	0,5 kWh
ESS-Zellentemperaturindex 3	–10	1 kWh
ESS-Zellentemperaturindex 4	0	2 kWh
ESS-Zellentemperaturindex 5	5	30 kWh
ESS-Zellentemperaturindex 6	10	30 kWh
ESS-Zellentemperaturindex 7	20	30 kWh
ESS-Zellentemperaturindex 8	25	30 kWh
ESS-Zellentemperaturindex 9	40	30 kWh
ESS-Zellentemperaturindex 10 (niedrig)	50	30 kWh

In der vorstehenden Kalibrierungstabelle stellt der Energieverlustschwellenwert dar, wie viel Verlust eine spezielle Hochspannungskomponente bei einem gegebenen Wert des Parameters tolerieren kann. In dem Fall, bei dem der Parameter die Temperatur ist und der Wert der Temperatur –40 beträgt, ist daher der Leistungsverlustschwellenwert 0, weil die Hochspannungskomponente keinerlei Energieverlust tolerieren kann und erfordert, dass sie solange eingeschaltet ist, wie es dauert, die spezielle Zelle zu erwärmen. Wenn die Temperatur ansteigt, kann die Hochspannungskomponente einen Leistungsverlust tolerieren, weil sie sich mit den Unterbrechungen bei der Leistungsverteilung dafür arrangieren kann, da die Bedingung (der Parameter) nicht so extrem ist. Folglich kalibriert der FEZM 64 den Bedarf aller Hochspannungskomponenten auf der Grundlage der neuen Parametermessung neu. Fachleute werden feststellen, dass der Energieverlustschwellenwert durch eine zeitabhängige Variable ersetzt werden kann, mit welcher eine Hochspannungskomponente abgeschaltet werden kann, ohne ein erfinderisches Konzept zu der Erfindung hinzuzufügen.

Nachstehend folgt eine zweite Kalibrierungstabelle. Diese Tabelle stellt den Leistungsbetrag dar, den eine spezielle Hochspannungskomponente bei verschiedenen Temperaturen benötigt. Die Kalibrierung stellt eine zweite Grenze bereit, die verhindert, dass die Kalibrierung die Leistung für eine beliebige Hochspannungskomponente zu stark begrenzt.

Parameter	Wert	Angeforderte Leistung
RESS-Zellentemperaturindex 1 (hoch)	–40	3 kW
RESS-Zellentemperaturindex 2	–20	2 kW
RESS-Zellentemperaturindex 3	–10	1 kW
RESS-Zellentemperaturindex 4	0	0,5 kW
RESS-Zellentemperaturindex 5	5	0
RESS-Zellentemperaturindex 6	10	0
RESS-Zellentemperaturindex 7	20	0
RESS-Zellentemperaturindex 8	25	0
RESS-Zellentemperaturindex 9	40	0
RESS-Zellentemperaturindex 10 (niedrig)	50	0

Das RESS stellt ein wiederaufladbares Energiespeichersystem dar, das dem vorstehend gezeigten Energiespeichersystem ähnelt. Der einzige Unterschied zwischen diesen zwei Systemen besteht darin, dass eines wiederaufladbar ist und das andere wieder füllbar ist.
Mit diesem Beispiel fortfahrend stellt 5 die Steuerungsarchitektur des FEZM 64 dar, wenn die verschiedenen Systeme des Fahrzeugs, nämlich die Fahrgastzellenheizung 34, die Energiespeicherheizung 18 und der Kompressor Leistung anfordern, um die Batterie oder die Fahrgastzelle temperaturtechnisch aufzubereiten. Der FEZM 64 nimmt die Eingaben von jedem System, das Leistung anfordert, analysiert die Parameter bezüglich jedes Systems mit den Systemkalibrierungen und bestimmt die benötigte Leistung für jede Hochspannungseinrichtung, die Leistung anfordert. Dann werden die Leistungsgrenzen berechnet und Leistung wird auf die verschiedenen Hochspannungskomponenten verteilt.
Es sollte verstanden sein, dass die vorstehende Beschreibung keine Definition der Erfindung ist, sondern eine Beschreibung einer oder mehrerer bevorzugter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die spezielle Ausführungsform bzw. die speziellen Ausführungsformen begrenzt, die hier offenbart sind, sondern stattdessen allein durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Darüber hinaus betreffen die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen spezielle Ausführungsformen und sollen nicht als Einschränkungen des Umfangs der Erfindung oder der Definition von Ausdrücken, die in den Ansprüchen verwendet werden, aufgefasst werden, außer wenn ein Ausdruck oder eine Aussage explizit vorstehend definiert ist. Fachleuten werden sich verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Veränderungen und Modifikationen an den offenbarten Ausführungsformen offenbaren. Alle derartigen weiteren Ausführungsformen, Veränderungen und Modifikationen sollen in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Die Ausdrücke ”zum Beispiel”, ”beispielsweise”, ”wie etwa” und ”wie” und die Verben ”umfassend”, ”aufweisend”, ”enthaltend” und deren weitere Verbformen sollen bei einer Verwendung in dieser Beschreibung und den Ansprüchen, wenn sie in Verbindung mit einer Aufzählung einer oder mehrerer Komponenten oder anderer Gegenstände verwendet werden, jeweils so aufgefasst werden, dass sie offen sind, was bedeutet, dass die Aufzählung nicht so aufgefasst werden darf, dass sie andere, zusätzliche Komponenten oder Gegenstände ausschließt. Andere Ausdrücke sollen so aufgefasst werden, dass deren breiteste vernünftige Bedeutung verwendet wird, sofern sie nicht in einem Kontext verwendet werden, der eine andere Interpretation erfordert.

Claims

Verfahren zum Kalibrieren des Leistungsbetrags, der an ein Fahrzeug mit Hochspannungskomponenten verteilt wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: (a) eine Leistung berechnet wird, die zum Betreiben der Hochspannungskomponenten benötigt wird; (b) ein Leistungsbetrag gemessen wird, der zum Betreiben der Hochspannungskomponenten zur Verfügung steht; (c) ermittelt wird, ob der verfügbare Leistungsbetrag kleiner als die benötigte Leistung ist; (d) ein Parameter für jede der Hochspannungskomponenten identifiziert wird; (e) eine dynamische Verteilung von Leistung auf der Grundlage des Parameters kalibriert wird, wenn der verfügbare Leistungsbetrag kleiner als der benötigte Leistungsbetrag ist, sodass die Verteilung von Leistung einen optimalen Betrieb der Hochspannungskomponente auf eine Weise aufrecht erhält, die einen Betrieb des Fahrzeugs optimiert; und (f) die dynamische Verteilung von Leistung neu kalibriert wird, wenn sich der Parameter für jede der Hochspannungskomponenten während des Betriebs des Fahrzeugs verändert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Berechnens der benötigten Leistung den Schritt umfasst, dass eine aktuelle Betriebsbedingung des Fahrzeugs definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, das den Schritt umfasst, dass jede Hochspannungskomponente identifiziert wird, die Leistung anfordert.
Verfahren nach Anspruch 3, das den Schritt umfasst, dass ein Parameter für jede der Hochspannungskomponenten und jedes Untersystem identifiziert wird, das zum Steuern jeder der Hochspannungskomponenten verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, das den Schritt umfasst, dass ein Energieverlust der Hochspannungskomponenten auf der Grundlage der Parameter kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, das den Schritt umfasst, dass eine unkalibrierte Leistung an alle Hochspannungskomponenten bereitgestellt wird, wenn der verfügbare Energiebetrag die benötigte Energie überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner den Schritt umfasst, dass der Leistungsbetrag, der an eine Hochspannungskomponente verteilt wird, erhöht wird, wenn der verfügbare Energiebetrag ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner den Schritt umfasst, dass der an eine der Hochspannungskomponenten verteilte Leistungsbetrag erhöht wird, indem der für einen Hochspannungsantriebsstrang verfügbare Leistungsbetrag verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, das den Schritt umfasst, dass der Leistungsbetrag begrenzt wird, der an eine der Hochspannungskomponenten außer einen Hochspannungsantriebsstrang geliefert wird, um die für den Hochspannungsantriebsstrang verfügbare Leistung auf der Grundlage von dynamischen Bedingungen und den Parametern zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 7, das den Schritt umfasst, dass eine Differenz zwischen dem benötigten Leistungsbetrag und dem an die Hochspannungskomponenten verteilten Leistungsbetrag gemessen wird.