DE102011013485A1 - Verfahren zum Betreiben eines Range-Extenders in einem Fahrzeug mit elektrischem Antrieb - Google Patents

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Abstract

Zum Planen des Betriebs eines Range-Extenders in einem Fahrzeug mit elektrischem Antrieb auf einer geplanten Fahrstrecke wird der Geschwindigkeitsverlauf (10) auf dieser Fahrstrecke vorausgesagt und zu dem Geschwindigkeitsverlauf (10) die maximal mögliche, von dem Verbrennungsmotor abgebbare elektrische Leistung (12) ermittelt und gleichzeitig die von dem elektrischen Antrieb abzugebende elektrische Energie (16) ermittelt. Aus der Leistung des Verbrennungsmotors und der elektrischen Energie des Antriebs lässt sich eine Kenngröße (20) bilden, deren zeitlicher Verlauf zur Definition von Zeitintervallen (36, 38, 40) dient, in denen der Range-Extender betrieben wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines zum Laden eines Energiespeichers dienenden Verbrennungsmotors in einem Fahrzeug mit einem von diesem Energiespeicher gespeisten elektrischen Antrieb auf einer geplanten Fahrstrecke.
  • Ein solcher Verbrennungsmotor wird üblicherweise als Range-Extender bezeichnet und dient herkömmlicherweise nicht zum unmittelbaren Antrieb des Fahrzeugs. Sein Betrieb dient vielmehr ausschließlich der Generierung von elektrischer Energie zur Verlängerung der Betriebsdauer des Fahrzeugs und damit zur Erhöhung der möglichen durchfahrenen Fahrstrecke.
  • Das Laden des typischerweise als Batterie ausgebildeten Energiespeichers muss zur Erhöhung der Fahrstrecke sorgfältig abgestimmt und geplant werden. Je besser man einen bestimmten Ladezustand des Energiespeichers am Fahrziel erreicht, desto effizienter ist es. Gibt man den Ladezustand am Ziel vor, dann lässt sich beispielsweise besonders viel Strom preisgünstig aus einer Steckdose laden und es wird weniger Strom teuer mit Hilfe des Range-Extenders erzeugt. Außerdem ist vorab zu berücksichtigen, dass in manchen Umweltzonen ein Betrieb des Range-Extenders nicht gestattet ist.
  • Aus der DE 10 2008 036 457 A1 ist es bekannt, einen im Schubbetrieb eines Kraftfahrzeugs betriebenen Generator vorausschauend zu betreiben, nämlich in Abhängigkeit von Eigenschaften einer voraussichtlichen Fahrtroute und/oder voraussichtlichen Verkehrsbedingungen und/oder voraussichtlichen Umgebungsbedingungen. Hier wird kein Range-Extender eingesetzt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Range-Extender möglichst optimal, insbesondere im Hinblick auf einen Sollladezustand am Ziel, zu betreiben, wenn eine Fahrstrecke vorab bekannt ist.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Das Verfahren beginnt damit, dass ein Sollladezustand, den der Energiespeicher am Fahrziel (Ziel der geplanten Fahrstrecke) haben soll, festgelegt wird.
  • Zudem wird für die geplante Fahrstrecke anhand von in einem (für die Planung der Fahrstrecke benutzten) Navigationssystem zur Verfügung stehenden Daten ein voraussichtlicher Verlauf der (Werte der) Fahrgeschwindigkeit vorhergesagt. Nun wird (bevorzugt aus dem voraussichtlichen Verlauf der Fahrgeschwindigkeit) der Verlauf der Werte der maximal möglichen, von dem Verbrennungsmotor abgebbaren elektrischen Leistung ermittelt. Unabhängig davon wird bevorzugt aus dem voraussichtlichen Verlauf der Fahrgeschwindigkeit der Verlauf der Werte der von dem elektrischen Speicher bereitzustellenden elektrischen Energie ermittelt, typischerweise also die Summe aus der von dem elektrischen Antrieb voraussichtlich aufzubringenden elektrischen Energie und die von weiteren Verbrauchern benötigten Energie ermittelt. Schließlich werden anhand der ermittelten Werte für die Leistung (Leistungswerte) und der ermittelten Werte für die Energie (Energiewerte) in der Zukunft liegende Zeitintervalle ermittelt, in denen der Verbrennungsmotor zu betreiben ist, derart, dass bei Einhaltung der voraussichtlichen Fahrgeschwindigkeit am Ziel mit einer vorbestimmten Mindestgenauigkeit der Sollladezustand des Energiespeichers erreicht wird.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es die von dem Verbrennungsmotor abgebbare elektrische Leistung einerseits ist, die bei der Planung seines Betriebs zu berücksichtigen ist, als auch andererseits die von dem elektrischen Antrieb voraussichtlich aufzubringende elektrische Energie ist, welche zu berücksichtigen ist.
  • Bevorzugt erfolgt das Ermitteln der Zeitintervalle anhand des Verlaufs einer mit den Leistungswerten und den Energiewerten gebildeten Kenngröße, wobei insbesondere der Wert für die Kenngröße zu einem bestimmten Zeitpunkt aus dem entsprechenden Leistungswert zu demselben Zeitpunkt und dem Energiewert zu demselben Zeitpunkt gebildet wird.
  • Bevorzugt ist die Kenngröße zu einem bestimmten Zeitpunkt das Produkt aus dem für diesen Zeitpunkt ermittelten Leistungswert für den Verbrennungsmotor und dem für denselben Zeitpunkt ermittelten Energiewert für den elektrischen Antrieb.
  • Wird eine solche Kenngröße, insbesondere eben dieses Produkt, verwendet, dann lässt sich an dieser Kenngröße ein bestimmtes Kriterium festmachen, durch das die Zeitintervalle definiert werden.
  • Beispielsweise lässt sich ein Schwellwert für die Kenngröße festlegen, wobei die Zeitintervalle aus denjenigen Zeitintervallen ausgewählt sind, in denen die Kenngröße in einer vorbestimmten Beziehung zum Schwellwert steht, insbesondere vom Betrag her größer als der Schwellwert ist. Der Schwellwert muss dann lediglich derart geeignet gewählt sein, dass eben bei Einhaltung der vorausgesagten Fahrgeschwindigkeit am Ziel mit der gewünschten Genauigkeit der Sollladezustand des Energiespeichers erreicht wird. Dies kann man durch Variation des Schwellwerts insbesondere numerisch berechnen. Grundsätzlich können sämtliche Zeitintervalle zusammengenommen werden, bevorzugt werden jedoch bei dem Ermitteln der Zeitintervalle auch diejenigen Zeitintervalle berücksichtigt und bei der Auswahl ausgespart, die auf Streckenabschnitten der geplanten Fahrstrecke definiert wären, auf denen der Verbrennungsmotor nicht betrieben werden soll oder darf. Beispielsweise gibt es so genannte Umweltzonen, in denen der Betrieb des Range-Extenders verboten ist.
  • Außerdem lassen sich zur Gewährleistung einer Fahrt ohne Risiko des Stehenbleibens Sollladezustände für den Energiespeicher an Zwischenzielen definieren und die Zeitintervalle entsprechend festlegen. Im obigen Fall der Festlegung eines Schwellwerts kann für entsprechende Teilstrecken jeweils ein gesonderter Schwellwert festgelegt werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind alle Werte für die maximal mögliche von dem Verbrennungsmotor abgebbare Leistung wegen einer begrenzten Anzahl von Lastpunkten für diesen Verbrennungsmotor aus einer endlichen Zahl von Werten ausgewählt. Hier wird der Tatsache Rechnung getragen, dass der Verbrennungsmotor nur bei bestimmten Lastpunkten optimal elektrische Leistung generiert, wozu eine entsprechende Ansteuerung durch ein Motorsteuergerät erfolgt.
  • Bevorzugt erfolgt in zumindest einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Rundung beziehungsweise zeitliche Mittelung von Werten, damit Extreme vermieden werden. Insbesondere bei Ermittlung der Verläufe der Leistung, die von dem Verbrennungsmotor maximal abgebbar ist, einerseits und der von dem elektrischen Antrieb aufzubringenden elektrischen Energie andererseits ist zu vermeiden, dass wegen des Auftretens von Spitzen hierin besonders kurze Zeitintervalle als vorteilhaft ermittelt werden. Durch eine Glättung kann bewirkt werden, dass die Zeitintervalle eher länger gewählt werden, damit nicht zuviel Kraftstoff durch den Verbrennungsmotor verbraucht wird.
  • Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, in der
  • 1 einen vorhergesagten Geschwindigkeitsverlauf für ein Fahrzeug mit elektrischem Antrieb und Range-Extender zeigt,
  • 2 zu diesem Geschwindigkeitsverlauf unter Berücksichtigung einer Umweltzone die maximal mögliche, von dem Range-Extender aufbringbare Leistung zeigt,
  • 3 die bei dem Geschwindigkeitsverlauf gemäß 1 von dem elektrischen Antrieb des Fahrzeugs aufzubringende Leistung zeigt und
  • 4 zu dieser Leistung aus 3 die aufzubringende Energie zeigt,
  • 5 das Produkt aus der in 4 gezeigten von der elektrischen Maschine aufzubringenden Energie mit der von dem Range-Extender aufbringbaren Leistung gemäß 2 als Kenn- oder Bewertungsgröße,
  • 6 die Größe aus 5 nach einer Glättung,
  • 7 das Definieren von Zeitintervallen anhand der Größe aus 6 bei Setzen eines Grenzwerts auf einen ersten Wert,
  • 8 zu diesen Zeitintervallen die von dem Range-Extender aufgebrachte Leistung und
  • 9 die bei Aufbringen der Leistung gemäß 8 geladene Energie im Vergleich zu der zu ladenden Energie,
  • 10 das Definieren von Zeitintervallen anhand der Größe aus 6 bei Setzen eines Grenzwerts auf einen zweiten Wert,
  • 11 zu diesen Zeitintervallen die von dem Range-Extender aufgebrachte Leistung,
  • 12 die bei Aufbringen der Leistung gemäß 11 geladene Energie im Vergleich zu der zu ladenden Energie.
  • In an sich bekannter Weise, vergleiche zum Beispiel die nach dem Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung veröffentlichte DE 10 2010 047 080.5 , lässt sich bei Eingabe eines Fahrziels in das Navigationssystem eine Fahrstrecke planen und zu dieser Fahrstrecke anhand von Informationen über Steigungen der Fahrbahn, Geschwindigkeitsbeschränkungen etc. ein voraussichtlicher Geschwindigkeitsverlauf gemäß der Kurve 10 in 1 vorhersagen, d. h. es lassen sich Werte für die voraussichtliche Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der während der geplanten Fahrt verstreichenden Zeit berechnen.
  • Bei einer Teilstrecke soll hierbei eine Umweltzone durchfahren werden.
  • Vorliegend soll ein Elektrofahrzeug, also ein Fahrzeug mit elektrischem Antrieb, das über einen so genannten Range-Extender verfügt, also eine Brennkraftmaschine, die einen Energiespeicher des Elektrofahrzeugs während der Fahrt oder zuvor lädt, die geplante Fahrstrecke fahren. Der Range-Extender soll vorliegend bei ganz bestimmten Lastpunkten betreibbar sein. Dies drückt sich darin aus, dass die Werte für die zulässige Leistung PRE,zulässig,begrenzt diskretisiert sind. 2 zeigt in Kurve 12 den Verlauf dieser Werte während der geplanten Fahrt. Zu beachten ist, dass im Bereich der Umweltzone der Range-Extender gar nicht betrieben werden darf.
  • Zu dem Geschwindigkeitsverlauf aus 1 lässt sich zudem die Kurve 14 ermitteln, die die Leistung PEM,positiv veranschaulicht, welche von der elektrischen Maschine des Fahrzeugs aufzubringen ist. Zu der Leistung gemäß Kurve 14 lässt sich dann die Energie EEM,positiv gemäß Kurve 16 berechnen. Nun multipliziert man für jeden Zeitpunkt des Zeitstrahls während der Fahrt den jeweiligen Wert aus der Kurve 12 mit dem jeweiligen Wert aus der Kurve 16. Dies soll vorliegend ein Kennwert oder ein Bewertungswert sein, die Bewertungsgröße ist somit EEM,positiv × PRE,zulässig,begrenzt und hat den zeitlichen Verlauf gemäß der Kurve 18. Nach einer Glättung ergibt sich der zeitliche Verlauf gemäß der Kurve 20 in 6. Die Bewertungsgröße wird hierbei auf Eins normiert.
  • Anhand der Bewertungsgröße versucht man nun Zeitintervalle festzulegen: Es wird ein Grenzwert gesetzt, und für alle Zeiten, bei denen der Wert für die Bewertungsgröße oberhalb des Grenzwerts liegt, soll der Range-Extender betrieben werden. Für einen ersten Grenzwert ist dies in 7 veranschaulicht, man erhält Zeitintervalle 22, 24, 26, 28, 30, während derer der Range-Extender betrieben wird. Anhand von Kurve 8 ist zu ersehen, dass der Range-Extender meistens dann betrieben wird, wenn seine Leistung PRE maximal ist. Dies bedeutet nicht umgekehrt, dass bei maximal möglicher Leistung des Range-Extenders dieser auch betrieben wird, denn in die Bewertungsgröße geht auch die von der elektrischen Maschine aufzubringende elektrische Energie ein, die gleichzeitig groß sein muss.
  • 9 zeigt nun, wie bei Betrieb des Range-Extenders während der Zeitintervalle 22, 24, 26, 28 und 30 ein Energiespeicher des Elektrofahrzeugs geladen wird, siehe die Kurve 32. Der Vergleichswert, der am Ziel erreicht werden soll, entspricht der Kurve 34. Bei Setzen des Grenzwerts gemäß 7 erhält man somit lediglich eine Ladung von 27% des gewünschten Werts.
  • Man verschiebt nun die Grenze solange nach unten, bis man immer mehr oder immer längere Zeitintervalle des Betriebs des Range-Extenders erhält, siehe in 10 die Zeitintervalle 36, 38, 40 etc. 11 zeigt, wie oft der Range-Extender dann betrieben wird, und 12 zeigt nun die Kurve 42, dergemäß der gewünschte Ladungszustand genau am Ende der Fahrt erreicht wird.
  • Man kann somit einen Ladezustand vorgeben und zu der Bewertungsgröße einen Grenzwert derart festlegen, dass genau der gewünschte Ladezustand am Ende der Fahrt erreicht wird, sofern es vorliegend überhaupt eine Lösung gibt. Durch das Vorgehen gemäß dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich eine hohe Präzision bei der Erreichung von Zielwerten für den Ladezustand des Speichers für elektrische Energie erreichen. Der Betrieb des Range-Extenders wird vollständig vorab geplant, und zwar anhand des Geschwindigkeitsverlaufs 10. Gegebenenfalls kann nachträglich noch eine Korrektur erfolgen, indem das Verfahren nochmals für die jeweils verbleibende Fahrstrecke durchgeführt wird und der jeweils tatsächlich erreichte Ladezustand bei der Festlegung des Grenzwerts und damit der Zeitintervalle berücksichtigt wird. Genauso kann bereits vorab die geplante Fahrstrecke in Teilstrecken eingeteilt werden, an deren jeweiligem Ende (Zwischenziel) je ein Sollladezustand für den Energiespeicher festgelegt wird. Das Verfahren wird dann für jede Teilstrecke einzeln durchgeführt bzw. zunächst für die Gesamtstrecke durchgeführt, dann auf die Erfüllung der Sollladezustände geprüft und gegebenenfalls eine Korrektur im Schwellwert lokal vorgenommen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008036457 A1 [0004]
    • DE 102010047080 [0030]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben eines zum Laden eines Energiespeichers dienenden Verbrennungsmotors in einem Fahrzeug mit einem von dem Energiespeicher gespeisten elektrischen Antrieb auf einer geplanten Fahrstrecke, bei dem a) ein Sollladezustand festgelegt wird, den der Energiespeicher am Ziel der geplanten Fahrstrecke haben soll, b) für die geplante Fahrstrecke anhand von in einem Navigationssystem zur Verfügung stehenden Daten ein voraussichtlicher Verlauf (10) der Fahrgeschwindigkeit vorhergesagt wird, c) der voraussichtliche Verlauf (12) der Werte der maximal möglichen, von dem Verbrennungsmotor abgebbaren elektrischen Leistung ermittelt wird, d) aus dem voraussichtlichen Verlauf der Fahrgeschwindigkeit der Verlauf (16) der Werte der von dem Energiespeicher voraussichtlich bereitzustellenden elektrischen Energie ermittelt wird, e) anhand der in Schritt c) ermittelten Leistungswerte und der in Schritt d) ermittelten Energiewerte Zeitintervalle (36, 38, 40) ermittelt werden, in denen der Verbrennungsmotor betrieben wird derart, dass bei Einhaltung der vorausgesagten Fahrgeschwindigkeit am Ziel mit einer vorbestimmten Mindestgenauigkeit der Sollladezustand des Energiespeichers erreicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitintervalle (36, 38, 40) anhand des Verlaufs (20) einer mit den in Schritt c) ermittelten Leistungswerten und den in Schritt d) ermittelten Energiewerten gebildeten Kenngröße ermittelt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße das Produkt der in Schritt c) ermittelten Leistungswerte mit dem jeweiligen in Schritt d) ermittelten Energiewert ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwellwert für die Kenngröße festgelegt wird, wobei die Zeitintervalle (36, 38, 40) aus denjenigen Zeitintervallen ausgewählt sind, in denen die Kenngröße in einer vorbestimmten Beziehung zum Schwellwert steht, insbesondere vom Betrag her größer als der Schwellwert ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Ermitteln der Zeitintervalle (36, 38, 40) berücksichtigt wird, wenn auf Streckenabschnitten der geplanten Fahrstrecke der Verbrennungsmotor nicht betrieben werden soll oder darf.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Ermitteln der Zeitintervalle (36, 38, 40) ein Sollladezustand des Energiespeichers für Zwischenziele berücksichtigt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6 in dessen Rückbezug auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die geplante Fahrstrecke in Teilstrecken eingeteilt wird, deren Ziel je eines der Zwischenziele ist, und dass zu jeder Teilstrecke ein gesonderter Schwellwert festgelegt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für die maximal mögliche, von dem Verbrennungsmotor abgebbare Leistung aus einer endlichen Zahl von Werten ausgewählt sind.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der voraussichtliche Verlauf (12) der Werte der maximal möglichen, von dem Verbrennungsmotor abgebbaren elektrischen Leistung aus dem voraussichtlichen Verlauf (10) der Fahrgeschwindigkeit ermittelt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Energiespeicher bereitzustellenden Energie die Summe aus der von dem elektrischen Antrieb benötigten Energie und von weiteren Verbrauchern benötigten Energie ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Schritt eine Mittelung von Werten erfolgt.
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