DE102011085457A1

DE102011085457A1 - Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs mit einem elektrischen Energiespeicher,für ein Schienenfahrzeug und Hybridantrieb

Info

Publication number: DE102011085457A1
Application number: DE102011085457A
Authority: DE
Inventors: Ingo Lehmann
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2031-10-29
Also published as: DE102011085457B4

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs mit einem elektrischen Energiespeicher, für ein Schienenfahrzeug – insbesondere zur Steuerung eines Hybridantriebs mit einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor –, bei dem ein elektronischer Streckenfahrplan streckenabschnittsbezogen über ein Zugsteuergerät vorgegeben wird, und eine streckenabschnittsbezogene Antriebsart des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans prädiktiv bestimmt wird, dass die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers unter Nutzung eines Alterungsmodells für den Energiespeicher prädiktiv bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs mit einem elektrischen Energiespeicher, für ein Schienenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem ein elektronischer Streckenfahrplan streckenabschnittsbezogen über ein Zugsteuergerät vorgegeben wird, und eine streckenabschnittsbezogene Antriebsart des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans prädiktiv bestimmt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Steuereinrichtung und einen Hybridantrieb.
Bei einem aus der DE 102 26 143 B4 bekannten Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs wird die Antriebsart von einer Fahrbetriebsstrategie vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Fahrbetriebsstrategie gilt als gesetzt, wenn der Fahrer nicht in das System eingreift. Betätigt der Fahrer hingegen kurzfristig das Fahr- oder das Bremspedal, so wird die vorgeschlagene Fahrbetriebsstrategie verworfen und eine neue Fahrbetriebsstrategie berechnet. Dies erfolgt so lange, bis ein stationärer Zustand erreicht wird, in welchem keine weiteren kurzfristigen Änderungen mehr auftreten. Bestimmt wird die Fahrbetriebsstrategie anhand eines Energieprofils, beispielsweise im Hinblick auf den Verbrauch und den Zeitbedarf. Das Energieprofil wiederum wird aus Fahrer-, Fahrzeug-, Fahrstreckenund Wetterdaten sowie fahrerspezifischer Daten berechnet. Die Fahrstreckendaten werden aus einer digitalen Straßenkarte mit Höhenangabe oder von einem GPS eingelesen. Über ein RDS-TMC-System soll das Energieprofil an zu erwartende geänderte Verkehrswegbedingungen oder Verkehrsbedingungen, beispielsweise Stau, angepasst werden. Zur Umsetzung werden jedoch keine weiteren Ausführungen gemacht. Das vorgeschlagene Verfahren ist auf ein Kraftfahrzeug und der letztendlich bestimmenden Festlegung der Antriebsart durch den Fahrer ausgerichtet, wodurch die Kraftstoffeinsparung schwer abschätzbar ist.
DE10 2008 038 753 A1 offenbart ein eingangs genanntes Verfahren, das es ermöglicht, vor Fahrtantritt die streckenabschnittsbezogenen Antriebsarten des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans prädiktiv festzulegen. Im Fahrbetrieb kann dann eine Positionsabweichung der Ist-Position zu einer aus dem elektronischen Streckenfahrplan ermittelten Soll-Position des Schienenfahrzeugs bestimmt werden. Aus der Positionsabweichung wiederum kann eine Zeitreserve berechnet werden. Anhand der Zeitreserve wird dann entweder die Antriebsart beibehalten oder gewechselt. Beispielsweise bei einer negativen Zeitreserve im Sinne einer Verspätung wird in eine Antriebsart mit höherer Leistungsabgabe gewechselt. Aus Sicherheitsgründen wird vor Aktivierung der Antriebsart höherer Leistungsabgabe geprüft, ob die zu erwartende Geschwindigkeit signifikant von derjenigen Geschwindigkeit, welche durch den elektronischen Streckenfahrplan definiert ist, abweicht. Bei einer signifikanten Abweichung muss zuerst durch die Leitstelle eine Freigabe erteilt werden, beispielsweise indem diese einen modifizierten elektronischen Streckenfahrplan zur Verfügung stellt. Dieselbe Betrachtung gilt auch für den Fall, dass eine Antriebsart niedrigerer Leistungsabgabe initiiert werden soll.
Gemäß DE 10 2008 038 753 A1 können über ein prädiktives Modell Soll-Systemgrößen des Hybridantriebs, beispielsweise eine Soll-Motorleistung, bestimmt werden. Beispielsweise können während des Fahrbetriebs Ist-Systemgrößen eingelesen werden und eine Abweichung der Ist- von den Soll-Systemgrößen berechnet werden. Über eine Grenzwertbetrachtung kann dann entschieden werden, ob kein Eingriff in das System erfolgt oder ob das Modell mittels der Ist-Systemgrößen trainiert wird. Die Ausgangsgröße des Modells kann über eine Optimierung und einem Berechnungsalgorithmus, beispielsweise mittels des Maximumprinzips nach Pontrjagin und mittels der dynamischen Programmierung nach Bellman, bestimmt werden. Als weitere Sicherheitsmaßnahme kann vorgesehen sein, dass das Modell von einem Sicherheitsmanagement überwacht wird. Das Sicherheitsmanagement prüft die Eingangsgrößen, die Ausgangsgröße und die internen Parameter des Modells. Da der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers, beispielsweise bestehend aus mehreren Lithium-Ionenspeichern (Super-Caps), sicherheitskritisch ist, wird dieser überwacht und bei nicht plausiblen Werten der Energiespeicher gestuft oder vollständig deaktiviert. Dieses Verfahren ist noch verbesserungswürdig.
Wünschenswert ist es, eine verbesserte und umfassendere Steuerung zu erreichen. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine verbesserte, insbesondere umfassendere Steuerung eines Hybridantriebs erlaubt. Insbesondere soll ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Hybridantriebs in einem Schienenfahrzeug bereitgestellt werden, welche die Gegebenheiten des Schienenverkehrs nutzt und den Rahmenbedingungen dieses Verkehrssystems des Schienenverkehrs gerecht wird. Insbesondere soll das Verfahren und die Vorrichtung zur verbesserten Kraftstoffeinsparung unter Berücksichtigung des Energiespeichers beitragen.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Betreffend die Vorrichtung führt die Erfindung auf eine Steuereinrichtung zur prädiktiven Steuerung eines Hybridantriebs für ein Schienenfahrzeug gemäß Anspruch 12. Betreffend die Vorrichtung führt die Erfindung auch auf einen Hybridantrieb für ein Schienenfahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug mit einem Hybridantrieb, gemäß dem Anspruch 13.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Rahmenbedingungen beim Betrieb eines Schienenfahrzeugs durch den elektronischen Streckenfahrplan vorgegeben werden, welcher – wie bekannt – vor Fahrtantritt z. B. über Richtfunk in das Zugsteuergerät eingelesen wird. Im elektronischen Streckenfahrplan sind die streckenabschnittsbezogenen Geschwindigkeiten und damit auch der Zeitrahmen zwischen zwei Wegpunkten hinterlegt. Das Verfahren ermöglicht es vorteilhaft, dass vor Fahrtantritt die streckenabschnittsbezogenen Antriebsarten des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans prädiktiv festgelegt werden. Insbesondere hat es sich im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung als vorteilhaft erwiesen jedenfalls grundsätzlich von einem Verfahren auszugehen, wie es in DE 10 2008 038 753 A1 beschrieben ist, deren Offenbarungsgehalt hiermit vollständig durch Zitat in diese Anmeldung aufgenommen ist.
Auch wird zur prädiktiven Festlegung der streckenabschnittsbezogenen Antriebsarten, insbesondere vor Fahrtantritt, ein entsprechendes Modell als prädiktiver Beobachter verwendet. Die prädiktive Regelung gehört zur Klasse der modellbasierten Regelungsverfahren und gestattet eine Vorhersage in die Zukunft, dem so genannten Prädiktionshorizont. Zentraler Gedanke ist die Nutzung des elektronischen Streckenfahrplans, welcher, z. B. in Verbindung mit einem Höhenprofil, als vorausschauendes Verfahren in vorteilhafter Weise das Kraftstoff-Einsparpotential in vollem Umfang nutzt. Das heißt, die eingesetzte Energie wird über die prädiktive Regelung minimiert. Für den Betreiber verringern sich daher die Betriebskosten. Das Modell bietet auch die Möglichkeit ein individuelles Verhaltensmuster des Schienenfahrzeugführers zu erfassen und abzuspeichern. Beim erneuten Durchfahren derselben Wegstrecke mit demselben Schienenfahrzeugführer kann dann auf dessen individuelles Verhaltensmuster zurückgegriffen werden.
Die Erfindung geht weiter von der Überlegung aus, dass eine alleinige Vorgabe des Streckenfahrplans z. B. über ein Zugsteuergerät noch verbessert werden kann. Insbesondere erweist sich eine Leistungsführung mittels einer Antriebsart und durch Systemgrößen einer Sollposition und einer Sollmotorleistung in Bezug auf eine Zeitreserve zwar als grundsätzlich vorteilhaft; jedoch ist der dieser prädiktiven Lösung zugrunde liegende Ansatz noch vorteilhaft ergänzbar um eine vorteilhafte Steuerung des Energiespeichers. Die Erfindung hat erkannt, dass ein Hybridantrieb unabhängig von einer Antriebsart regelmäßig auf einen Energiespeicher zurückgreifen muss. Lediglich die Vorgabe von Ist-Werten des Energiespeichers, z. B. seitens eines Batteriemanagements, für eine prädiktive Steuerung einer Antriebsart kann unzureichend sein. Dies trifft zu z. B. aufgrund einer regelmäßig individuellen Alterungsentwicklung jeder Batterie, die von der Nutzungshistorie abhängt. Eine Alterung der Batterie tritt zunächst bereits infolge der Elektrodenabnutzung aufgrund des Batteriebetriebs am vorgesehenen Arbeitspunkt und den gängigen Lade-Entladezyklen auf. Zusätzlich kann eine Schädigung der Batterie auftreten, z. B. wenn eine Batterie überladen wird oder unter eine bestimmte Schwelle völlig entleert wird oder auf andere Weise jenseits eines vorteilhaften Lastpunkts betrieben wird.
Die Erfindung hat erkannt, dass der Energiespeicher als Element das Hybridantriebs – über ein reines Batterie- und Sicherheitsmanagement hinaus – möglichst vorteilhaft angepasst auf die Antriebsart, dennoch grundsätzlich unabhängig von dieser, geführt werden sollte. Die Erfindung sieht deshalb vor, dass die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers unter Nutzung eines Alterungsmodells für den Energiespeicher prädiktiv bestimmt wird. Die Erfindung hat erkannt, dass der Energiespeicher technisch und kostenmäßig ein wesentliches Element des Hybridantriebs darstellt.
Besonders vorteilhaft beschreibt das Alterungsmodell physikalisch-technisch die Prozesse am Energiespeicher, die zu einer Minderung oder Beeinträchtigung der Speicherkapazität führen können. Dies betrifft auch eine Minderung oder Beeinträchtigung der Entladezyklen sowie der Amplitude einer pro Zyklus einspeicherbaren oder entnehmbaren Energiemenge. Das Alterungsmodell kann dazu beispielsweise die Chemie, die Elektrodenbeschaffenheit sowie Vorgaben des Energiespeichermanagement-Steuergerätes nutzen, um das Verhalten des Energiespeichers über einen für den Alterungsprozess in Frage kommenden Zeitraum zu beschreiben. Insbesondere kann das Alterungsmodell Parameter des Energiespeichermanagement-Steuergerätes zur Beschreibung eines alternden Batteriezustands heranziehen. Dies kann beispielsweise ein SOC-, SOH- und/oder RI-Wert des Energiespeichers sein.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Modellierung des elektrischen Energiespeichers aufgrund Grundlage eines Energiespeichermodells erfolgt, das in Kombination mit dem Alterungsmodell Alterungseffekte des Energiespeichers berücksichtigt. Das Energiespeichermodell kann bevorzugt abgestimmt sein auf eine Gruppe von Energiespeichermodi und akuten Zustände sowie ggfs. die Umgebung des Energiespeichers, wie beispielsweise ein Ruhezustand, ein Entladezustand und ein Ladezustand.
Darüber hinaus hat die Erfindung hinsichtlich einer besonders bevorzugten Weiterbildung erkannt, dass die Performance eines Energiespeichers infolge der Länge und zeitlichen Abfolge von Lade- und Entladezyklen nach oben beschränkt ist. Es wurde auch erkannt, dass eine obere und untere Grenze einer Lade- oder Entladetiefe gegeben ist, die nachteilig sein kann, z. B. infolge der chemischen Beschaffenheit einer Batterie oder dergleichen. Es wurde erkannt, dass der Schwellwerte für Lade- und Entladezyklen und Ladeoder Entladetiefe bei einer Lade- bzw. Entladetätigkeit nur eingehalten werden können, wenn die bei Nutzung des elektrischen Energiespeichers auftretenden Spitzen von verfügbarer – also einzuspeichernder – oder benötigter – also abzurufender – Energiemenge abgefangen werden können. Die Weiterbildung schlägt vor, für die Betriebsführung eines als Batterie ausgebildeten Energiespeichers eine Überladung zu vermeiden. Die Gefahr einer Überladung besteht vor allem für den Fall, dass der Energiespeicher bereits voll geladen ist, wenn einzuspeichernde Energie ansteht. Die Gefahr besteht auch, wenn eine das Speichervolumen des Energiespeichers übersteigende Energiemenge zur Einspeicherung ansteht. Aufbauend auf eine prädiktive Steuerung des Energiespeichers, insbesondere unter Zugrundelegung eines Alterungsmodells und/oder Energiespeichermodells, können Zustände des Energiespeichers weitgehend abgestimmt werden auf die abhängig von Streckenabschnitten eines Fahrprofils anstehenden Betriebsmodi eines Hybridantriebs bzw. Betriebsmodi des Energiespeichers.
Im Rahmen der besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, als Alternative zum Energiespeichermodus „Laden“ des Energiespeichers eine alternative Abführung von elektrischer Energie vorzusehen. D. h. eine an sich zur Speicherung anstehende elektrische Energie wird nicht dem elektrischen Energiespeicher zugeführt, sondern anderweitig verwendet. Insbesondere ist vorgesehen nicht nur eine verschwendende Abführung der elektrischen Energie vorzusehen, sondern eine sinnvolle Verwendung derselben vorzusehen.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung wurde erkannt, dass die alternative Abführung von elektrischer Energie durch Umwandlung in Wärme und mittels einer Wärmeabgabe erfolgen kann. Vorteilhaft kann Wärme im Rahmen des Antriebssystems für ein Schienenfahrzeug vorteilhaft genutzt werden. Insbesondere kann die alternative Abführung von elektrischer Energie in einen einem Katalysator vorgelagerten Heizwiderstand in der Abgasleitung erfolgen. Dadurch wird vorteilhaft eine Abgastemperatur vor einer Abgasnachbehandlung angehoben, so dass diese effektiver arbeiten kann. Die Nutzung von Abwärme aus dem Hybridantrieb für ein Abgasnachbehandlungssystem erweist sich als besonders vorteilhaft und gleichzeitig umweltschonend.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Unter einem Energiespeicher kann grundsätzlich eine Batterie zu verstehen sein, die sich – besonders vorteilhaft bei einem Schienenfahrzeug – dazu eignet vergleichsweise große elektrische Energiemengen einzuspeichern. Grundsätzlich problematisch ist jedoch, dass eine Batterie beim Abrufen der eingespeicherten Energie vergleichsweise träge ist. Mit zwar geringerem Einspeicherpotential, jedoch schneller verfügbarer elektrischer Energie lässt sich alternativ ein Energiespeicher in Form eines Kondensators, z. B. ein Superkondensator (Super-Cap) verwenden. Insbesondere kann eine Kombination von Batterie und Superkondensator als Energiespeicher genutzt werden.
Das Alterungsmodell und/oder Energiespeichermodell kann Energiespeicherparameter definieren, die von einer Fahrzeugsteuerung vorteilhaft optimierbar sind. Dies kann beispielsweise die Zeiten, Amplituden und Zyklen einer Lade- oder Entladetätigkeit betreffen.
Besonders bevorzugt wird elektrische Energie in einen Heizwiderstand abgeführt, insbesondere in einen Heizwiderstand in einer Abgasleitung, vorzugsweise in einen Heizwiderstand der einem Katalysator oder dergleichen Abgasnachbehandlungssystem vorgeschaltet ist. Vorteilhaft wird beim Bremsen – über den Generator – anstehende elektrische Energie in einen Heizwiderstand abgegeben. Die Nutzung eines Heizwiderstands zur Wärmeerzeugung und Wärmeabgabe ist vorteilhaft, da dieser keiner Nutzungsbeschränkung unterliegt. Dies trifft insbesondere für die Anordnung des Heizwiderstands in einer Abgasleitung zu; die Größe der dort ablassbaren elektrischen Energie ist praktisch nicht limitiert und begrenzt nicht die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Konzepts. Dies kann sich insbesondere bei unerwartet auftretenden Fahrsituationen des Hybridantriebs, bei denen stark gebremst werden muss als vorteilhaft erweisen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in' der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und·beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte Offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
1: als Blockschaltbild eine Steuereinrichtung unter Anbindung an einen Hybridantrieb mit einem Abgasnachbehandlungssystem bei einem Schienenfahrzeug.
1 zeigt die Steuereinrichtung 100 eines Hybridantriebs 200 für ein Schienenfahrzeug 1000. Der Hybridantrieb 200 umfasst eine Brennkraftmaschine 210, einen Elektromotor 220, ein Getriebe, elektrische Umrichter und einen elektrischen Energiespeicher 20, beispielsweise ein Lithium-Ionenspeicher (Super-Caps). An einem gemeinsamen elektronischen Datenbus 1, beispielsweise einem CAN-Bussystem oder Ethernet, sind ein Zugsteuergerät 2 (ZSG), ein Motorsteuergerät 3 (ECU), ein Getriebesteuergerät 4 (GS), ein Batteriemanagement-Steuergerät 5 (BMS), ein Umrichter-Steuergerät 6 (VCU) und exemplarisch ein Steuergerät 7 zur Festlegung des Abgases (SCR) angeschlossen. Die am Datenbus 1 angeschlossenen Steuergeräte 2 bis 7 sind sowohl Empfänger als auch Sender.
Ebenfalls am Datenbus 1 angeschlossen ist eine Einheit 8 zum Empfang des Bahnrichtfunks und der Daten des GPS. Über den Bahnrichtfunk wird der elektronische Streckenfahrplan mit hinterlegter elektronischer Streckenkarte auf dem Datenbus gesetzt. Die Daten des GPS umfassen die Ist-Position und die aktuelle Höhe.
Ergänzt wird diese Steuereinrichtung durch ein Prädiktionsmodell 9 als prädiktiver Beobachter und ein Sicherheitsmanagement 15. Das Sicherheitsmanagement 15 überwacht die Eingangsgrößen, die Ausgangsgröße und die Parameter des Modells 9. Die Eingangsgrößen des Modells 9 sind der elektronische Streckenfahrplan SPL, die Ist-Systemgrößen SG(IST) und die aktuelle Höhe Hh. Der elektronische Streckenfahrplan SPL mit hinterlegter elektronischer Streckenkarte wird vom Zugsteuergerät 2 bereitgestellt. Im elektronischen Streckenfahrplan SPL sind die streckenabschnittsbezogenen Geschwindigkeiten, beispielsweise die zulässige Geschwindigkeit zwischen einem Wegpunkt A und einem Wegpunkt B, enthalten. An Hand der streckenabschnittsbezogenen Geschwindigkeiten sind auch die Zeiten zwischen den Wegpunkten definiert. Die aktuelle Höhe Hh wird von der Einheit 8 auf dem Datenbus 1 bereitgestellt. Die Ist-Systemgrößen SG(IST) werden vom Motorsteuergerät 3 bereitgestellt und entsprechen ganz allgemein den verfügbaren Einzeldaten aller am Datenbus 1 angeschlossenen Steuergeräte 2 bis 7 einschließlich der Einheit 8. Hierunter sind zum Beispiel die Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Ist-Motorleistung, der Ist-Kraftstoffverbrauch, der Status des Energiespeichers, die Ist-Position des Schienenfahrzeugs sowie die ÖI-, die Energiespeicher-, die Kühlwasser- und die Umrichtertemperatur zu verstehen.
Die Ausgangsgröße des Prädiktionsmodells 9 ist das Signal S1, welches auf das Motorsteuergerät 3 geführt wird. Innerhalb des Modells 9 ist u. a. als funktionale Einheit eine modellbasierte Berechnung als Funktionsblock angeordnet, welche die Regelstrecke mathematisch abgebildet. Die Eingangsgrößen der Berechnung sind der elektronische Streckenfahrplan SPL, die aktuelle Höhe Hh. Über die Berechnung werden die Soll-Systemgrößen SG(SL), zum Beispiel die Soll-Position oder die Soll-Motorleistung, berechnet.
Vor Fahrtantritt werden über das Prädiktionsmodell 9 an Hand des elektronischen Streckenfahrplans SPL und des Höhenprofils der Fahrtstrecke die streckenabschnittsbezogenen Antriebsarten prädiktiv berechnet. Diese werden in einem Datenspeicher streckenabschnittsbezogen hinterlegt. Beispielsweise kann eine nur verbrennungsmotorische Antriebsart bei einem Streckenabschnitt mit Steigung oder eine Antriebsart mit Rekuperieren (Energie-Rückspeisung) bei einem Streckenabschnitt mit Gefälle vorgesehen sein. Während des Fahrbetriebs beurteilt das Motorsteuergerät 3 an Hand der Daten den aktuellen Zustand des Gesamtsystems und veranlasst gegebenenfalls über den Datenbus 1 eine Änderung der Antriebsart. Würde das Schienenfahrzeug den nächsten Wegpunkt, zum Beispiel einen Bahnhof, zu spät erreichen, so initiiert das Motorsteuergerät 3 ein Wechsel in die kombinierte Antriebsart aus Brennkraftmaschine und Elektromotor. Die kombinierte Antriebsart bewirkt eine erhöhte zu erwartende Geschwindigkeit. Aus Sicherheitsgründen wird vor Aktivierung der Antriebsart höherer Leistungsabgabe geprüft ob die zu erwartende Geschwindigkeit signifikant von derjenigen Geschwindigkeit, welche durch den elektronischen Streckenfahrplan definiert ist, abweicht. Ist dies der Fall, muss zuerst durch die Leitstelle eine Freigabe erteilt werden, beispielsweise indem diese einen modifizierten elektronischen Streckenfahrplan zur Verfügung stellt.
Insbesondere steht dem Datenbus Datenmaterial eines prädiktiven Beobachters zur Verfügung, mit dem eine über den Energiespeicher 20 – hier ein Kondensator, der jedoch auch für eine Batterie stehen kann oder in Kombination mit einer Batterie bereitstehen kann – gedachte Regelstrecke simulierbar ist. Dazu sieht der prädiktive Beobachter ein Alterungs- und Energiespeichermodell ABM 5‘ vor, mit dem das Verhalten des Energiespeichers bzw. eine Regelstrecke über den Energiespeicher weitgehend korrekt wiedergebbar ist. Das Alterungs- und Batteriemodell ABM 5‘ nutzt übliche Energiespeicherparameter des Batteriemanagement-Steuergeräts BMS 5. Beispielsweise sind dies vorliegend ein SOC, ein SOH und ein Ri-Wert für die Batterie. Diese und andere Ist-Daten des Alterungs- und Batteriemodells ABM(IST) und Energiespeichermanagement-Steuergeräts BS(IST) werden dem Prädiktionsmodell 9 der prädiktiven Steuerung und darin enthaltenen mathematischen Regelstrecke zur Verfügung gestellt, zusätzlich zu den vorgenannten Höhenwerten Hh und Streckenfahrplan SPL sowie den weiteren Ist-Systemgrößen SG(IST). Als Ergebnis liefert das Prädiktionsmodell 9 nach Prüfung durch ein Sicherheitsmanagement 15 Sollsystemgrößen SG(SL) und insbesondere auch Soll-Batteriesystemgrößen BS(SL) an das Motorsteuergerät 3 (ECU) zurück.
Das Motorsteuergerät 3 (ECU) ist zur Steuerung eines Hybridantriebs 200 ausgelegt. Der Hybridantrieb 200 weist einen Dieselmotor 210, eine Motor/Generator 220 mit einem elektrischen Motor M auf, der auch als Generator G – d. h. zum Beispiel bei einem Bremsvorgang zur Lieferung von elektrischer Energie E – betrieben werden kann. Auf einer Motorwelle sitzt im Triebwagen des Schienenfahrzeugs 1000 ein automatisches Getriebe 230, das das Drehmoment über ein Achswendegetriebe 240 auf die Achswelle 250 und die daran angebundenen Räder 260 des Triebkopfs weitergibt.
Die Kombination aus Dieselmotor 210, Elektromotor/Generator (auch Statorgenerator genannt) 220 und Energiespeicher 20 (Traktionsbatterie) wird auch als Powerpack bezeichnet; dazu gehören die zwischengeschalteten Stromrichter in Form von Wechsel- oder Gleichrichtern. Vorliegend wird die als Wechselstrom zur Verfügung stehende elektrische Energie E des Motor/Generators 220 über einen als AC/DC-Wechselrichter ausgelegten Stromrichter 270 auf den Energiespeicher 20 – Kondensator, Batterie oder Kombination davon – geführt. Der zwischen Energiespeicher 20 und Stromrichter 270 angeordnete Schalter 30 kann auch in eine Stellung gebracht werden, die den Motor/Generator von dem Energiespeicher 20 trennt und stattdessen die als Gleichstrom zur Verfügung stehende elektrische Energie zur Umwandlung in Wärme einer Wärmeabgabe 40 zuführt. Vorliegend ist die Wärmeabgabe 40 in einem Abgassystem 300 der Brennkraftmaschine 200 untergebracht. Abgas AG wird aus dem Motorraum über den Motorkrümmer 201 in eine Abgasleitung 301 eingebracht. Die Abgasleitung 301 hat vorliegend ein Abgasnachbehandlungssystem 310 in Form einen selektiven Katalysators. Dem selektiven Katalysators vorgeordnet ist ein über einen Gleichstromrichter 341 betreibbarer Heizwiderstand 342 mittels dem die Wärmeabgabe 40 realisiert ist; d. h. die Wärmeabgabe 40 ist als ein Abgasheizsystem 340 ausgeführt.
Das Motorsteuergerät 3 hat Zugriff auf den Gleichstromrichter 341, auf den Wechselrichter 270 und auf den Schalter 30. Außerdem hat das Motorsteuergerät 3 über Soll-Batteriesystemgrößen BS(SL) – die über den Datenbus 1 und das Batteriemanagement-Steuergerät 5 dem Energiespeicher 20 zuführbar sind – Zugriff auf den Energiespeicher 20. Entsprechende Steuerleitungen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 sind als Steuerverbindung zwischen der Steuereinrichtung 100 und dem Hybridantrieb 200 in 1 eingezeichnet. Darüber hinaus verbindet eine weitere Steuerleitung 3.5 als Steuerverbindung das Steuergerät 7 zur Festlegung des Abgases (SCR) der Steuereinrichtung 100 mit dem selektiven katalytischen Reaktor 310 des Abgasnachbehandlungssystems 300.
Beispielhaft erfolgt eine Steuerung des Hybridantriebs 200 über die Steuereinrichtung 100 mittels des Motorsteuergeräts 3 wie folgt.
Für den Fahrbetriebsmodus „Fahren“ kann das Motorsteuergerät für den Hybridantrieb 200 einen Antrieb über den Dieselmotor 210 mit etwa 50 % der Leistung vorgeben. Für ein Antriebsprofil "Boosten" kann das Motorsteuergerät 3 zusätzlich elektrische Energie des Energiespeichers 20 über den Motor/Generator 220 zum Antrieb des Getriebes 230 bereitstellen. Für den Fahrbetriebsmodus "Langsamfahrt"; d. h. z. B. für eine Fahrt in einen Bahnhof oder Tunnel oder dergleichen, kann ein Antrieb des Getriebes 230 z. B. nur über den elektrischen Energiespeicher 20 erfolgen. Für den Fahrbetriebsmodus „Bremsen“ ist regelmäßig vorgesehen, dass über den Motor/Generator 220 anstehende elektrische Energie E in den Energiespeicher 20 eingespeist wird, d. h. der Energiespeicher 20 befindet sich im Energiespeichermodus „Laden“. Das zugehörige Antriebsprofil des Hybridantriebs 200 wird als "Rekuperieren am Lastpunkt" bezeichnet. Die für den Betriebsmodus des Hybridantriebs relevanten Anteile einer Brennkraftmaschine 210 und eines Elektromotors des Motor/Generators 220 an einer Gesamtleistung des Hybridantriebs können beispielsweise variabel festgelegt werden. Je nach Streckenabschnitt des Fahrprofils kann z. B. ein geeignetes Alterungs- und Batteriemodell ABM 5' als Variante gewählt werden. Dies kann unter Vorgabe einer Antriebsart bzw. eines Fahrbetriebsmodus erfolgen. Die streckenabschnittsbezogene Antriebsart AA des Schienenfahrzeugs bzw. des streckenabschnittsbezogene Betriebsmodus des Hybridantriebs 200 kann unter Zugrundelegung des Energiespeichermodells 5‘ prädiktiv bestimmt werden. Es kann auch ein geeigneter Prädiktionshorizont zur Energiespeicherführung vorgegeben werden, d. h. zur Führung des Energiespeichers 20 unabhängig von einem Prädiktionshorizont für die Antriebsart.
Insbesondere setzt das Alterungsmodell auf das Energiespeichermodell 5‘ auf. Damit können Überladungszustände des Energiespeichers 20 vermieden werden. Beispielsweise Überladungszustände bei einem langen Bremsweg über mehrere Kilometer auftreten. Überladungszustände können auch bei Notbremsungen oder Bremsvorgängen auftreten, die bei voll aufgeladenem Energiespeicher 20 zu erfolgen haben. Hier besteht ohne Abführmöglichkeit der elektrischen Energie die Gefahr, dass der Energiespeicher 20 überladen wird.
Als erste Maßnahme dagegen ist in der in 1 dargestellten Ausführungsform vorgesehen, dass aufgrund der prädiktiven Steuerung der Hybridantrieb 200 auf solche Vorfälle abgestimmt ist; d. h. aufgrund der prädiktiven Festlegung der Antriebsart AA als auch der Betriebsführung des Energiespeichers 20 sind Überladungen oder zu tiefe Entladungen des Energiespeichers 20 weitgehend vermeidbar. Die prädiktive Bestimmung einer Betriebsführung der Energiespeicher 20 kann vorsehen, bei anstehenden großen Mengen elektrischer Energie, einen Energiespeicher 20 vorausschauend vergleichsweise tief zu entladen. Sollte dennoch überschüssige Energie vorhanden sein, so sorgt insbesondere das Alterungsmodell im Rahmen der prädiktiven Betriebsführung des Energiespeichers 20 dafür, dass eine Schädigung des Energiespeichers 20 vermieden wird. Dazu gehört, dass gewisse Schwellwerte für eine Tiefe eines Entladens bzw. eine Höhe eines Ladens bzw. ein Zeitabstand zwischen Ladezyklen oder dgl. Grenzwerte beim Betrieb des Energiespeichers 20 eingehalten werden. Der Energiespeicher 20 wird damit bestimmungsgemäß genutzt, d. h. z. B. voll geladen jedoch nicht überladen. Dies ist einer langen Lebensdauer des Energiespeichers 20 zuträglich.
Insbesondere kann dazu ein an der Steuerleitung 3.3 anliegendes Signal des Motorsteuergeräts 3 den Schalter 30 aus dem in 1 gezeigten Zustand umlegen. Dadurch kann die überschüssige elektrische Energie E vom über die Steuerleitung 3.1 aktivierten Stromrichter 270 auf den Gleichstromrichter 341 zum Betrieb des Heizwiderstands 342 geführt werden. Die Arbeitsweise der Stromrichter 270, 341 kann über Steuersignale auf den Steuerleitungen 3.1, 3.4 vorgegeben werden.
Beispielsweise kann auch der Betrieb eines katalytischen Abgasnachbehandlungssystems 310 über die Steuerleitung 3.5 nach Maßgabe des Motorsteuergeräts 3 in Kombination mit dem Steuergerät 7 zur Festlegung des Abgases AG bestimmt werden. In dem Fall wird z. B. überschüssig erzeugte elektrische Energie bei einem langen oder starken Bremsweges nicht ungenutzt über einen Brems-Chopper in die Umgebung gegeben, sondern sinnvoll zur Verbesserung einer Abgasnachbehandlung verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Datenbus
2: Zugsteuergerät (ZSG)
3: Motorsteuergerät (ECU)
3.1, 3.2, 3.3, 3.4: Steuerleitungen
4: Getriebesteuergerät (GS)
5: Batteriemanagement-Steuergerät (BMS)
5‘: Energiespeichermodell mit Alterungs- und Batteriemodell (ABM)
6: Umrichter-Steuergerät (VCU)
7: Steuergerät zur Festlegung des Abgases (SCR)
8: Einheit
9: Prädiktionsmodell
10: Berechnung
14: Berechnungsalgorithmus
15: Sicherheitsmanagement
20: Energiespeicher, Batterie
30: Schalter
40: Wärmeabgabe
100: Steuereinrichtung
200: Hybridantrieb
201: Motorkrümmer
210: Brennkraftmaschine, Dieselmotor
220: Elektromotor
230: Getriebe
240: Achswendegetriebe
250: Achswelle
260: Räder
270: Stromrichter
300: Abgassystem
301: Abgasleitung
310: Abgasnachbehandlungssystem
340: Abgasheizsystem
341: Gleichstromrichter
342: Heizwiderstand
1000: Schienenfahrzeug
A, B: Wegpunkte
AA: Antriebsart
ABM(IST): Alterungs- und Batteriemodell
BS(IST): Energiespeichermanagement-Steuergerät
BS(SL): Soll-Batteriesystemgrößen
S1: Signal
E: Energie
G: Generator
Hh: Höhe
M: Motor
SG(SL): Soll-Systemgrößen
SG(IST): Ist-Systemgrößen
SPL: Streckenfahrplan

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 10226143 B4 [0002]
DE 102008038753 A1 [0003, 0004, 0007]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs (200) mit einer Brennkraftmaschine (210) und einem Elektromotor (220) und mit einem elektrischen Energiespeicher (20), insbesondere für ein Schienenfahrzeug (1000), bei dem – ein elektronischer Streckenfahrplan (SPL) streckenabschnittsbezogen über ein Zugsteuergerät (ZSG) vorgegeben wird, und – eine streckenabschnittsbezogene Antriebsart (AA) des Schienenfahrzeugs (1000) mittels des elektronischen Streckenfahrplans (SPL) prädiktiv bestimmt wird dadurch gekennzeichnet, dass – die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers (20) unter Nutzung eines Alterungsmodells für den Energiespeicher (20) prädiktiv bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers (20) unter Nutzung eines Energiespeichermodells prädiktiv bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zur prädiktiven Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers (20) der elektronische Streckenfahrplan (SPL) ausgewertet wird und in ein Fahrprofil von Streckenabschnitten umgesetzt wird, insbesondere ein Fahrbetriebsmodus ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Beschleunigen, Fahren, Bremsen, Stehen oder Langsamfahrt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die prädiktive Bestimmung der Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers (20) auf Grundlage eines Alterungsmodells und/oder Energiespeichermodells für eine Batterie, einen Superkondensator oder dergleichen Energiespeicher (20) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass eine Optimierung von Energiespeicherparametern für eine Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers (20) und einen Prädiktionshorizont auf Basis des Energiespeichermodells und/oder Alterungsmodells erfolgt,
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung unter Zugrundelegung von Ist-Werten des Energiespeichermanagement-Steuergerätes (5), insbesondere eines SOC-, SOH- und/oder Ri-Wertes erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermodell abgestimmt ist auf eine Gruppe von Energiespeichermoden bestehend aus: Ruhezustand, Entladen, Laden und als Alternative zum Energiespeichermodus Laden, insbesondere mittels Vorgabe durch das Alterungsmodell, eine alternative Abführung von elektrischer Energie vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die alternative Abführung von elektrischer Energie, insbesondere beim Bremsen entstehender elektrischer Energie, durch Umwandlung in Wärme und einer Wärmeabgabe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die alternative Abführung von elektrischer Energie, insbesondere beim Bremsen entstehender elektrischer Energie, in einen Heizwiderstand (342) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die alternative Abführung von elektrischer Energie in eine Abgasleitung (301) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die alternative Abführung von elektrischer Energie in einen einem Katalysator oder dergleichen Abgasnachbehandlungssystem (310) vorgelagerten Heizwiderstand (342) in der Abgasleitung erfolgt.
Steuereinrichtung (100) zur prädiktiven Steuerung eines Hybridantriebs (200) für ein Schienenfahrzeug (1000), insbesondere Zugsteuerung mit einem prädiktiven Steuermodul, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
Hybridantrieb (200) mit einer Brennkraftmaschine (210) und einem Elektromotor (220) und mit einem elektrischen Energiespeicher (20) für ein Schienenfahrzeug (1000), insbesondere Schienenfahrzeug (1000) mit einem Hybridantrieb (200), mit einer Steuereinrichtung nach Anspruch 12.