DE102013112678A1 - Method for controlling a state of charge of a battery of a vehicle electrical system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Steuergerät und ein Verfahren zur Steuerung eines Ladezustandes einer Batterie eines Fahrzeuges, wobei elektrische Verbraucher des Fahrzeuges und elektrische Stromgeneratoren des Fahrzeuges in der Weise betrieben werden, dass eine variable untere Ladegrenze der Batterie nicht unterschritten wird, wobei die untere Ladegrenze abhängig von einer elektrischen Leistung aktiver Verbraucher des Fahrzeuges, einem Leistungsvorhalt für transiente Verbraucher des Fahrzeuges und abhängig von Innenwiderstand und Spannung der Batterie berechnet wird, und wobei eine variable obere Ladegrenze nicht überschritten wird, wobei die variable obere Ladegrenze abhängig von einer elektrischen Leistung der elektrischen Stromgeneratoren und abhängig von Innenwiderstand und Spannung der Batterie ermittelt wird.The invention relates to a control device and a method for controlling a state of charge of a battery of a vehicle, wherein electrical consumers of the vehicle and electric power generators of the vehicle are operated in such a way that a variable lower charging limit of the battery is not exceeded, the lower charging limit depending on an electric power active consumer of the vehicle, a power reserve for transient consumers of the vehicle and dependent on internal resistance and voltage of the battery is calculated, and wherein a variable upper charging limit is not exceeded, the variable upper charging limit depending on an electric power of the electric power generators and is determined depending on the internal resistance and voltage of the battery.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Ladezustandes einer Batterie gemäß Patentanspruch 1 und ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 8. The invention relates to a method for controlling a state of charge of a battery according to claim 1 and a control device for carrying out the method according to claim 8.
Im Stand der Technik ist aus
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines Ladezustandes einer Batterie und ein verbessertes Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, welche Bordnetzzustand bzw. Betriebsmodi berücksichtigen. The object of the invention is to provide an improved method for controlling a state of charge of a battery and an improved control device for carrying out the method, which take into account the electrical system state or operating modes.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch das Steuergerät gemäß Patentanspruch 8 gelöst. The object of the invention is achieved by the method according to claim 1 and by the control device according to claim 8.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Ein Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass eine variable untere Ladungsgrenze der Batterie vorgegeben wird. Die untere Ladegrenze wird abhängig von einer elektrischen Leistung aktiver Verbraucher, wie z.B. Beleuchtung, und eines Leistungsvorhalts für transiente Verbraucher, insbesondere Hochleistungsverbraucher wie z.B. Sicherheitssysteme, des Fahrzeuges, abhängig vom Innenwiderstand der Batterie und abhängig von der Spannung der Batterie berechnet. Dabei sind transiente Verbraucher solche, die nur kurzzeitig betrieben werden und somit nur einen geringen Energiebedarf haben, wobei insbesondere transiente Hochleistungsverbraucher jedoch einen hohen Leistungsbedarf haben. Somit wird die untere Ladegrenze präzise ermittelt. An advantage of the method described is that a variable lower charge limit of the battery is specified. The lower charging limit becomes dependent on an electric power of active consumers, such as e.g. Lighting, and a Leistungsvorhalts for transient consumers, especially high-performance consumers such. Safety systems, of the vehicle, depending on the internal resistance of the battery and calculated on the voltage of the battery. In this case, transient consumers are those that are operated only for a short time and thus have only a low energy consumption, but in particular transient high-performance consumers have a high power consumption. Thus, the lower loading limit is precisely determined.
Die elektrischen Verbraucher des Fahrzeuges und elektrische Stromgeneratoren wie z.B. ein Riemen-, Kurbelwellen- oder Integrierter Startergenerator oder eine Wankstabilisierung werden in der Weise betrieben, dass die variable untere Ladegrenze der Batterie nicht unterschritten wird. Dadurch ist eine individuelle Anpassung der unteren Ladegrenze an einen vorgegebenen Zustand der Batterie möglich. The electrical consumers of the vehicle and electric power generators such as e.g. a belt, crankshaft or integrated starter generator or roll stabilization are operated in such a way that the variable lower charging limit of the battery is not exceeded. As a result, an individual adaptation of the lower charging limit to a predetermined state of the battery is possible.
In einer Ausführungsform wird als elektrische Leistung wenigstens die Leistung verwendet, die ein Startergenerator zum Starten des Verbrennungsmotors benötigt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Batterie ausreichend Energie zum Starten der Brennkraftmaschine nach einem Stillstand aufweist. In one embodiment, at least the power required by a starter generator to start the internal combustion engine is used as electrical power. In this way it is ensured that the battery has sufficient energy to start the internal combustion engine after a standstill.
Mit Hilfe dieses Verfahrens wird eine Optimierung des Energieverbrauchs der Batterie erreicht. Durch die Vorgabe der variablen unteren Ladegrenze der Batterie wird eine bessere Anpassung der Flexibilität beim Verbrauchen elektrischer Energie und der Flexibilität beim Aufladen der Batterie, beispielsweise durch eine Rekuperation von elektrischer Energie, erreicht. With the help of this method, an optimization of the energy consumption of the battery is achieved. By specifying the variable lower charging limit of the battery, a better adaptation of the flexibility in consuming electrical energy and the flexibility in charging the battery, for example by a recuperation of electrical energy is achieved.
Zudem wird eine variable obere Ladungsgrenze der Batterie vorgegeben. Die variable obere Ladegrenze wird abhängig von einer elektrischen Leistung der elektrischen Stromgeneratoren, abhängig von der Spannung der Batterie und abhängig vom Innenwiderstand der Batterie ermittelt. Somit wird die obere Ladegrenze an einen aktuellen Zustand der Batterie angepasst. Damit ist eine präzise Festlegung der oberen Ladegrenze möglich. In addition, a variable upper charge limit of the battery is specified. The variable upper charging limit is determined depending on an electric power of the electric power generators depending on the voltage of the battery and the internal resistance of the battery. Thus, the upper charging limit is adjusted to a current state of the battery. This allows precise definition of the upper loading limit.
In einer Ausführungsform kann die obere Ladegrenze abhängig von der Ladeleistung des Startergenerators ermittelt werden. Damit ist sichergestellt, dass eine Rekuperation von Energie durch Stromgeneratoren immer gespeichert werden kann. Somit wird eine maximale Ausnutzung der möglichen Rekuperation der Stromgeneratoren erreicht. In one embodiment, the upper charging limit may be determined depending on the charging power of the starter generator. This ensures that a recuperation of energy can always be stored by electricity generators. Thus, a maximum utilization of the possible recuperation of the power generators is achieved.
Mit Hilfe dieses Verfahrens wird eine weitere Optimierung des Energieverbrauchs der Batterie erreicht. Durch die Vorgabe der variablen oberen Ladegrenze der Batterie besteht eine verbesserte Anpassung der Flexibilität beim Verbrauchen elektrischer Energie und der Flexibilität beim Aufladen der Batterie, insbesondere durch eine Rekuperation von elektrischer Energie. With the help of this method, a further optimization of the energy consumption of the battery is achieved. By setting the variable upper charging limit of the battery there is an improved adaptation of the flexibility in consuming electrical energy and the flexibility in charging the Battery, in particular by a recuperation of electrical energy.
In einer weiteren Ausführungsform wird die untere Ladegrenze abhängig von einer vorgegebenen minimalen Klemmenspannung der Batterie ermittelt. Somit wird sichergestellt, dass die vorgegebene Mindestspannung der Batterie nicht unterschritten wird. In a further embodiment, the lower charging limit is determined as a function of a predetermined minimum terminal voltage of the battery. This ensures that the specified minimum voltage of the battery is not undershot.
In einer weiteren Ausführungsform wird die obere Ladegrenze abhängig von einer vorgegebenen maximalen Klemmenspannung der Batterie ermittelt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Ladeleistung der Stromgeneratoren in der Batterie gespeichert werden kann, ohne die Maximalspannung zu überschreiten. In a further embodiment, the upper charging limit is determined as a function of a predetermined maximum terminal voltage of the battery. In this way it is ensured that the charging power of the power generators can be stored in the battery without exceeding the maximum voltage.
In einer weiteren Ausführungsform wird die untere Ladegrenze abhängig von einem Leistungsvorhalt sicherheitsrelevanter Verbraucher ermittelt. Somit wird sichergestellt, dass die Batterie die elektrischen Verbraucher versorgen kann, die für sicherheitsrelevante Funktionen des Fahrzeugs benötigt werden. Somit wird gewährleistet, dass die sicherheitsrelevanten Verbraucher des Fahrzeuges auf alle Fälle von der Batterie elektrisch versorgt werden können. Dadurch wird die Sicherheit beim Betreiben des Fahrzeugs auch bei dem beschriebenen Verfahren ermöglicht. In a further embodiment, the lower charging limit is determined as a function of a power consumption of safety-relevant consumers. This ensures that the battery can supply the electrical consumers that are required for safety-related functions of the vehicle. This ensures that the safety-relevant consumers of the vehicle can be supplied by the battery in any case. As a result, the safety when operating the vehicle is also made possible in the described method.
In einer weiteren Ausführungsform wird die untere Ladegrenze abhängig von Leistungsspitzen von Verbrauchern, insbesondere von sicherheitsrelevanten Verbrauchern ermittelt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass ein genügendes vorgebbares Spannungsniveau, z.B. ein Ruhespannungsniveau, für Leistungsspitzen der Verbraucher in der Batterie verfügbar ist. In a further embodiment, the lower charging limit is determined as a function of power peaks of consumers, in particular of safety-relevant consumers. In this way it is ensured that a sufficient specifiable stress level, e.g. a quiescent voltage level is available for power peaks of the consumers in the battery.
In einer weiteren Ausführungsform wird laufend während des Betriebs des Fahrzeugs vorzugsweise in festgelegten Zeitabständen eine Batteriediagnose durchgeführt, wobei insbesondere der Innenwiderstand und/oder die aktuelle Klemmenspannung ermittelt werden. Somit liegen immer aktuelle Werte für den Innenwiderstand und die Klemmenspannung vor. Damit können die unteren und/oder der oberen Ladegrenze genau ermittelt werden. In a further embodiment, a battery diagnosis is carried out continuously during operation of the vehicle, preferably at fixed time intervals, wherein, in particular, the internal resistance and / or the current terminal voltage are determined. Thus, there are always current values for the internal resistance and the terminal voltage. Thus, the lower and / or the upper loading limit can be determined accurately.
In einer weiteren Ausführungsform wird laufend während des Betriebs des Fahrzeugs eine Verbraucherdiagnose durchgeführt, bei der die aktiven elektrischen Verbraucher und ein Energievorhalt, z.B. zum Boosten und insbesondere für transiente sicherheitsrelevante Verbraucher, ermittelt werden. In einer Ausführungsform wird die elektrische Leistung der aktiven elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs sowie der Leistungsvorhalt insbesondere für die sicherheitsrelevanten Verbraucher ermittelt und aufsummiert. Diese Summe der elektrischen Leistung wird bei der Ermittlung der unteren Ladegrenze berücksichtigt. Damit kann die untere Ladegrenze präzise ermittelt werden, da alle Verbraucher berücksichtigt werden. Somit wird sichergestellt, dass diese elektrischen Verbraucher auch ohne weitere Aufladung der Batterie betrieben werden können. In another embodiment, during the operation of the vehicle, a consumer diagnosis is performed continuously, in which the active electrical loads and an energy reserve, e.g. for boosting, and in particular for transient safety relevant consumers. In one embodiment, the electrical power of the active electrical load of the vehicle and the power reserve is determined in particular for the safety-relevant consumers and added up. This sum of electrical power is taken into account when determining the lower charging limit. Thus, the lower loading limit can be determined precisely, since all consumers are taken into account. This ensures that these electrical consumers can be operated without further charging the battery.
In einer weiteren Ausführungsform wird laufend während des Betriebs des Fahrzeugs während der Verbraucherdiagnose ermittelt, welche maximale Rekuperationsleistung oder Rekuperationsenergie mit Hilfe der elektrischen Stromgeneratoren des Fahrzeugs erzeugt kann. Die maximale Rekuperationsleistung bzw. Rekuperationsenergie wird bei der Ermittlung der oberen Ladegrenze berücksichtigt. Somit wird sichergestellt, dass die Batterie ausreichend freie Ladekapazität zur Verfügung hat, um die maximale Rekuperationsleistung aufnehmen zu können. Damit wird sichergestellt, dass die zur Verfügung stehende Rekuperationsleistung auch gespeichert werden kann. In a further embodiment, it is continuously determined during the operation of the vehicle during the consumer diagnosis, which maximum recuperation power or recuperation energy can be generated by means of the electric power generators of the vehicle. The maximum recuperation power or recuperation energy is taken into account when determining the upper charging limit. This ensures that the battery has enough free charging capacity to absorb the maximum recuperation power. This ensures that the available recuperation power can also be stored.
In einer weiteren Ausführungsform wird die untere Ladegrenze als Funktion einer vorgegebenen minimalen Ruhespannung der Batterie und einer ersten Leistungsreserve geteilt durch eine vorgegebene minimale Klemmenspannung der Batterie multipliziert mit dem aktuellen Innenwiderstand der Batterie, berechnet. In a further embodiment, the lower charge limit is calculated as a function of a predetermined minimum open circuit voltage of the battery and a first power reserve divided by a predetermined minimum terminal voltage of the battery multiplied by the current internal resistance of the battery.
In einer weiteren Ausführungsform wird die obere Ladegrenze als Funktion einer vorgegebenen maximalen Ruhespannung der Batterie und einer zweiten Leistungsreserve geteilt durch die eine vorgebbare maximale Klemmenspannung der Batterie multipliziert mit dem aktuellen Innenwiderstand der Batterie, berechnet. In a further embodiment, the upper charging limit is calculated as a function of a predetermined maximum open circuit voltage of the battery and a second power reserve divided by a predefinable maximum terminal voltage of the battery multiplied by the current internal resistance of the battery.
In einer weiteren Ausführungsform werden eine Fahrerwunscherfüllung und eine Kraftstoffeinsparung beispielsweise durch ein Gesamtfahrzeug-Energiemanagement erreicht, bei dem sich der Ladezustand der Batterie zwischen der unteren und der oberen Ladegrenze befindet. Dabei können auch Betriebsphasen wie beispielsweise eine Lastpunktverschiebung, eine Rekuperation, Motor-Ausphasen und eine Boost-Phase, bei der ein Elektromotor zusätzlich den Verbrennungsmotor unterstützt, durchgeführt werden. Zudem ergibt sich Spannungsstabilität indem sich die Spannung nur innerhalb vorgebbarer oberer und unterer Spannungsgrenzwerte bewegt. In another embodiment, driver satisfaction and fuel economy are achieved, for example, by overall vehicle energy management, where the state of charge of the battery is between the lower and upper charge limits. In this case, operating phases such as a load point shift, a recuperation, engine phase out and a boost phase in which an electric motor additionally supports the internal combustion engine can be performed. In addition, voltage stability results in that the voltage only moves within predeterminable upper and lower voltage limits.
Zudem eignet sich das beschriebene Verfahren für ein Bordnetz, bei dem ein Teil des Bordnetzes mit 12 V und ein weiterer Teil des Bordnetzes mit 48 V betrieben wird. Vorzugsweise ist ein Startergenerator vorgesehen, der im Bereich des 48 V-Bordnetzes angeordnet ist. Zudem ist ein DC/DC-Wandler (Hoch-/ Tiefsetzsteller) vorgesehen, der einen Ausgleich der elektrischen Ladungen zwischen dem 12 V und dem 48 V-Bordnetzsystem übernimmt. In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich zum innenwiderstandsabhängigen Spannungseinbruch beim Motorstart durch den Startergenerator vorzugsweise eine transiente Leistungsaufnahme von Hochstromverbrauchern, insbesondere von sicherheitskritischen Hochstromverbrauchern, berücksichtigt. Zudem wird abhängig von der gewählten Ausführung ein innenwiderstandsabhängiger Spannungsanstieg der Batterie bei Spitzen einer Ladeleistung des Startergenerators berücksichtigt. Zudem kann ein innenwiderstandsabhängiger Spannungsanstieg der Batterie bei Spitzen einer Ladeleistung weiterer elektrischer Stromgeneratoren berücksichtigt werden. In addition, the method described is suitable for a vehicle electrical system in which a part of the electrical system is operated with 12 V and another part of the electrical system with 48 V. Preferably, a starter generator is provided, which is arranged in the region of the 48 V electrical system. In addition, a DC / DC converter (high / Step-down converter), which compensates for the electrical charges between the 12 V and the 48 V electrical system. In a further embodiment, in addition to the internal resistance-dependent voltage dip at engine start by the starter generator, a transient power consumption of high-current consumers, in particular of safety-critical high-current consumers, is preferably taken into account. In addition, depending on the selected embodiment, an internal resistance-dependent voltage rise of the battery is taken into account at peaks of a charging power of the starter generator. In addition, an internal resistance-dependent voltage rise of the battery can be taken into account at peaks of a charging power of further electric power generators.
Hochstromverbraucher, die transiente Leistungsspitzen aufweisen, sind beispielsweise eine elektrische Vorderachslenkung EPS, eine elektrische Hinterachselenkung HAL, eine Wankstabilisierung eAWS usw. Ein Ziel des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass beim Betrieb des Kraftfahrzeugs bei auftretenden elektrischen Verbrauchslasten und auftretenden elektrischen Ladeleistungen z.B. durch Rekuperation der Spannungsabfall der Batterie und der Spannungsanstieg der Batterie innerhalb der Betriebsspannungsgrenzen gehalten werden kann. High-current consumers having transient power peaks are, for example, an electric front-axle steering EPS, an electric rear axle steering HAL, roll stabilization eAWS, etc. An objective of the described method is that during operation of the motor vehicle when electrical consumption loads occur and electrical charging powers occur. by recuperation the voltage drop of the battery and the voltage rise of the battery can be kept within the operating voltage limits.
Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens wird eine Spannungsstabilität des Bordnetzes sichergestellt. Maximale Rekuperationspotentiale werden abhängig vom Fahrerwunsch und abhängig von einem Gesamtfahrzeug-Energiemanagement ausgenutzt, wobei die vorgegebene untere Ladegrenze und die vorgegebene obere Ladegrenze eingehalten werden. With the help of the method described a voltage stability of the electrical system is ensured. Maximum recuperation potentials are exploited depending on the driver's request and depending on a total vehicle energy management, whereby the predetermined lower charging limit and the predetermined upper charging limit are met.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. Show it:
Die erste Batterie
In einem ersten Zeitabschnitt zwischen einem nullten Zeitpunkt t0 und einem ersten Zeitpunkt t1 befindet sich das Fahrzeug in einem Start-Stopp-Betrieb. Dabei ist die Verbrennungsmotor gestoppt. Entsprechend ist das Fahrpedal nicht gedrückt, aber die Bremse gedrückt. In einem zweiten Zeitabschnitt zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und einem zweiten Zeitpunkt t2 befindet sich das Fahrzeug in einem Betrieb, bei dem sowohl eine Lastpunktverschiebung als auch eine Boost-Funktion vorgesehen sein kann. Bei der Lastpunktverschiebung wird die zweite Batterie über den Startergenerator
Bei einem Boost-Betrieb wird der Startergenerator
Während eines vierten Zeitbereichs, der zwischen dem dritten Zeitpunkt t3 und einem vierten Zeitpunkt t4 liegt, befindet sich das Fahrzeug in einer Rekuperationsphase. Dabei wird über elektrische Stromgeneratoren, wie beispielsweise den Startergenerator
Die variable minimale untere Ladegrenze wird abhängig von einer vorgegebenen minimalen Klemmenspannung Umin, einer ersten, positiven Leistungsreserve P1 zur Leistungslieferung und einem Innenwiderstand Ri der zweiten Batterie
Für die Berechnung der oberen Ladegrenze kann folgende Funktion verwendet werden:
Der Startergenerator
Dabei wird beispielsweise fortlaufend, d. h. in vorgegebenen Zeitabständen, solange das Fahrzeug in Betrieb ist, folgender Ablauf durchlaufen:
Zunächst werden während einer Batteriediagnose ein aktueller Innenwiderstand Ri der zweiten Batterie
First, during a battery diagnosis, a current internal resistance Ri of the
Ergibt die Abfrage bei Programmpunkt
Nach dem Start bei Programmpunkt
Anschließend wird bei einem folgenden Programmpunkt
In einem parallelen Zweig wird nach dem Start des Programms bei Programmpunkt
Bei der Durchführung der Berechnung bei Programmpunkt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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