DE102012201270A1 - Bestimmen des Arbeitspunktes eines Range-Extenders in einem Elektrofahrzeug - Google Patents

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Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Arbeitspunkts eines eine elektrische Maschine und einen Verbrennungsmotor umfassenden Range-Extenders eines Elektrofahrzeugs. Bei der Arbeitspunktbestimmung geht es um die Vorgabe des Drehmoments des Verbrennungsmotors und die Drehzahl der elektrischen Maschine. Gemäß dem Verfahren wird eine Sollleistung des Range-Extenders bestimmt. In Abhängigkeit der Sollleistung des Range-Extenders wird eine Solldrehzahlstufe zum Betrieb des Range-Extenders aus einer Mehrzahl vorgegebener, diskreter Solldrehzahlstufen der elektrischen Maschine ausgewählt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Arbeitspunktes eines Range-Extenders in einem Elektrofahrzeug, welcher einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine umfasst. Bei der Arbeitspunktbestimmung geht es um die Vorgabe zweier Sollsteuergrößen: das Drehmoment des Verbrennungsmotor und die Drehzahl der elektrischen Maschine.
  • Da die Energiekapazität der elektrischen Hochvolt-Batterie eines Elektrofahrzeugs heute typischerweise deutlich geringer ist als die Energiekapazität eines Kraftstofftanks eines konventionellen, verbrennungsmotorisch betriebenen Kraftfahrzeug, ist die Reichweite eines Elektrofahrzeugs im Allgemeinen geringer als bei einem verbrennungsmotorisch betriebenen Kraftfahrzeug.
  • Der Range-Extender dient zur Erzeugung elektrischer Energie, um die Reichweite des Elektrofahrzeugs zu erhöhen. Üblicherweise wird für den Range-Extender eine serielle Hybridstruktur verwendet, die vom mechanischen Antriebsstrang abgekoppelt ist. Der Verbrennungsmotor des Range-Extenders treibt eine mit dem Verbrennungsmotor mechanisch gekoppelte elektrische Maschine an, die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors in elektrische Leistung wandelt. Die elektrische Leistung kann je nach Ausgestaltung des Elektrofahrzeugs zum Laden der elektrischen Batterie und/oder zur Stromversorgung des das Elektrofahrzeugs antreibenden Elektromotors verwendet werden.
  • Der Range-Extender wird meist als eine Art Notaggregat betrachtet und auch so eingesetzt.
  • Bei konventionellen Elektrofahrzeugen mit Range-Extender wird bei einem geringen Ladezustand (SOC – State of Charge) der Hochvolt-Batterie der Range-Extender eingeschaltet, so dass die Hochvolt-Batterie geladen wird, um die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen. Dabei wird der Range-Extender typischerweise in einem festen Arbeitspunkt mit einer festen Solldrehzahl der elektrischen Maschine und einem festen Solldrehmoment des Verbrennungsmotor betrieben, und zwar unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Fahrsituation wie Beschleunigung und Bergauffahrt.
  • Der Betrieb des Range-Extenders in einem festen Arbeitspunkt hat den Vorteil, dass ein Arbeitspunkt eingestellt werden kann, bei dem der maximale Wirkungsgrad erzielt werden kann. Jedoch kann dieser feste Arbeitspunkt des Range-Extenders im niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich, bei dem die Fahrgeräusche ohne Berücksichtigung des Range-Extenders gering sind, akustisch vom Fahrer als störend empfunden werden. Außerdem ist ein fester Arbeitspunkt im Allgemeinen nicht bedarfsgerecht. Bei gleichbleibender Geschwindigkeit des Fahrzeugs im niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich benötigt der zum Antrieb verwendete Elektromotor des Fahrzeugs nur eine geringe elektrische Leistung, die unterhalb der vom Range-Extender erzeugten Leistung ist. Der Überschuss der vom Range-Extender erzeugten elektrischen Leistung wird in der Hochvolt-Batterie gespeichert. Umgekehrt kann im hohen Geschwindigkeitsbereich oder bei einer hohen Beschleunigung die vom Range-Extender erzeugte elektrische Leistung den Leistungsbedarf des Elektrofahrzeugs nicht abdecken, so dass der Elektromotor die fehlende elektrische Leistung aus der Batterie entnimmt. Hierdurch wird die Zyklisierung der Hochvolt-Batterie erhöht, wodurch die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigt werden kann.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Arbeitspunktbestimmung eines Range-Extenders für ein Elektrofahrzeug anzugeben.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Arbeitspunkts eines eine elektrische Maschine und einen Verbrennungsmotor umfassenden Range-Extenders eines Elektrofahrzeugs. Bei der Arbeitspunktbestimmung geht es um die Vorgabe des Drehmoments des Verbrennungsmotors und der Drehzahl der elektrischen Maschine. Für den Range-Extender wird vorzugsweise eine serielle Hybridstruktur verwendet, wobei der Range-Extender vom mechanischen Antriebsstrang entkoppelt ist. Gemäß dem Verfahren wird eine Sollleistung des Range-Extenders bestimmt. In Abhängigkeit der Sollleistung des Range-Extenders wird eine Solldrehzahlstufe zum Betrieb des Range-Extenders aus einer Mehrzahl vorgegebener, diskreter Solldrehzahlstufen der elektrischen Maschine ausgewählt. Beispielsweise werden drei Solldrehzahlstufen bei 2400, 2900 und 4600 U/min vorgesehen. Die Drehzahlstufe kann beispielsweise in Abhängigkeit der Sollleistung so gewählt werden, dass bei niedriger Leistungsanforderung (niedriger Sollleistung) eine Drehzahlstufe mit niedriger Drehzahl und bei hoher Leistungsanforderung (d. h. hoher Sollleistung) eine Drehzahlstufe mit höherer Drehzahl eingestellt werden.
  • Durch die Verwendung diskreten Solldrehzahlstufen kann bei geeigneter Festlegung der Solldrehzahlstufen eine Anregung von Resonanzfrequenzen, beispielsweise des Verbrennungsmotors oder anderer Fahrzeugkomponenten, vermieden werden. Bei der Auswahl der Drehzahlstufen sollte vorzugsweise also darauf geachtet werden, dass Resonanzfrequenzen vermieden und die Akustik-Anforderungen eingehalten werden. Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren einen bedarfsgerechten Betrieb des Range-Extenders mit geringer Zyklisierung der Hochvolt-Batterie, da in Abhängigkeit einer aktuell gewünschten Sollleistung eine passende Drehzahlstufe ausgewählt werden kann. Ferner kann durch Anpassung der Sollleistung des Range-Extenders und der gewählten Solldrehzahlstufe an die aktuelle Fahrsituation die Wahrnehmbarkeit des Range-Extenders reduziert werden: Im niedrigen Geschwindigkeitsbereich wird der Range-Extender vorzugsweise überhaupt nicht oder nur mit einen geringen Sollleistung und mit einer geringen Drehzahl betrieben, so dass der Range-Extenders vom Fahrer kaum wahrgenommen wird. Bei hohen Geschwindigkeiten kann der Range-Extender dann mit höheren Solleistung und höherer Drehzahl betrieben werden, da das Betriebsgeräusch des Range-Extenders durch die Fahrgeräusche teilweise maskiert wird.
  • Die minimale und maximale Drehzahlstufe können so dimensioniert werden, dass das gesamte Leistungsspektrum abgedeckt wird. Weitere Drehzahlstufen werden vorzugsweise zwischen der minimalen und der maximalen Drehzahlstufe vorgesehen.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist bei der Arbeitspunktbestimmung der Freiheitsgrad in der Drehzahl aufgrund der Resonanzfrequenzen nur bedingt gegeben. Demgegenüber ist das Solldrehmoment des Verbrennungsmotors im Wesentlichen frei wählbar. Dieser Freiheitsgrad kann in der Arbeitspunktbestimmung genutzt werden.
  • Ausgehend von der Verwendung einiger vorgegebener, fixer Drehzahlstufen werden zwei unterschiedliche Ausführungsformen zur Arbeitspunktbestimmung vorgeschlagen:
    Bei einer ersten Ausführungsform werden kontinuierlich variable Arbeitspunkte vorgesehen, wobei eine Solldrehzahlstufe ausgewählt wird und das Solldrehmoment des Verbrennungsmotors kontinuierlich variabel ist und in Abhängigkeit der Sollleistung bestimmt wird. Hierbei wird das Solldrehmoment des Verbrennungsmotors vorzugsweise derart bestimmt, dass bei dem Solldrehmoment und der ausgewählten Solldrehzahlstufe sich im Wesentlichen eine der Sollleistung entsprechende Leistung des Range-Extenders ergibt. Bei einer festen Drehzahl kann also das Drehmoment kontinuierlich variiert werden, um die geforderte Sollleistung des Range-Extenders im Wesentlichen genau einzustellen.
  • Ferner kann optional eine Leistungshysterese verwendet werden, um die Häufigkeit der Wechsels der Solldrehzahlstufe zu verringern: Im Fall der Zunahme der Sollleistung des Range-Extenders wird bei Erreichen (oder alternativ bei Überschreiten) eines ersten Schwellwerts der Sollleistung von einer niedrigeren Solldrehzahlstufe auf eine höhere Solldrehzahlstufe umgeschaltet; im Fall der Abnahme der Sollleistung des Range-Extenders wird bei Erreichen (oder alternativ bei Unterschreiten) eines zweiten Schwellwerts der Sollleistung von der höheren Solldrehzahlstufe auf die niedrigere Solldrehdrehzahlstufe umgeschaltet wird. Hierbei ist der zweite Schwellwert geringer als der erste Schwellwert.
  • Bei einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrere feste, diskrete Arbeitspunkte vorgesehen, die jeweils durch eine feste Solldrehzahlstufe und ein festes Solldrehmoment gekennzeichnet sind. In Abhängigkeit der Sollleistung wird ein Arbeitspunkt mit einer bestimmten Solldrehzahl und einem bestimmten Solldrehmoment und somit mit einer bestimmten Leistung ausgewählt. Vorzugsweise ist jeder Arbeitspunkt einem jeweiligen Sollleistungsbereich zugeordnet sind. Wenn die Sollleistung innerhalb eines bestimmten Sollleistungsbereichs liegt, wird dann der dem Sollleistungsbereich zugeordnete Arbeitspunkt ausgewählt. Das Solldrehmoment kann grundsätzlich für sämtliche Arbeitspunkte gleich bleiben. Vorzugsweise ist das Solldrehmoment jedoch von Arbeitspunkt zu Arbeitspunkt verschieden. Hierbei kann bei der jeweiligen Drehzahlstufe ein Solldrehmoment verwendet werden, bei dem der Wirkungsgrad möglichst maximal ist. Die Drehzahlstufen sind vorzugsweise durch die akustischen Randbedingungen vorgegeben. Dem Sollleistungsbereich von 10 bis 16 kW wird beispielsweise ein fester Arbeitspunkt mit einer Leistung von 16 kW zugewiesen, der über eine entsprechende Solldrehzahlstufe und ein passende Solldrehmoment mit maximalem Wirkungsgrad eingestellt wird.
  • Die erste Ausführungsform des Verfahrens bietet im Unterschied zu der zweiten Ausführungsform des Verfahrens den Vorteil einer sehr geringen Zyklisierung der Hochvolt-Batterie, denn die tatsächliche Leistung des Range-Extenders entspricht bei der ersten Ausführungsform vorzugsweise im Wesentlichen der bestimmten Sollleistung, während bei der zweiten Ausführungsform die tatsächliche Leistung des gewählten Arbeitspunkts deutlich von der Sollleistungsvorgabe abweichen kann. Der Nachteil der ersten Ausführungsform im Vergleich zur zweiten Ausführungsform ist ein höherer Kraftstoffverbrauch, denn die Wahl des Arbeitspunkts ist bei der ersten Ausführungsform nicht wirkungsgradoptimal.
  • Welches Ausführungsform des Verfahrens verwendet werden sollte, hängt davon ab, welches Optimierungsziel verfolgt wird: geringe Zyklisierung der Hochvolt-Batterie oder ein geringer Kraftstoffverbrauch. Eine Kombination der beiden Ausführungsformen des Verfahrens ist auch denkbar, indem beispielsweise das Drehmoment nur im wirkungsgradoptimalen Bereich variiert wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf eine Steuervorrichtung für einen eine elektrische Maschine und einen Verbrennungsmotor umfassenden Range-Extenders eines Elektrofahrzeugs gerichtet. Die Steuervorrichtung weist eine Funktion zum Bestimmen des Arbeitspunkts des Range-Extenders auf und ist erfindungsgemäße dazu eingerichtet, eine Sollleistung des Range-Extenders zu bestimmen und in Abhängigkeit der Sollleistung eine Solldrehzahlstufe zum Betrieb des Range-Extenders aus einer Mehrzahl vorgegebener, diskreter Solldrehzahlstufen der elektrischen Maschine auszuwählen.
  • Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung; vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen den beschriebenen vorteilhaften Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. In diesen zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuerung eines Range-Extender eines Elektrofahrzeugs;
  • 2 ein beispielhaftes Kennfeld zur Bestimmung der Sollleistung P1 in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit v und dem aktuellen Ladezustand SOCaktuell;
  • 3 einen beispielhaften Zusammenhang zwischen dem Fahrerwunschmoment MWunsch und dem Multiplikationsfaktor;
  • 4 die Verwendung diskreter, fester Arbeitspunkte gemäß einer ersten Variante zur Arbeitspunktbestimmung; und
  • 5 die Verwendung kontinuierlich variabler Arbeitspunkte gemäß einer zweiten Variante zur Arbeitspunktbestimmung.
  • 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuerung eines Range-Extender (nicht dargestellt) in einem Elektrofahrzeug. Für den Range-Extender wird eine serielle Hybridstruktur verwendet, die vom mechanischen Antriebsstrang des Elektrofahrzeugs abgekoppelt ist. Der Verbrennungsmotor des Range-Extenders treibt eine mit dem Verbrennungsmotor mechanisch gekoppelte elektrische Maschine an, die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors in elektrische Leistung wandelt. Die elektrische Leistung kann direkt zur Stromversorgung des das Elektrofahrzeug antreibenden zusätzlichen elektrischen Traktionsmotors und zum Laden der elektrischen Hochvolt-Batterie, die wiederum den elektrischen Traktionsmotor mit Strom versorgt, verwendet werden. Die Steuerung umfasst einen SOC-Regler 1, welches den Ladezustand (State of Charge – SOC) der Hochvolt-Batterie regelt und als Stellgröße eine Sollleistung P1 für den Range-Extender liefert.
  • In Emissionstests (beispielsweise FTP72 in den USA, NEFZ in Europa und JC08 in Japan) ist ein sogenannter SOC neutraler Betrieb (auch als Charge-Sustaining-Betrieb bezeichnet) für ein Elektrofahrzeug mit Range-Extender vorgeschrieben. Im SOC neutralen Betrieb wird der SOC der Hochvolt-Batterie neutral gehalten und muss gemäß der Emissionstestvorgabe in einer vorgegebene Bandbreite für den SOC bleiben. Die Differenz des SOC-Endwertes und des SOC-Anfangswertes bei Einschalten des Range-Extenders darf eine vorgeschriebene Bandbreite nicht überschreiten. Deshalb wird der SOC der Hochvolt-Batterie mittels des Reglers 1 geregelt, wobei der Regler nicht nur während eines Emissionstests sondern auch im normalen Fahrbetrieb zur Reglung des Ladezustands verwendet wird. Vorzugsweise erfolgt die SOC-Regelung über ein Kennfeld mit den Eingangsgrößen aktueller Ladezustand SOCaktuell und Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Sollleistung P1 als Ausgangsgröße. Die Leistungsvorgabe P1 für den Range-Extender ist von diesen beiden Faktoren abhängig. Je mehr der aktuelle Ladezustand SOCaktuell vom Ziel-SOC bei fester Geschwindigkeit nach unten abweicht, desto mehr Leistung muss der Range-Extender aufbringen, um den Ladezustand neutral zu halten, und umso größer ist die Leistungsvorgabe P1 für den Range-Extender. Andererseits sollte der Range-Extender ebenfalls mehr Leistung abliefern, wenn das Fahrzeug im oberen Geschwindigkeitsbereich fährt, denn in diesem Fall besteht ein Mehrbedarf an Fahrleistung. Akustisch ist dies zulässig und auch begründbar, denn im oberen Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich überdeckt das Fahrgeräusch, nämlich das Wind- und Rollgeräusch, das Geräusch des Range-Extenders. Außerdem ist der Fahrer von konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor her an ein erhöhtes Motorgeräusch bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit und bei einem Beschleunigungsvorgang gewöhnt.
  • In 2 ist ein Beispiel für ein derartiges Kennfeld dargestellt, aus welchem sich bei gegebener Fahrzeuggeschwindigkeit v und dem aktuellem Ladezustand SOCaktuell der Hochvolt-Batterie ein Wert für die Sollleistung P1 (s. die Linien konstanter Leistung P1 mit den Leistungswerten P1 = 0 kW, 5 kW, 10 kW, 15 kW und 20 kW bestimmen lässt. Für den Fall, dass der aktuelle Ladezustand SOCaktuell dem Ziel-SOC entspricht ist die Leistung P1 gleich null.
  • Im Block 2 wird die über das Kennfeld berechnete Sollleistung P1 an die Fahrsituation angepasst und in eine Sollleistung P2 modifiziert. Zur Angabe der Sollleistung P2 wird die Sollleistung P1 mit einem Faktor multipliziert. Der Faktor hängt beispielsweise vom Fahrerwunschmoment ab. Es ist denkbar, den Faktor darüber hinaus von anderen Einflussgrößen, wie beispielsweise die Steigung der Fahrstrecke, abhängig zu machen. Der Multiplikationsfaktor nimmt mit Zunahme des Fahrerwunschmomentes zu, so dass die resultierende Sollleistung P2 mit zunehmendem Fahrerwunschmoment zunimmt. Im Rekuperationsfall, d. h. für ein Fahrerwunschmoment kleiner null, sinkt der Faktor unter 1, so dass die resultierende Sollleistung P2 gegenüber der Sollleistung P1 reduziert wird. Ein beispielhafter Zusammenhang zwischen dem Fahrerwunschmoment und dem Multiplikationsfaktor ist in 3 dargestellt.
  • Bei der Betriebsstrategie des Range-Extenders, insbesondere bei der Bestimmung der Sollleistung P2, können weitere Aspekte berücksichtigt werden:
    Beispielsweise kann vorgesehen werden, dass der Range-Extender nicht im niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich betrieben wird. Das Fahrzeug ist nämlich primär ein Elektrofahrzeug und der rein elektrische Betrieb sollte für den Fahrer auch erlebbar sein. Hierfür werden beispielsweise eine Einschaltschwelle für den Range-Extender von beispielsweise 30 km/h und eine Ausschaltschwelle für den Range-Extender von beispielsweise 25 km/h festgelegt. Unterhalb dieser Schwellen ist ein Betrieb des Range-Extenders im Normalfall nicht zulässig. Mit derartigen Schwellwerten wird der Betrieb des Range-Extenders im Stand und beim Rangieren unterbunden. Die Sollleistung P2 wird in diesen Fällen beispielsweise auf 0 W gesetzt.
  • Die Leistungsansteuerung des Range-Extenders kann von der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Beschleunigung und der Steigung der Fahrstrecke (beispielsweise bei Bergauffahrt) abhängig gemacht werden. Hierfür kann beispielsweise die Sollleistung P2 je nach Fahrsituation angepasst werden. Generell sollte der Range-Extender vorzugsweise so wenig wie möglich eingesetzt werden, damit der Charakter eines Elektrofahrzeugs erhalten bleibt.
  • Vorzugsweise wird der Energiedurchsatz möglichst gering gehalten, denn dieser wirkt quadratisch auf die Lebensdauer der Hochvolt-Batterie. Der Energiedurchsatz kann über die vorstehend beschriebene Sollleistungsanpassung und eine kontinuierliche Leistungseinstellung minimiert werden.
  • Unter optionaler Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Aspekte wird eine Sollleistung P2 im Block 2 für den Range-Extender festgelegt. Im anschließenden Block 3 wird in Abhängigkeit der Sollleistung P2 der Arbeitspunkt des Range-Extenders zur Bereitstellung der geforderten Sollleistung P2 bestimmt. Hierbei können optional weitere Einflussfaktoren in die Arbeitspunktbestimmung einfließen. Beispielsweise kann die Fahrzeuggeschwindigkeit in der Weise berücksichtigt werden, dass bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit eine hohe Solldrehzahl nEM der elektrischen Maschine vermieden wird.
  • Bei der Arbeitspunktbestimmung geht um die Bestimmung zweier Sollsteuergrößen, nämlich des Solldrehmoments MVM des Verbrennungsmotors und der Solldrehzahl nEM der elektrischen Maschine des Range-Extenders. Diese beiden Sollsteuergrößen MVM, nEM stellen die Ausgangsgrößen des Blocks 3 dar. Die Solldrehzahl nEM wird an eine Drehzahlregelung zur Regelung der Drehzahl der elektrischen Maschine übergeben (nicht dargestellt); aus dem Solldrehmoment MVM werden Soll-Motorparameter (beispielsweise Zündwinkel, Kraftstoffmenge, etc.) zur Ansteuerung des Verbrennungsmotors bestimmt (nicht dargestellt).
  • Die Drehzahl nEM sollte vorzugsweise so gewählt werden, dass die Anregung von Resonanzfrequenzen des Verbrennungsmotors oder Fahrzeugresonanzfrequenzen vermieden wird. Gerade diesbezüglich gibt es häufig sehr enge Beschränkungen. Daher wird der Range-Extender erfindungsgemäß nur mit einigen vorgegebenen, festen Drehzahlstufen betrieben. Der Freiheitsgrad in der Drehzahl ist nur bedingt gegeben.
  • Hingegen ist das Drehmoment grundsätzlich frei wählbar. Dieser Freiheitsgrad wird in der Arbeitspunktbestimmung genutzt.
  • Grundsätzlich werden zwei unterschiedliche Varianten zur Arbeitspunktbestimmung vorgeschlagen.
  • Bei der ersten Variante werden feste, diskrete Arbeitspunkte mit jeweils einer festen Solldrehzahl nEM und einem festen Solldrehmoment MVM verwendet, wobei jeder Arbeitspunkt einer bestimmten Leistung des Range-Extenders entspricht. In Abhängigkeit der Solleistung P2 wird ein passender Arbeitspunkt ausgewählt. Verschiedenen Sollleistungsbereichen für die Sollleistung P2 sind unterschiedliche Arbeitspunkte zugewiesen. Die verschiedenen Drehzahlstufen der verschiedenen Arbeitspunkte werden durch die akustischen Randbedingungen vorgegeben. Das jeweilige Drehmoment MVM der einzelnen Arbeitspunkte wird vorzugsweise unter der Prämisse ausgewählt, dass hierbei der Wirkungsgrad sein Maximum aufweist. Diese Variante minimiert den Verbrauch, jedoch auf Kosten einer höheren Zyklisierung der Hochvolt-Batterie, da die tatsächlich eingestellte Leistung des Range-Extenders in den meisten Fällen von der Sollvorgabe P2 abweicht.
  • In 4 ist ein Beispiel für die Verwendung diskreter Arbeitspunkte dargestellt. In dem Diagramm sind verschiedene Linien dargestellt, wobei auf den einzelnen Linien jeweils ein konstantes Solldrehmoment MVM herrscht. Ferner ist die Richtung der Zunahme des Drehmoments dargestellt. Gemäß 4 stehen drei Arbeitspunkte AP1, AP2 und AP3 zur Verfügung. Im Arbeitspunkt AP1 entspricht die Solldrehzahl nEM der Drehzahlstufe nEM,1, im Arbeitspunkt AP2 entspricht die Solldrehzahl nEM der Drehzahlstufe nEM,2 und im Arbeitspunkt AP3 entspricht die Solldrehzahl nEM der Drehzahlstufe nEM,3. In 4 sind die Solldrehmomente MVM für die drei Arbeitspunkte AP1, AP2 und AP3 nicht gleich, verzugsweise wird für die einzelnen Drehzahlstufen jeweils das optimale Solldrehmoment verwendet, bei dem der Wirkungsgrad bei der jeweiligen Drehzahlstufe maximal ist. Es könnten aber alternativ auch identische Solldrehmomente MMV für die drei Arbeitspunkte AP1, AP2 und AP3 verwendet werden. Die tatsächlich sich ergebenden Leistungswerte der drei Arbeitspunkte AP1, AP2 und AP3 sind beispielsweise 12 kW, 16 kW und 28 kW. Für Werte für P2 im Bereich P2 ≥ 3 kW und P2 ≤ 12 kW wird beispielsweise der Arbeitspunkt AP1 ausgewählt. Für Werte für P2 im Bereich P2 > 12 kW und P2 ≤ 16 kW wird beispielsweise der Arbeitspunkt AP2 ausgewählt. Für Werte für P2 im Bereich P2 > 16 kW wird beispielsweise der Arbeitspunkt AP3 ausgewählt. Für Leistungswerte P2 kleiner als ein Schwellwert (hier 3 kW) kann optional vorgesehen werden, dass der Range-Extender nicht in Betrieb genommen wird, so dass in diesem Fall kein Arbeitspunkt bestimmt wird. Zum Umschalten zwischen den einzelnen Arbeitspunkten kann optional zwischen den einzelnen Arbeitspunkten eine Hysterese vorgesehen sein, damit die Umschalthäufigkeit reduziert wird. Dies wird im Zusammenhang mit 5 bei der zweiten Variante genauerer erläutert.
  • Bei einer zweiten Variante werden variable Arbeitspunkte verwendet, wobei die Solldrehzahl nEM aus einer Mehrzahl fester Solldrehmomentstufen ausgewählt wird und das Solldrehmoment MVM kontinuierlich variiert werden kann. Durch die kontinuierliche Variabilität des Solldrehmoments MVM kann erreicht werden, dass die tatsächlich eingestellte Leistung der Sollleistung P2 im Wesentlichen entspricht. Ferner kann optional eine Leistungshysterese verwendet werden, um die Häufigkeit des Wechsels der Solldrehzahlstufe zu verringern. Vorteil dieser Variante ist eine geringe Zyklisierung der Hochvolt-Batterie, da die tatsächliche Leistung des Range-Extenders der Leistungsvorgabe P2 im Wesentlichen folgt. Der Nachteil ist ein höherer Kraftstoffverbrauch, denn die Wahl des Arbeitspunkts ist nicht immer wirkungsgradoptimal.
  • In 5 ist ein Beispiel für die Verwendung variabler Arbeitspunkte dargestellt. Wie in 4 sind auch hier verschiedene Linien dargestellt, wobei auf den einzelnen Linien jeweils ein konstantes Solldrehmoment MVM herrscht. Bei der Wahl des Arbeitspunktes kann eine der drei Drehzahlstufen nEM,1, nEM,2 und nEM,3 in Abhängigkeit der Leistungsvorgabe P2 ausgewählt werden. Die Drehzahlstufe kann beispielsweise in Abhängigkeit der Sollleistung P2 so gewählt werden, dass bei niedriger Leistungsanforderung (niedriger Sollleistung) eine Drehzahlstufe mit niedriger Drehzahl und bei hoher Leistungsanforderung (d. h. hoher Sollleistung) eine Drehzahlstufe mit höherer Drehzahl eingestellt werden. Das Solldrehmoment MVM des Verbrennungsmotors wird so ausgewählt, dass die tatsächliche Leistung der Leistungsvorgabe P2 im Wesentlichen entspricht. Hierzu kann bei konstanter Drehzahl nEM das Drehmoment und damit auch die von dem Range-Extender bereitgestellte Leistung entlang der drei vertikalen Arbeitspunktlinien APL1, APL2 und APL3 variiert werden. In der ersten Arbeitspunktlinie APL1 bei der ersten Drehzahlstufe nEM,1 kann die Leistung im Bereich von 3 bis 12 kW variiert werden, in der zweiten Arbeitspunktlinie APL2 bei der zweiten Drehzahlstufe nEM,2 kann die Leistung im Bereich von 10 bis 16 kW variiert werden und in der dritten Arbeitspunktlinie APL3 bei der dritten Drehzahlstufe nEM,3 kann die Leistung im Bereich von 14 bis 28 kW variiert werden.
  • Ferner sind in 5 eine Hysterese zwischen der ersten Drehzahlstufe n1 und der zweiten Drehzahlstufe nEM,2 und eine Hysterese zwischen der zweiten Drehzahlstufe nEM,2 und der dritten Drehzahlstufe nEM,3 dargestellt. Im Fall der Zunahme der Sollleistung P2 des Range-Extenders wird bei Erreichen (oder alternativ bei Überschreiten) eines ersten Schwellwerts (in 5 bei 12 kW oder bei 16 kW) der Sollleistung P2 von einer niedrigeren Solldrehzahlstufe (nEM,1 bzw. nEM,2) auf eine höhere Solldrehzahlstufe (beispielsweise nEM,2 bzw. nEM,3) umgeschaltet; im Fall der Abnahme der Sollleistung des Range-Extenders wird bei Erreichen oder alternativ bei Unterschreiten eines zweiten Schwellwerts (in 5 bei 10 kW oder bei 14 kW) der Sollleistung von der höheren Solldrehzahlstufe (nEM,2 bzw. nEM,3) auf die niedrigere Solldrehdrehzahlstufe (nEM,1 bzw. nEM,3) umgeschaltet, wobei der zweite Schwellwert geringer als der erste Schwellwert ist.
  • Eine Kombination der beiden Varianten ist auch denkbar, indem beispielsweise das Solldrehmoment MVM nur im wirkungsgradoptimalen Bereich variiert wird.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Bestimmen des Arbeitspunkts (AP1, AP2, AP3; APL1; APL2, APL3) eines eine elektrische Maschine und einen Verbrennungsmotor umfassenden Range-Extenders eines Elektrofahrzeugs, – Bestimmen einer Sollleistung (P2) des Range-Extenders und – Auswählen einer Solldrehzahlstufe zum Betrieb des Range-Extenders aus einer Mehrzahl vorgegebener, diskreter Solldrehzahlstufen (nEM,1, nEM,2, nEM,3) der elektrischen Maschine in Abhängigkeit der Sollleistung (P2) des Range-Extenders.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den zusätzlichen Schritt: – Bestimmen eines kontinuierlich variablen Solldrehmoments (MVM) des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit der Sollleistung (P2).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Solldrehmoment (MVM) des Verbrennungsmotors derart bestimmt wird, dass bei dem Solldrehmoment (MVM) und der ausgewählten Solldrehzahlstufe (nEM,1, nEM,2, nEM,3) sich im Wesentlichen eine der Sollleistung (P2) entsprechende Leistung des Range-Extenders ergibt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren eine Hysterese verwendet, wobei im Fall der Zunahme der Sollleistung (P2) des Range-Extenders bei Erreichen oder alternativ bei Überschreiten eines ersten Schwellwerts der Sollleistung (P2) von einer niedrigeren Solldrehzahlstufe (nEM,1, nEM,2) auf eine höhere Solldrehzahlstufe (nEM,2, nEM,3) umgeschaltet wird und im Fall der Abnahme der Sollleistung (P2) des Range-Extenders bei Erreichen oder alternativ bei Unterschreiten eines zweiten Schwellwerts der Sollleistung (P2) von der höheren Solldrehzahlstufe (nEM,2, nEM,3) auf die niedrigere Solldrehdrehzahlstufe (nEM,1, nEM,2) umgeschaltet wird, wobei der zweite Schwellwert geringer als der erste Schwellwert ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Solldrehmoment (MVM) bei Änderung der Sollleistung in einem wirkungsgradoptimalen Bereich variiert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei verschiedenen Sollleistungsbereichen verschiedene Arbeitspunkte (AP1, AP2, AP3) mit jeweils einer Solldrehzahlstufe (nEM,1, nEM,2, nEM,3) und einem Solldrehmoment zugeordnet sind und ein Arbeitspunkt (AP1, AP2, AP3) entsprechend der Zuordnung in Abhängigkeit der Solleistung (P2) ausgewählt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das jeweilige Solldrehmoment eines Arbeitspunkts (AP1, AP2, AP3) derart festgelegt ist, dass bei der jeweiligen Solldrehzahlstufe (nEM,1, nEM,2, nEM,3) des gewählten Arbeitspunkts der Wirkungsgrad im Wesentlichen maximal ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sollleistung (P2) des Range-Extenders von einem Fahrerwunschmoment (Mwunsch) abhängig ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sollleistung (P2) des Range-Extenders durch Multiplizieren einer Sollleistungsgröße (P1) mit einem vom Fahrerwunschmoment (Mwunsch) abhängigen Faktor bestimmt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sollleistung (P2) des Range-Extenders in Abhängigkeit des Ladezustands der Batterie (SOCaktuell) und der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) bestimmt wird, insbesondere über ein Kennfeld.
  11. Steuervorrichtung für einen eine elektrische Maschine und einen Verbrennungsmotor umfassenden Range-Extenders eines Elektrofahrzeugs mit einer Funktion zum Bestimmen des Arbeitspunkts (AP1, AP2, AP3; APL1; APL2, APL3) des Range-Extenders, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, – eine Sollleistung (P2) des Range-Extenders zu bestimmen und – eine Solldrehzahlstufe zum Betrieb des Range-Extenders aus einer Mehrzahl vorgegebener, diskreter Solldrehzahlstufen (nEM,1, nEM,2, nEM,3) der elektrischen Maschine in Abhängigkeit der Sollleistung (P2) des Range-Extenders auszuwählen.
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