DE102014201265A1

DE102014201265A1 - Powerboost für Fahrzeuge mit Elektroantrieb

Info

Publication number: DE102014201265A1
Application number: DE102014201265.1A
Authority: DE
Inventors: Dennis Burgkhardt; Hendrik Schweppe
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2015-07-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebssteuerungsverfahren für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs, bei dem zumindest eine einen aktuellen thermischen Belastungszustand des Antriebs definierende Temperatur kontinuierlich überwacht wird, wobei basierend auf der zumindest einen Temperatur die Verfügbarkeit einer Kurzzeitleistung des Antriebs angezeigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen die Steuerung der Antriebsleistung eines Elektrofahrzeugs. Im Besonderen betrifft die Erfindung den Betrieb eines Antriebs eines Elektrofahrzeugs im Hinblick auf die qualitative und quantitative Verfügbarkeit einer Kurzzeitleistung des Antriebs.
Hintergrund der Erfindung
Wie beispielsweise aus der DE 2 305 433 A bekannt, können Elektromotoren mit einer Kurzzeitleistung und einer Dauerleistung betrieben werden. Dabei kann die Kurzzeitleistung die Dauerleistung deutlich übersteigen. Unter dem Begriff Dauerleistung wird hier die Leistung verstanden, die von der elektrischen Maschine beliebig lange erbracht werden kann, ohne dass die Maschine zu heiß wird. Unter einem weiteren Begriff Stundenleistung wird hier die Leistung verstanden, die eine elektrische Maschine, beispielsweise ein Elektromotor, vom kalten Zustand ausgehend eine Stunde lang erbringen kann, ohne sich unzulässig zu erwärmen. Beispielsweise wird bei Elektrolokomotiven neben der Stundenleistung die Kurzzeitleistung angegeben, die je nach Loktyp und Leistungsstufe auf drei bis maximal zehn Minuten beschränkt ist und in Situationen, die besonders hohe Leistung erfordern, abgerufen werden kann, um z. B. schwere Züge zu beschleunigen. Bei Betrieb im Kurzzeitleistungsbereich heizen sich Bauteile im Leistungsstrang der Lok, insbesondere Transformator und Transformatoröl und die Elektromotoren so stark auf, dass danach eine längere Abkühlphase benötigt wird, innerhalb der maximal die Dauerleistung abgerufen werden darf. Sind die Temperaturen wieder gesunken, kann die Kurzzeitleistung erneut abgerufen werden, ohne dass durch Überhitzung bleibende Schäden entstehen.
Dies lässt sich entsprechend auf Elektrofahrzeuge übertragen. Um Schäden durch Überhitzung an elektrischen Antrieben zu vermeiden, sind bereits unterschiedliche Kühlsysteme vorgeschlagen worden.
DE 11 2011 103 345 T5 schlägt beispielsweise für eine Art Flüssigkeitsmantelkühlung vor, einen Stator einer elektrischen Maschine mit Kühlmittelkanälen auszurüsten, um Komponenten der elektrischen Maschine, wie den Stator und den Rotor, die während des Betriebs der elektrischen Maschine Wärme erzeugen, zu kühlen, um so zum einen die verfügbare Leistung der elektrischen Maschine zu verbessern und zum anderen die Lebensdauer der Maschine zu vergrößern.
DE 102 07 486 A1 zeigt ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine, wobei eine Umrichtereinheit und die elektrische Maschine bauraumsparend integriert sind und eine Kühleinheit sowohl zur Kühlung der Umrichtereinheit als auch zur Kühlung der elektrischen Maschine vorgesehen ist.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahme reduzieren zwar das Risiko von Überhitzungsschäden, jedoch besteht dabei grundsätzlich das Problem, dass das aktuelle Leistungspotential eines Elektromotormotors besonders bei häufigem Kurzzeitleistungsbedarf in kurzen zeitlichen Abständen nicht bekannt ist.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine mögliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen vorzuschlagen, welche die Nachteile aus dem Stand der Technik überwinden.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebssteuerungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der entsprechenden Betriebssteuerung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung der einzelnen Aspekte stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Ein Kerngedanke der Erfindung besteht zunächst in einer kontinuierlichen Überwachung der Temperatur relevanter Komponenten des Antriebs oder eines Antriebstranges eines Elektrofahrzeugs. Das können primär eine Antriebsbatterie, eine Wechselrichtereinrichtung und ein Elektromotor oder mehrere Elektromotoren des Elektrofahrzeugs sein. Basierend auf der Temperaturüberwachung wird der Betrieb des einen oder der mehreren Elektromotoren intelligent gesteuert, sodass einem Fahrer jederzeit eine aktuell verfügbare Maximalleistung, insbesondere Kurzzeitleistung, des Antriebs anzeigen werden kann. Damit weiß der Fahrer jederzeit, ob (qualitativ) und wie lange (quantitativ) der Antrieb kurzzeitig mit der Kurzzeitleistung überbeansprucht werden kann.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft somit ein Betriebssteuerungsverfahren für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeug, bei dem zumindest eine einen aktuellen thermischen Belastungszustand des Antriebs definierende Temperatur kontinuierlich überwacht wird, wobei basierend auf der zumindest einen Temperatur die Verfügbarkeit einer Kurzzeitleistung des Antriebs angezeigt wird.
Es ist vorteilhaft, wenn nach einem Abruf der Kurzzeitleistung des Antriebs eine Abkühlphase für den Antrieb gesteuert und überwacht wird. Bevorzugt kann in der Abkühlphase die verfügbare Leistung des Antriebs unter eine Dauerleistung des Antriebs reduziert werden. Damit wird die Abkühlphase verkürzt und die Kurzzeitleitung steht schneller wieder zu Verfügung.
Es ist vorteilhaft, wenn einem Fahrer angezeigt wird, falls die Kurzzeitleistung nicht und/oder nur die reduzierte Leistung verfügbar ist. Beispielsweise kann aufgrund einer aktuell stattfindenden Abkühlphase die Kurzzeitleistung des Antriebs nicht, insbesondere nur die reduzierte Leistung, verfügbar sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird auf eine Signalisierung hin eine Vorkühlung des Antriebs zur Vorbereitung eines Abrufs der Kurzzeitleistung durchgeführt. Mit dieser vorausschauenden Vorkühlung kann eine ”Boost”-Phase des Antriebs vorbereitet werden. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn ein Fahrer weiß, dass er kurzfristig die Kurzzeitleistung abrufen will. Die Vorkühlung kann beispielsweise über eine Eingabeeinrichtung durch den Fahrer ausgelöst werden. Dies kann beispielsweise für einen Überholvorgang von Vorteil sein, da dieser unter Einsatz der Kurzzeitleistung schneller und damit sicherer abgeschlossen werden kann.
Es ist von Vorteil, wenn zusätzlich Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise eine Umgebungstemperatur des Fahrzeugs, ausgewertet werden, um die Verfügbarkeit der Kurzzeitleistung und die tatsächlich quantitativ verfügbare Kurzzeitleistung zu bestimmen. Damit kann die Kurzzeitleistung beispielsweise wetterabhängig oder unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur quantitativ optimiert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit Programmbefehlen zur Ausführung in einer programmierbaren Betriebssteuerung, wobei die Betriebssteuerung bei Ausführung der Programmbefehle eines der vorstehend erläuterten Verfahren ausführt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Betriebssteuerung für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs mit einer Überwachungseinrichtung zur Überwachung zumindest einer einen aktuellen thermischen Belastungszustand des Antriebs definierenden Temperatur, und einer Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Anzeige einer Verfügbarkeit einer Kurzzeitleistung des Antriebs basierend auf der zumindest einen Temperatur.
Die Betriebssteuerung kann weiter eingerichtet sein, an der Mensch-Maschine-Schnittstelle, beispielsweise auf einer Anzeige eines Fahrerinformationssystems und/oder in Form eines Symbols in einem Anzeigeelement und/oder auf einem Head-up-Display, eine qualitative und/oder quantitative Verfügbarkeit der Kurzzeitleistung anzuzeigen.
Die Betriebssteuerung kann weiter mit einer Aktivierungseinrichtung, beispielsweise mit einer mit einem Fußfahrhebel kombinierten Kick-Down-Funktionalität oder mit einem Taster an einem Lenkrad oder ähnlichem, zum Abrufen der Kurzzeitleistung verbunden sein.
Die Betriebssteuerung des Fahrzeugs kann weiter mit einer Eingabeeinrichtung verbunden sein, mittels welcher der Betriebssteuerung durch einen Fahrer signalisiert werden kann, eine Vorkühlung des Antriebs zur Vorbereitung eines Abrufs der Kurzzeitleistung durchzuführen.
Zusammenfassend lassen sich mit dem Betriebsverfahren und/oder der Betriebssteuerung wenigstens die folgenden Vorteile oder Verbesserungen bei einem Elektrofahrzeug erreichen. Es wird für den Fahrer volle Transparenz hinsichtlich der qualitativen und ggf. quantitativen Verfügbarkeit der Kurzzeitleistung (Boostermechanismus) des Elektrofahrzeugs sichergestellt. Dies wird im Wesentlichen durch einen verbesserten Informationsfluss bezüglich der vorhandenen Leistungsreserven des Elektroantriebs erreicht. Mittels der intelligenten Betriebssteuerung des Leistungs- und Wärmemanagements ist ein gezielter Abruf der Mehrleistung, insbesondere der Kurzzeitleistung, durch den Fahrer möglich.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Ebenso können die vorstehend genannten und die hier weiter ausgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Funktionsähnliche oder identische Bauteile oder Komponenten sind teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die in der Beschreibung der Zeichnung verwendeten Begriffe „links”, „rechts”, „oben” und „unten” beziehen sich auf die Zeichnungen in einer Ausrichtung mit normal lesbarer Figurenbezeichnung bzw. normal lesbaren Bezugszeichen. Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließend zu verstehen, sondern hat beispielhaften Charakter zur Erläuterung der Erfindung. Die detaillierte Beschreibung dient der Information des Fachmanns, daher werden bei der Beschreibung bekannte Schaltungen, Strukturen und Verfahren nicht im Detail gezeigt oder erläutert, um das Verständnis der vorliegenden Beschreibung nicht zu erschweren.
Die einzige 1 zeigt ein Blockdiagramm mit Komponenten eines Elektrofahrzeuges.
Eine Betriebssteuerung 1 für einen elektrischen Antrieb 3 eines Fahrzeugs 5 ist mit einer Überwachungseinrichtung 7 zur Überwachung zumindest einer einen aktuellen thermischen Belastungszustand des Antriebs 3 definierenden Temperatur T1, T2, T3 und einer Mensch-Maschine-Schnittstelle 9 zur Anzeige einer Verfügbarkeit einer Kurzzeitleistung des Antriebs 3 basierend auf der zumindest einen Temperatur T1, T2, T3 verbunden.
Der Antrieb 3 besteht im Ausführungsbeispiel aus drei Komponenten, nämlich einer Antriebsbatterie 3.1, einer Wechselrichtereinrichtung 3.2 und einem Elektromotor 3.3. Selbstverständlich können im Leistungsstrang des Antriebs 3 noch weitere thermisch belastete Komponenten überwacht werden. In der hier beschriebenen einfachsten Variante wird nur die Temperatur T3 des Elektromotors 3.3 überwacht, da hier primär die Verfügbarkeit der Kurzzeitleistung des Elektromotors 3.3 von Interesse ist.
Die Betriebssteuerung 1 ist eingerichtet, an der Mensch-Maschine-Schnittstelle 9, beispielsweise auf einer Anzeige 9.1 eines Fahrerinformationssystems und/oder in einem Anzeigeelement 9.2 und/oder auf einem Head-up-Disply 9.3, eine qualitative und/oder quantitative Verfügbarkeit der Kurzzeitleistung anzuzeigen. Dies kann beispielsweise über ein entsprechend zugeordnetes Symbol mit oder ohne quantitativem Informationsgehalt erfolgen. Die qualitative und quantitative Verfügbarkeit könnte z. B. mittels eines in der Länge veränderlichen Balkens angezeigt werden, wobei die aktuell angezeigte Länge beispielsweise einer Zeitdauer entspricht, für die voraussichtlich die Kurzzeitleistung verfügbar ist.
Weiter ist die Betriebssteuerung 1 mit einer Aktivierungseinrichtung 11 zum Abrufen der Kurzzeitleistung verbunden. Die Aktivierungseinrichtung ist als eine mit einem Fußfahrhebel 11.1 kombinierte Kick-Down-Funktionalität ausgeführt. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein Taster an einem Lenkrad des Fahrzeugs vorgesehen sein. Damit kann der Fahrer die Kurzzeitleistung als ”Boostleistung” mittels einer besonders intuitiven Aktivierungsbetätigung abrufen.
Die Betriebssteuerung 1 des Fahrzeugs 5 kann weiter mit einer Eingabeeinrichtung (nicht gezeigt) verbunden sein, mittels welcher der Fahrer der Betriebssteuerung 1 signalisieren kann, dass eine Vorkühlung des Antriebs 3 zur Vorbereitung eines beabsichtigten Abrufs der Kurzzeitleistung, beispielsweise für einen Überholvorgang, erfolgen soll.
Mittels der in der 1 erläuterten Komponenten eines Elektrofahrzeugs kann die Betriebssteuerung 1 das oben erläuterte Betriebssteuerungsverfahren für den elektrischen Antrieb 3 des Fahrzeugs 5 ausführen. Dabei überwacht die Betriebssteuerung 1 zunächst kontinuierlich zumindest eine einen aktuellen thermischen Belastungszustand des Antriebs 3 definierende Temperatur T1, T2, T3, besonders die Temperatur T3 des Elektromotors 3.3.
Basierend auf der zumindest einen überwachten aktuellen Temperatur T3 des Elektromotors 3.3 kann die Betriebssteuerung die aktuelle Verfügbarkeit einer Kurzzeitleistung des Elektromotors 3.3 bestimmen und einem Fahrer über die Mensch-Maschine-Schnittstelle 9 anzeigen.
Nach einem Abruf der Kurzzeitleistung des Elektromotors 3.3 durch den Fahrer steuert und überwacht die Betriebssteuerung 1 eine Abkühlphase für den Elektromotor 3.3. Um die Abkühlphase zu verkürzen und damit sicherzustellen, dass die Kurzzeitleistung schneller wieder zu Verfügung steht, reduziert die Betriebssteuerung 1 in der Abkühlphase die verfügbare Leistung des Elektromotors 3.3 unter eine Dauerleistung des Elektromotors 3.3.
Die Betriebssteuerung 1 ist weiter eingerichtet, falls die Kurzzeitleistung nicht und/oder nur eine reduzierte Leistung verfügbar ist, dies dem Fahrer über die Mensch-Maschine-Schnittstelle 9 anzuzeigen. Beispielsweise ist die Kurzzeitleistung des Elektromotors 3.3 nicht verfügbar, wenn der Elektromotors 3.3 gerade mittels einer Abkühlphase schneller gekühlt werden soll. Dazu kann beispielsweise ein Symbol für die Kurzzeitleistung auf der Anzeige 9.1 in der Farbe „rot” aufleuchten. Sobald die Kurzzeitleistung wieder verfügbar ist, kann das Symbol in einer anderen Farbe, z. B. in grün, aufleuchten. Zusätzlich kann auch die Form der Symbole wechseln, um Fahrer mit einer Farbsehschwäche zu unterstützen.
Die Betriebssteuerung 1 ist weiter eingerichtet, auf eine Signalisierung durch den Fahrer hin, eine Vorkühlung des Elektromotors 3.3 zur Vorbereitung eines Abrufs der Kurzzeitleistung durchzuführen. Diese vorausschauende Vorkühlung dient zur Vorbereitung einer ”Boost”-Phase, wenn ein Fahrer weiß, dass er kurzfristig die Kurzzeitleistung abrufen wird. Dies kann beispielsweise vor einem Überholvorgang erfolgen, der unter Einsatz der Kurzzeitleistung schneller abgeschlossen werden kann.
Schließlich ist die Betriebssteuerung 1 eingerichtet, Umgebungsbedingungen auszuwerten, wie beispielsweise eine Umgebungstemperatur des Fahrzeugs 5, um die Verfügbarkeit der Kurzzeitleistung und die tatsächlich quantitativ verfügbare Kurzzeitleistung zu bestimmen. Damit kann die Kurzzeitleistung unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur optimiert werden. Besonders die Umgebungstemperatur hat einen entscheidenden Einfluss darauf, wie gut die im Elektromotor 3.3 beim Betrieb entstehende Verlustwärme an die Umgebung abgeführt werden kann, sodass eine zulässige Maximaltemperatur für den Elektromotor 3.3 nicht überschritten wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2305433 A [0002]
DE 112011103345 T5 [0004]
DE 10207486 A1 [0005]

Claims

Betriebssteuerungsverfahren für einen elektrischen Antrieb (3) eines Fahrzeugs (5), bei dem zumindest eine einen aktuellen thermischen Belastungszustand des Antriebs (3) definierende Temperatur (T1, T2, T3) kontinuierlich überwacht wird, wobei basierend auf der zumindest einen Temperatur (T1, T2, T3) die Verfügbarkeit einer Kurzzeitleistung des Antriebs (3) angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Abruf der Kurzzeitleistung des Antriebs (3) eine Abkühlphase für den Antrieb (3) gesteuert und überwacht wird, wobei bevorzugt in der Abkühlphase die verfügbare Leistung des Antriebs (3) unter eine Dauerleistung des Antriebs (3) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass angezeigt wird, falls die Kurzzeitleistung nicht und/oder eine reduzierte Leistung verfügbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Signalisierung hin eine Vorkühlung des Antriebs (3) zur Vorbereitung eines Abrufs der Kurzzeitleistung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise eine Umgebungstemperatur des Fahrzeugs (5), ausgewertet werden, um die Verfügbarkeit der Kurzzeitleistung und die tatsächlich quantitativ verfügbare Kurzzeitleistung zu bestimmen.
Computerprogrammprodukt mit Programmbefehlen zur Ausführung in einer programmierbaren Betriebssteuerung (1), wobei die Betriebssteuerung (1) bei Ausführung der Programmbefehle ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt.
Betriebssteuerung (1) für einen elektrischen Antrieb (3) eines Fahrzeugs (5) mit einer Überwachungseinrichtung (7) zur Überwachung zumindest einer einen aktuellen thermischen Belastungszustand des Antriebs (3) definierenden Temperatur (T1, T2, T3), und einer Mensch-Maschinen-Schnittstelle (9) zur Anzeige einer Verfügbarkeit einer Kurzzeitleistung des Antriebs (3) basierend auf der zumindest einen Temperatur (T1, T2, T3).
Steuerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebssteuerung (1) eingerichtet ist, an der Mensch-Maschine-Schnittstelle (9), beispielsweise auf einer Anzeige (9.1) eines Fahrerinformationssystems und/oder in einem Anzeigeelement (9.2) und/oder auf einem Head-up-Display (9.3), eine qualitative und/oder quantitative Verfügbarkeit der Kurzzeitleistung anzuzeigen.
Steuerung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebssteuerung (1) mit einer Aktivierungseinrichtung (11), beispielsweise einer mit einem Fußfahrhebel (11.1) kombinierten Kick-Down-Funktionalität oder einem Taster an einem Lenkrad, zum Abrufen der Kurzzeitleistung verbunden ist.
Steuerung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebssteuerung (1) des Fahrzeugs (5) weiter mit einer Eingabeeinrichtung (13) verbunden ist, mittels welcher der Betriebssteuerung (1) signalisiert werden kann, eine Vorkühlung des Antriebs (3) zur Vorbereitung eines Abrufs der Kurzzeitleistung durchzuführen.