DE102011081817A1

DE102011081817A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011081817A1
Application number: DE102011081817A
Authority: DE
Inventors: Urs Christen; Engbert Spijker; Thomas Rambow
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-02-28
Also published as: CN102963264B; CN102963264A; US20130054072A1; US9878702B2

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Kraftfahrzeugs mit einer wiederaufladbaren Batterie und einem Generator zum Aufladen der Batterie wird eine Ladeakzeptanz ΔQΔt der Batterie ermittelt und in Abhängigkeit von der Ladeakzeptanz ΔQΔt ein erster Lademodus, in dem der Generator zum Aufladen der Batterie durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird, oder ein zweiter Lademodus, in dem der Generator zum Aufladen der Batterie durch eine vortriebslose Fahrbewegung des Kraftfahrzeugs angetrieben wird, gewählt. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechend eingerichtetes Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Kraftfahrzeugs mit einer wiederaufladbaren Batterie und einem Generator zum Aufladen der Batterie sowie ein zur Durchführung des Verfahrens eingerichtetes Kraftfahrzeug.
In Kraftfahrzeugen dienen Batterien zur elektrischen Energiespeicherung. Die Batterien liefern Energie zum Starten eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs ebenso wie für weitere Verbraucher, die beim Stillstand des Verbrennungsmotors betrieben werden müssen, sowie zusätzliche elektrische Energie für Verbraucher beim Betrieb des Verbrennungsmotors. Die Batterien werden durch einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen Generator aufgeladen.
Um Kraftstoff zu sparen, ist es bekannt, durch eine entsprechende Steuerung des Generators beim Bremsen des Kraftfahrzeugs die Batterien durch Rückgewinnung (Rekuperation) der beim Bremsen umgesetzten kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs aufzuladen, d.h. kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Hierfür sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, die eine optimale Nutzung der Batterie und eine optimale Rückgewinnung der Energie gewährleisten sollen. Insbesondere sind Batterieüberwachungssysteme (battery monitoring system, BMS) entwickelt worden, die den aktuellen Ladezustand (state of charge, SOC), d.h. den Anteil der aktuell maximal speicherbaren Ladung, der tatsächlich aktuell gespeichert ist, und die aktuelle Ladekapazität (state of health, SOH), d.h. den Anteil der Sollkapazität der Batterie, der aktuell genutzt werden kann, ermitteln, um diese für die Steuerung der Aufladung der Batterie zu verwenden.
In vielen Fällen ist zur Bestimmung des aktuellen Ladezustands SOC eine zeitliche Integration des geflossenen Stroms ausreichend, wobei gelegentlich eine Rücksetzung auf einen auf andere Weise ermittelten Wert erfolgen sollte. Die verfügbare Ladekapazität SOH sinkt im Laufe der Lebensdauer der Batterie ab. Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands SOC und der Ladekapazität SOH im Rahmen eines Batterieüberwachungssystems sind beispielsweise aus DE 10 2006 001 201 B4 , DE 10 2007 050 346 A1 und DE 10 2008 034 461 A1 bekannt.
Aus der nicht gattungsgemäßen DE 41 24 496 A1 ist es bekannt, dass eine für Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antrieb vorgesehene Bremsanlage in Form eines mehrkreisigen Verbundbremsensystems ausgebildet ist, das auf die angetriebenen bzw. auf die nicht angetriebenen Räder wirkende Reibungsbremsen sowie ein mit dem Bremspedal direkt oder indirekt gekoppeltes, auf die angetriebenen Räder wirkendes elektro-regeneratives Bremsensystem umfasst. Die Betätigung der Radbremsen und die Bremskraftverteilung auf Vorderachse und Hinterachse werden mit Hilfe eines elektronischen Reglers gesteuert. Dem Regler werden neben den die Stellung des Bremspedals wiedergebenden Signalen die Fahrzeuggeschwindigkeit, das Zuladevermögen der Batterie und die Informationen eines Gaspedalstellungsgebers zugeführt. Hieraus berechnet der Regler die Steuerdaten für die Ansteuerelektronik des elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs, der zur Zurückgewinnung von Energie als Generator geschaltet werden kann, sowie den Beitrag, den die Reibungsbremsen aufbringen müssen. Das Zuladevermögen wird dabei mit dem Ladezustand der Batterie gleichgesetzt.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass weder der Ladezustand SOC noch die Ladekapazität SOH ausreichend sind, um eine verbrauchsoptimale Steuerung eines Ladevorgangs einer wiederaufladbaren Batterie eines Kraftfahrzeugs der eingangs genannten Art zu ermöglichen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Kraftfahrzeugs mit einer wiederaufladbaren Batterie und einem Generator zum Aufladen der Batterie bereitzustellen, wobei das Aufladen der Batterie in einer hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimierten Weise erfolgt. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zur Durchführung des Verfahrens eingerichtetes Kraftfahrzeug anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs sowie durch ein Kraftfahrzeug wie in den Ansprüchen 1 und 9 angegeben gelöst.
Ein Kraftfahrzeug, auf das sich das erfindungsgemäße Verfahren bezieht, weist einen Verbrennungsmotor auf, der zum Antrieb des Kraftfahrzeugs dient, und umfasst weiterhin eine wiederaufladbare Batterie und einen Generator. Der Generator ist zum Aufladen der Batterie ausgebildet und kann ferner zum Versorgen elektrischer Verbraucher des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie vorgesehen sein. Der Generator ist durch den Verbrennungsmotor antreibbar und kann hierfür, ggf. über eine Kupplung, mit dem Verbrennungsmotor verbunden sein. Der Generator ist ferner durch eine Fahrbewegung des Kraftfahrzeugs antreibbar. Ein solcher Antrieb des Generators durch eine Fahrbewegung des Kraftfahrzeugs kann insbesondere dadurch erfolgen, dass der Verbrennungsmotor mit einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs und der Generator mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist; wenn der Verbrennungsmotor kein Vortriebsmoment erzeugt und das Kraftfahrzeug somit eine vortriebslose Fahrbewegung ausführt, wird der Generator durch die Fahrbewegung angetrieben. Insbesondere ist eine Ausgangsspannung des Generators, die dieser erzeugt, wenn er angetrieben wird, derart steuerbar, dass die Batterie aufgeladen wird. Der Generator kann auch als Startergenerator ausgebildet sein.
Die Batterie kann insbesondere ein Bleiakkumulator sein. Eine solche Batterie wird auch als Blei-Säure-Akkumulator bezeichnet und kann beispielsweise mit Säure in ungebundener Form gefüllt sein (flooded), in die die Blei-Elektroden eintauchen, oder durch ein Vlies aus Glasfasern gebundene Säure enthalten (absorptive glass mat, AGM). Prinzipiell ist die Erfindung aber auch für andere Typen wiederaufladbarer Batterien geeignet.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass für eine verbrauchsoptimale Steuerung der Aufladung der Batterie eines durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Kraftfahrzeugs mit Hilfe eines Generators des Kraftfahrzeugs eine Kenntnis der Ladeakzeptanz erforderlich ist. Unter Ladeakzeptanz wird der maximale momentane Ladestrom I_CA,inst verstanden, der von der Batterie zum gegebenen Zeitpunkt aufgenommen werden kann, bzw. der maximale durchschnittliche Ladestrom I_CA,avg, der von der Batterie im Durchschnitt über ein gegebenes kurzes Zeitintervall Δt aufgenommen werden kann. Als Maß für die Ladeakzeptanz kann auch die maximale Ladung ΔQ_Δt verwendet werden, die von der Batterie im Zeitintervall Δt aufgenommen werden kann. Das Zeitintervall Δt hat bevorzugt eine Länge, die in der Größenordnung der Dauer von Fahrvorgängen liegt, die für das Aufladen der Batterie relevant sind, wie etwa Bremsvorgängen oder vortriebslosem Rollen des Kraftfahrzeugs. Δt kann beispielsweise 10 s betragen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "Ladeakzeptanz" im Sinne der maximalen Ladung ΔQ_Δt verwendet, die von der Batterie im Zeitintervall Δt aufgenommen werden kann. In der Regel ist die Angabe des maximalen durchschnittlichen Ladestroms I_CA,avg oder auch des maximalen momentanen Ladestroms I_CA,inst jedoch gleichwertig.
Die Ladeakzeptanz hängt insbesondere bei den bei Kraftfahrzeugen weit verbreiteten Bleiakkumulatoren von einer Vielzahl von Parametern ab, die beispielsweise mit vorherigen Ladungs- und Entladungsphasen zusammenhängen, und ist in der Regel nicht alleine aus dem Ladezustand SOC und/oder der Ladekapazität SOH zu ermitteln. Ein Verfahren zur Ermittlung der Ladeakzeptanz ist insbesondere aus der deutschen Patentanmeldung 10 2011 079 469.7 bekannt, die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Erfindungsgemäß wird eine Ladeakzeptanz ΔQ_Δt der Batterie ermittelt und in Abhängigkeit von der ermittelten Ladeakzeptanz ein erster Lademodus gewählt, in dem der Generator zum Aufladen der Batterie durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird, oder ein zweiter Lademodus, in dem der Generator zum Aufladen der Batterie nur oder überwiegend durch eine vortriebslose Fahrbewegung des Kraftfahrzeugs angetrieben wird. Im ersten Lademodus kann der Generator angesteuert werden, so dass ein kontinuierliches Aufladen der Batterie erfolgt. Im zweiten Lademodus erfolgt kein kontinuierliches Aufladen der Batterie, sondern nur oder zumindest überwiegend in vortriebslosen Phasen, d.h. beim vortriebslosen Rollen oder beim Bremsen des Kraftfahrzeugs. Im zweiten Lademodus erfolgt somit in bestimmten Fahrsituationen kein Aufladen der Batterie. Insbesondere kann es im zweiten Lademodus vorgesehen sein, dass der Generator nicht zum Aufladen der Batterie angesteuert wird, solange der Verbrennungsmotor ein Vortriebsmoment erzeugt bzw. das Gaspedal des Kraftfahrzeugs betätigt wird, und dass mit dem Aufladen solange abgewartet wird, bis eine vortriebslose Fahrsituation auftritt.
Dadurch, dass in Abhängigkeit von einer Ladeakzeptanz der Batterie der erste oder der zweite Lademodus gewählt wird, kann sichergestellt werden, dass eine Aufladung der Batterie in einer derartigen Weise erfolgt, dass die zur Verfügung gestellte elektrische Leistung bzw. Ladung von der Batterie tatsächlich aufgenommen werden kann und dass eine Aufladung unter Zuhilfenahme des Verbrennungsmotors nur dann erfolgt, wenn dies aufgrund der ermittelten Ladeakzeptanz der Batterie erforderlich ist. Ein Kraftstoff-Mehrverbrauch durch Aufladen der Batterie kann somit in vielen Fällen vermieden werden und das Aufladen weitgehend oder allein durch Rückgewinnung von kinetischer oder potentieller Energie aus der Fahrbewegung des Kraftfahrzeugs erfolgen. Hierdurch ist ein verbrauchsoptimierter Betrieb des Kraftfahrzeugs möglich. Dies gilt insbesondere für Mikro-Hybrid-Fahrzeuge, d.h. für Kraftfahrzeuge mit Stopp-/Start-Funktionalität.
In bevorzugter Weise wird bei einem ersten Wert der Ladeakzeptanz der erste Lademodus gewählt und bei einem zweiten, im Vergleich zum ersten höheren Wert der Ladeakzeptanz der zweite Lademodus gewählt. Insbesondere kann ein erster Schwellwert der Ladeakzeptanz vorgebbar sein, wobei der erste Lademodus gewählt wird, wenn die ermittelte Ladeakzeptanz unterhalb des ersten Schwellwerts liegt, und der zweite Lademodus gewählt wird, wenn die ermittelte Ladeakzeptanz oberhalb des ersten Schwellwerts liegt. Somit erfolgt bei einer niedrigen Ladeakzeptanz ein Aufladen der Batterie durch den Verbrennungsmotor, insbesondere ein kontinuierliches Aufladen, und bei einer höheren Ladeakzeptanz ein Aufladen der Batterie bei einer vortriebslosen Fahrbewegung, d.h. durch Rückgewinnung kinetischer oder potentieller Energie des Kraftfahrzeugs. Da insbesondere Bremsvorgänge nur über kurze Zeiträume andauern, ist eine Aufladung der Batterie durch Rückgewinnung kinetischer Energie beim Bremsen nur dann effektiv, wenn eine hohe Ladeakzeptanz zur Verfügung steht. Weist die Batterie andererseits, beispielsweise aufgrund von Alterung, nur eine niedrige Ladeakzeptanz auf, ist eine Aufladung durch Antrieb des Generators mit Hilfe des Verbrennungsmotors notwendig. Hierdurch ist ein hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs weiter optimiertes Aufladen der Batterie erreichbar.
Insbesondere kann es in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass ein zweiter Schwellwert für die Ladeakzeptanz vorgebbar ist, der größer ist als der erste Schwellwert. In dem Fall, dass die ermittelte Ladeakzeptanz zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert liegt, wird der Generator nur oder überwiegend bei einer vortriebslosen Fahrbewegung des Kraftfahrzeugs, beispielsweise bei jeder vortriebslosen Fahrbewegung, zum Aufladen der Batterie angesteuert. In dem Fall, dass die ermittelte Ladeakzeptanz oberhalb des zweiten Schwellwerts liegt, wird der Generator nur bei einer Betätigung einer Betriebsbremse des Kraftfahrzeugs zur Aufladung der Batterie angesteuert. Hierdurch wird erreicht, dass in einem mittleren Bereich der Ladeakzeptanz ein Aufladen nicht nur beim Bremsen des Kraftfahrzeugs, sondern auch beim vortriebslosen Rollen erfolgt. Die Batterie wird somit immer dann geladen, wenn das Kraftfahrzeug eine Fahrbewegung ausführt, ohne dass der Verbrennungsmotor ein Vortriebsmoment erzeugt, d.h., wenn der Fahrer das Gaspedal nicht betätigt. Hierbei wird zwar die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs bzw. die vortriebslos zurücklegbare Strecke durch Entnahme von Bewegungsenergie reduziert, dies ist jedoch nicht in jedem Fall unerwünscht und führt somit zu keinem oder nur zu einem geringen Mehrverbrauch. Weist die Ladeakzeptanz hingegen einen hohen Wert auf, so erfolgt ein Aufladen der Batterie und somit eine Entnahme von kinetischer Energie nur beim Bremsen des Kraftfahrzeugs, d.h. dann, wenn der Fahrer die kinetische Energie sowieso reduzieren will, so dass in diesem Fall kein Kraftstoff-Mehrverbrauch auftritt. Auf diese Weise ist hinsichtlich des Aufladens der Batterie eine besonders verbrauchsoptimierte Betriebsweise des Kraftfahrzeugs erreichbar.
Die Ladeakzeptanz ΔQ_Δt kann insbesondere kontinuierlich bzw. in kurzen Zeitintervallen ermittelt werden, die beispielsweise der Dauer typischer Bremsvorgänge entsprechen können, etwa in Intervallen von ca. 10 s. Die Ladeakzeptanz stellt somit bevorzugt die jeweils aktuelle Ladeakzeptanz der Batterie dar. Hierdurch ist zu jeden Zeitpunkt eine verbrauchsoptimierte Betriebsweise des Kraftfahrzeugs erreichbar.
In bevorzugter Weise wird ein Ladezustand SOC der Batterie ermittelt und bei der Wahl des Lademodus berücksichtigt. Insbesondere kann bei einem niedrigen Ladezustand oder einer niedrigen Ladeakzeptanz ΔQ_Δt der Batterie der erste Lademodus gewählt werden, während bei einem mittleren Ladezustand und einer mittleren Ladeakzeptanz der zweite Lademodus gewählt wird, wobei ein Aufladen der Batterie beim vortriebslosen Fahren, d.h. sowohl beim Rollen als auch beim Bremsen erfolgt. In den übrigen Fällen, insbesondere bei einem hohen Ladezustand und einer hohen Ladeakzeptanz, wird der Generator nur beim Betätigen der Betriebsbremse zum Aufladen der Batterie angesteuert. Dabei können auch für den Ladezustand ein oder mehrere Schwellwerte vorgebbar sein. Bevorzugt wird auch der Ladezustand der Batterie kontinuierlich oder in kurzen Intervallen ermittelt. Eine gemeinsame Berücksichtigung des Ladezustands und der Ladeakzeptanz der Batterie ermöglicht eine weiter verbrauchsoptimierte Steuerung des Aufladens der Batterie.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass dann, wenn der Ladezustand SOC der Batterie einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet, die Batterie entladen wird. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Batterie stets einen optimalen Ladezustand aufweist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Ladedringlichkeitsmaß urg in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC und der Ladeakzeptanz ΔQ_Δt der Batterie ermittelt sowie ein Lademöglichkeitsmaß opp in Abhängigkeit von einem Vortriebsmoment T_prp des Verbrennungsmotors und einem Bremsdruck p_brk in einem Bremssystem bzw. einer Bremsleitung des Kraftfahrzeugs. Insbesondere ist das Ladedringlichkeitsmaß urg eine vorbestimmte Funktion des Ladezustands SOC und der Ladeakzeptanz ΔQ_Δt urg = f(SOC, ΔQ_Δt) und das Lademöglichkeitsmaß opp eine vorbestimmte Funktion des Vortriebsmoments T_prp und des Bremsdrucks p_brk opp = g(T_prp, p_brk)
Die Funktionen f(SOC, ΔQ_Δt) und g(T_prp, p_brk) können beispielsweise als Kennfelder oder als Lookup-Tabellen in einem Speichermittel implementiert sein. Der Generator wird dann zum Aufladen der Batterie angesteuert und ein Ladevorgang eingeleitet, wenn das Ladedringlichkeitsmaß urg größer als das Lademöglichkeitsmaß opp ist. Andernfalls wird das Kraftfahrzeug im Normalbetrieb betrieben, d.h. der Generator wird nicht zur Aufladung der Batterie angesteuert. Bevorzugt werden die Eingangsgrößen der genannten Funktionen kontinuierlich oder in kurzen Intervallen bestimmt bzw. ausgewertet. Hierdurch ist eine weitere Verbesserung der verbrauchs-optimierten Steuerung von Ladevorgängen erreichbar.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Generator derart angesteuert wird, dass die zeitliche Änderungsrate der Ausgangsspannung des Generators einen Maximalwert nicht überschreitet. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Fahrer des Kraftfahrzeugs nicht durch mit Änderungen der Ausgangsspannung des Generators verbundene Helligkeitsschwankungen von Scheinwerfern oder anderen Lampen bzw. Geschwindigkeitsschwankungen von elektrisch betriebenen Motoren irritiert wird.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug, das einen zum Antreiben des Kraftfahrzeugs angeordneten Verbrennungsmotor, eine wiederaufladbare Batterie und einen Generator zum Aufladen der Batterie umfasst, umfasst weiterhin eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung des Generators zum Aufladen der Batterie, wobei die Steuerungseinrichtung zum Ermitteln einer Ladeakzeptanz ΔQ_Δt der Batterie und zum Ansteuern des Generators zum Aufladen der Batterie in Abhängigkeit von der Ladeakzeptanz ausgebildet ist. Die Steuerungseinrichtung kann hierfür Prozessormittel zum Ermitteln der Ladeakzeptanz und zum Wählen eines Lademodus sowie Speichermittel zum Speichern der Kennfelder bzw. Lookup-Tabellen zum Ermitteln des Ladedringlichkeitsmaßes urg und des Lademöglichkeitsmaßes opp umfassen. Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung und das Kraftfahrzeug insgesamt derart eingerichtet, dass das Kraftfahrzeug gemäß dem oben beschriebenen Verfahren betreibbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
2 ein Beispiel für Kennfelder bzw. Lookup-Tabellen zur Ermittlung des Ladedringlichkeitsmaßes urg und des Lademöglichkeitsmaßes opp.
Bei dem in 1 als Ablaufdiagramm schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst die für die Durchführung des Verfahrens notwendigen Daten ermittelt und zur Verfügung gestellt, insbesondere die Batteriespannung U_batt, der Batteriestrom I_batt, der Ladezustand SOC und die Ladeakzeptanz ΔQ_Δt der Batterie sowie das vom Verbrennungsmotor erzeugte Vortriebsmoment T_prp und der Bremsdruck p_brk. Diese Werte werden insbesondere kontinuierlich bzw. in im Verhältnis zu den Ladevorgängen kurzen Zeitintervallen ermittelt und stellen somit die jeweils aktuellen Betriebsgrößen dar. Die Batteriespannung U_batt, der Batteriestrom I_batt und der Bremsdruck p_brk können dabei direkt bzw. durch Sensoren ermittelt werden. Das Vortriebsmoment T_prp des Verbrennungsmotors kann beispielsweise aus der aktuellen Gaspedalstellung, ggf. unter Zuhilfenahme eines rechnerischen Modells des Verbrennungsmotors bzw. eines Kennfelds unter Einbeziehung weiterer Größen, wie etwa der momentanen Drehzahl des Verbrennungsmotors, ermittelt werden. Zur Ermittlung des aktuellen Ladezustands SOC der Batterie kann beispielsweise ein an sich bekanntes Batterieüberwachungssystem eingesetzt werden.
Die aktuelle Ladeakzeptanz ΔQ_Δt kann beispielsweise aus einem Modell der Batterie ermittelt werden, bei dem die Batterie rechnerisch in eine vorgegebene Anzahl von Abteilungen i aufgeteilt wird, die nicht den physikalischen Zellen bzw. Platten der Batterie entsprechen müssen. Die Eingangsgrößen des Modells sind der Batteriestrom I_batt, die gemessene Spannung der Batterie U_batt,meas, die Ladespannung U_ch, der etwa aus einem Batterieüberwachungssystem ermittelte Ladezustand SOC der Batterie, die Ladekapazität SOH der Batterie und die Temperatur ϑ der Batterie. Für die Ladeakzeptanz ergibt sich in zusammenfassender vektorieller Schreibweise:
wobei R_i und C_i die Widerstände bzw. Kapazitäten der Abteilungen i der Batterie sind. Insbesondere die Widerstandswerte R_i sind temperaturabhängig. B, C_avg und D_avg sind Zustandsmatrizen, die von C ~i, R_i und Δt abhängen. U_min ist die Batteriespannung in einem offenen Schaltkreis bei vollständig entladener Batterie; U_max ist die entsprechende Spannung bei vollständig geladener Batterie. H_SOC und H_U sind Rückkopplungsfaktoren zur Korrektur von SOC und U_batt.
Als Ergebnis ergibt sich im Sinne des maximal aufnehmbaren Ladestroms die momentane Ladeakzeptanz I_CA,inst sowie die durchschnittliche Ladeakzeptanz I_CA,avg, woraus die Ladeakzeptanz in dem in der vorliegenden Erfindung verwendeten Sinne der im Zeitintervall Δt maximal aufnehmbaren Ladung gemäß ΔQ_Δt = I_CA,avgΔt berechnet werden kann.
Aus den im vorigen Schritt ermittelten Eingangsgrößen werden sodann ein Ladedringlichkeitsmaß urg = f(SOC, ΔQ_Δt) und ein Lademöglichkeitsmaß opp = g(T_prp, p_brk) ermittelt. Diese können beispielsweise dimensionslose Größen mit Werten im Bereich zwischen 0 und 1 sein, die einerseits die Dringlichkeit des Aufladens der Batterie sowie andererseits die aufgrund der aktuellen Fahrgrößen bewertete Möglichkeit bzw. Gelegenheit eines Aufladens der Batterie angeben. Die betreffenden Funktionen können beispielsweise als vorbestimmte Kennfelder bzw. Lookup-Tabellen in einer Steuerungseinrichtung gespeichert sein. Beispiele für derartige Funktionen sind in 2 in dreidimensionaler Darstellung (oben) bzw. in Höhenliniendarstellung (unten; dabei sind jeweils Höhenlinien in Intervallen von 0,1 dargestellt) gezeigt. In den linken beiden Darstellungen ist für jeden Wert von ΔQ_Δt und SOC ein Wert des Ladedringlichkeitsmaßes urg zwischen 0 und 1 ablesbar. Ebenso ist in den rechten Darstellungen für jeden Wert des Bremsdrucks p_brk und des Vortriebsmoments T_prp ein Wert des Lademöglichkeitsmaßes zwischen 0 und 1 ablesbar.
Die auf diese Weise ermittelten Werte des Ladedringlichkeitsmaßes urg und des Lademöglichkeitsmaßes opp werden im nächsten Schritt miteinander verglichen. Ist das Ladedringlichkeitsmaß urg nicht größer als das Lademöglichkeitsmaß opp, so wird das Kraftfahrzeug im Normalbetrieb betrieben. Im Normalbetrieb wird zunächst festgestellt, ob der Ladezustand SOC der Batterie einen Schwellwert SOC_thresh überschreitet und ob der Verbrennungsmotor sich im Stillstand befindet.
Ist keine der beiden Bedingungen erfüllt, so wird die Ausgangsspannung U_gen des Generators derart geregelt, dass der Batteriestrom I_batt = 0 ist. Dies bedeutet, dass die elektrische Energie, die von den elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs benötigt wird, alleine vom Generator geliefert wird und die Batterie weder aufgeladen noch entladen wird.
Ist andererseits eine der beiden Bedingungen erfüllt, so wird die Batterie entladen. Liegt die Generatorspannung über einer Mindestspannung U_min, bei der die Batterie entladen wird, wird die Generatorspannung U_gen reduziert. Dies geschieht insbesondere mit der maximalen Änderungsgeschwindigkeit, bei der ein Fahrer des Kraftfahrzeugs noch keine Veränderung der Helligkeit von Lampen oder der Geschwindigkeit von Elektromotoren bemerkt.
Wenn andererseits der aktuelle Wert des Ladedringlichkeitsmaßes urg größer als der des Lademöglichkeitsmaßes opp ist, so wird die Batterie aufgeladen. Hierfür wird zunächst die Maximalspannung U_ch,max ermittelt, mit der die Batterie aktuell aufgeladen werden kann, ebenso wie der maximale Strom I_max, der für das Aufladen der Batterie eingesetzt werden kann; dieses ist die Differenz zwischen dem maximalen Strom, den der Generator liefern kann, und dem gesamten Strombedarf der elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs. Im nächsten Schritt wird festgestellt, ob die Batteriespannung U_batt und der Batteriestrom I_batt unterhalb der genannten Grenzen liegen. Ist dies der Fall, so wird die Ausgangsspannung U_gen des Generators erhöht, insbesondere mit der maximal zulässigen Geschwindigkeit, so dass dies für den Fahrer durch das Verhalten der elektrischen Verbraucher nicht bemerkbar ist. Ist dies nicht der Fall, so wird die Ausgangsspannung U_gen des Generators erniedrigt; die Generatorspannung schwankt somit in einem schmalen Bereich um die genannten Grenzwerte.
Ein Generator in einem Personenkraftwagen ist üblicherweise in der Lage, etwa 2,0–2,5 kW elektrische Leistung zu liefern. Würde diese Leistung von dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs erzeugt, so würde dies zu einem Mehrverbrauch an Kraftstoff führen. Erfindungsgemäß wird die entsprechende Leistung aus der kinetischen bzw. potentiellen Energie des Fahrzeugs entnommen, insbesondere dann, wenn aufgrund der Fahrsituation die kinetische Energie sowieso durch Bremsen verringert wird. Wenn weder das Bremspedal noch das Gaspedal betätigt werden, sollte möglichst ebenfalls der Motor nicht durch Antrieb des Generators zum Aufladen der Batterie belastet werden; dies ist jedoch nur möglich, wenn die Ladeakzeptanz der Batterie ausreichend groß ist. Innerhalb eines typischen Zeitraums Δt = 10 s kann der Generator mehr als 1.000 As liefern. Die Ladeakzeptanz ΔQ_10s sollte daher von dieser Größenordnung sein, um eine Ladung der Batterie durch Rückgewinnung der kinetischen Energie des Fahrzeugs zu ermöglichen. Je kleiner die Ladeakzeptanz ist, umso mehr ist es notwendig, den Verbrennungsmotor für den Antrieb des Generators zum Aufladen der Batterie einzusetzen, d.h. auch Kraftstoff hierfür zu verbrauchen. In einem Zwischenbereich kann es notwendig sein, die Batterie auch in Fahrsituationen aufzuladen, in denen das Fahrzeug vortriebslos rollt, d.h. ohne dass der Fahrer das Bremspedal oder die Bremsen betätigt. Wenn die Ladeakzeptanz der Batterie einen sehr niedrigen Wert einnimmt, ist ein kontinuierliches Aufladen der Batterie notwendig. Hierdurch entsteht ein erhöhter Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors, dieser ist jedoch relativ gering, da die Batterie in diesem Fall nur einen geringen Ladestrom akzeptiert.
Das beschriebene Verfahren kann auch Anwendung finden, wenn der Generator nicht über den Motor, sondern direkt über die Fahrbewegung angetrieben wird, z. B. wenn der Generator am Getriebe verbaut ist. Auch in diesem Fall soll die kinetische Energie des Fahrzeugs nur dann reduziert werden, wenn die Betriebsbremse betätigt ist, sofern die Ladeakzeptanz dies zulässt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006001201 B4 [0004]
DE 102007050346 A1 [0004]
DE 102008034461 A1 [0004]
DE 4124496 A1 [0005]
DE 102011079469 [0012]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Kraftfahrzeugs mit einer wiederaufladbaren Batterie und einem Generator zum Aufladen der Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladeakzeptanz ΔQ_Δt der Batterie ermittelt wird und in Abhängigkeit von der Ladeakzeptanz ΔQ_Δt ein erster Lademodus, in dem der Generator zum Aufladen der Batterie durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird, oder ein zweiter Lademodus, in dem der Generator zum Aufladen der Batterie durch eine vortriebslose Fahrbewegung des Kraftfahrzeugs angetrieben wird, gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schwellwert der Ladeakzeptanz ΔQ_Δt vorgebbar ist und dass der erste Lademodus gewählt wird, wenn die ermittelte Ladeakzeptanz unterhalb des ersten Schwellwerts liegt, und der zweite Lademodus gewählt wird, wenn die ermittelte Ladeakzeptanz oberhalb des ersten Schwellwerts liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Schwellwert der Ladeakzeptanz ΔQ_Δt vorgebbar ist, der größer ist als der erste Schwellwert, und dass dann, wenn die ermittelte Ladeakzeptanz zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert liegt, der Generator bei einer vortriebslosen Fahrbewegung des Kraftfahrzeugs zum Aufladen der Batterie angesteuert wird und dann, wenn die ermittelte Ladeakzeptanz oberhalb des zweiten Schwellwerts liegt, der Generator nur bei einer Betätigung einer Betriebsbremse des Kraftfahrzeugs zur Aufladung der Batterie angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeakzeptanz ΔQ_Δt kontinuierlich oder in kurzen Zeitintervallen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladezustand SOC der Batterie ermittelt und bei der Wahl des Lademodus berücksichtigt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Ladezustand SOC der Batterie einen Schwellwert überschreitet, die Batterie entladen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladedringlichkeitsmaß urg in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC und der Ladeakzeptanz ΔQ_Δt der Batterie und ein Lademöglichkeitsmaß opp in Abhängigkeit von einem Vortriebsmoment T_prp des Verbrennungsmotors und einem Bremsdruck p_brk in einem Bremssystem des Kraftfahrzeugs ermittelt werden und dass der Generator zum Aufladen der Batterie angesteuert wird, wenn das Ladedringlichkeitsmaß urg größer als das Lademöglichkeitsmaß opp ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangsspannung U_gen des Generators derart gesteuert wird, dass die Änderungsrate der Ausgangsspannung einen Maximalwert nicht überschreitet.
Kraftfahrzeug mit einem zum Antreiben des Kraftfahrzeugs angeordneten Verbrennungsmotor, mit einer wiederaufladbaren Batterie und mit einem Generator zum Aufladen der Batterie sowie mit einer Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung des Generators zum Aufladen der Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung zum Ermitteln einer Ladeakzeptanz ΔQ_Δt der Batterie und zum Ansteuern des Generators zum Aufladen der Batterie in Abhängigkeit von der Ladeakzeptanz ΔQ_Δt ausgebildet ist.