DE102014208431B4

DE102014208431B4 - Verfahren und Einrichtung zum Steuern des Ladens einer Niederspannungsbatterie

Info

Publication number: DE102014208431B4
Application number: DE102014208431.8A
Authority: DE
Inventors: Kyu Il Lee; Kyung Won Suh; Seon Hak KIM
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2022-06-15
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: US20150115899A1; CN104578232B; US9379568B2; DE102014208431A1; CN104578232A; KR101439059B1

Abstract

Verfahren zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie (160), aufweisend:Zuordnen einer voreingestellten Spannung für die Niederspannungsbatterie (160) durch eine Steuerung (110) auf Basis eines Betriebsmodus eines Fahrzeugs und eines Ladezustands einer Hochspannungsbatterie (140);Vergleichen der voreingestellten Spannung mit der aktuellen Ladespannung der Niederspannungsbatterie (160) durch die Steuerung (110); undErhöhen der aktuellen Ladespannung mit einer ersten Steigung, bis die aktuelle Ladespannung gleich der voreingestellten Spannung ist, wenn die voreingestellte Spannung höher ist als die aktuelle Ladespannung, durch die Steuerung (110),wobei der Betriebsmodus Fahrmodi (20) aufweist, die einen ersten und einen zweiten Fahrmodus (30, 40), einen Brennstoffzellen-Stoppmodus (70) und einen Notmodus (80) enthalten, undwobei der erste Fahrmodus in eine Mehrzahl Stufen auf Basis des Ladezustands der Hochspannungsbatterie (140) unterteilt ist.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern des Ladens einer Niederspannungsbatterie und insbesondere ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern des Ladens einer Niederspannungsbatterie zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz durch variable Einstellung der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie auf Basis verschiedener Fahrmodi beim Betrieb eines Fahrzeugs und des Ladezustands einer Hochspannungsbatterie.
(b) Hintergrundtechnik
Aus der US 2012 / 0 298 256 A1 kennt man ein Fahrzeug, das einen Kraftstofftank umfasst, in den Gas von einer Tankstelle eingefüllt wird, die einen Empfänger, einen Sender und eine mit dem Sender verbundene Steuervorrichtung aufweist. Die Steuervorrichtung ändert einen Übertragungszyklus eines Signals, das während des Einfüllens von Gas von der Tankstelle in den Kraftstofftank vom Sender zum Empfänger gesendet wird, entsprechend einer Zustandsgröße, die einen Innenraum des Kraftstofftanks betrifft.
Die US 2013 / 0 244 828 A1 offenbart ein Steuergerät (ECU), das einen Stromversorgungsmodus auswählt, der die Stromversorgung eines Wechselrichtergeräts steuert, wenn ein Brennstoffzellenfahrzeug durch einen Zündschalter zum Starten angewiesen wird und festgestellt wird, dass ein Stromversorgungseingang und ein Stromversorgungsstecker anhand der Spannung des CONNECT-Signals zusammengefügt sind, und wählt einen Fahrmodus aus, der das Fahren des Brennstoffzellenfahrzeugs steuert, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug durch den Zündschalter zum Starten angewiesen wird und festgestellt wird, dass der Stromversorgungseingang und der Stromversorgungsstecker anhand der Spannung des CONNECT-Signals nicht zusammengefügt sind.
Aus der US 2006 / 0 055 349 A1 ist eine Steuervorrichtung bekannt, die einen Versorgungsstrom von einem Stromsensor und einen Drosselstrom von einem Stromsensor empfängt und einen Maximalwert und einen Minimalwert des Drosselstroms erfasst, aus den erfassten Maximal- und Minimalwerten und dem Versorgungsstrom wird bestimmt, ob der Drosselstrom den Nullpunkt durchläuft, und wenn dies der Fall ist, erzeugt die Steuervorrichtung ein Signal und gibt es an einen Aufwärtswandler aus, der auf das Signal reagiert, indem er das Schalten anhält, um einen Aufwärts- oder Abwärtswandlungsvorgang durchzuführen.
Schließlich offenbart die US 2005 / 0 269 993 A1 ein Verfahren zur Bestimmung der verfügbaren Energie einer Batterie. In verschiedenen Ausführungsformen umfassen die Schritte des Anlegens eines ansteigenden Stroms an die Batterie und das Messen einer Ansprechspannung der der Batterie, wenn der ansteigende Strom an die Batterie angelegt wird.
Für ein Brennstoffzellenfahrzeug wird ein Niederspannungs-Gleichstromkonverter (LDC) zur Verringerung der Spannung von Brennstoffzellen oder von Hochspannungsquellen zum Laden einer Niederspannungsbatterie verwendet. Obwohl zum Laden einer Niederspannungsbatterie mit einem LDC allgemein eine feste Spannung von ca. 14 V verwendet wird, kann kontinuierliches Laden übermäßiges Laden von Strom in einer Niederspannungsbatterie verursachen, wenn der Ladezustand (SOC) der Batterie hoch ist, was in Überhitzung und Wärmeverlust resultiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung ist zum Verbessern der Kraftstoffeffizienz durch Variieren der Ladespannungen eines Niederspannungs-Gleichstromkonverters entsprechend verschiedener Modi zum Laden einer Niederspannungsbatterie konzipiert.
Ein Verfahren zum Steuern des Ladens einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann enthalten: Zuordnen einer voreingestellten Spannung für die Niederspannungsbatterie durch eine Steuerung auf Basis eines Betriebsmodus eines Fahrzeugs und eines Ladezustands einer Hochspannungsbatterie; Vergleichen der voreingestellten Spannung mit einer aktuellen Ladespannung der Niederspannungsbatterie durch die Steuerung; und Erhöhen der aktuellen Ladespannung mit einer ersten Steigung, bis die aktuelle Ladespannung gleich der voreingestellten Spannung ist, wenn die voreingestellte Spannung höher ist als die aktuelle Ladespannung, durch die Steuerung. Der Betriebsmodus kann Fahrmodi aufweisen, die einen ersten und einen zweiten Fahrmodus, einen Brennstoffzellen-Stoppmodus und einen Notmodus enthalten. Insbesondere kann der erste Fahrmodus in eine Mehrzahl Stufen auf Basis des Ladezustands der Hochspannungsbatterie unterteilt werden.
Das Verfahren zum Steuern des Ladens einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ferner einen Schritt zum Einstellen der Größe der Ladespannung nach dem Vergleich des Ladestroms der Niederspannungsbatterie mit dem Wert eines vorgegebenen Stroms enthalten, wenn die voreingestellte Spannung niedriger ist als die aktuelle Ladespannung.
Das Verfahren zum Steuern des Ladens einer Niederspannungsbatterie kann ferner das Verringern der aktuellen Ladespannung auf die voreingestellte Spannung durch die Steuerung enthalten, wenn der Ladestrom höher ist als der Wert des vorgegebenen Stroms. Außerdem kann das Verfahren das Aufrechterhalten der aktuellen Ladespannung durch die Steuerung enthalten, wenn der Ladestrom niedriger ist als der Wert des vorgegebenen Stroms.
Der Prozess des Verringerns der aktuellen Ladespannung kann das Verringern der aktuellen Ladespannung mit einer zweiten Steigung durch die Steuerung enthalten, wobei die erste Steigung größer ist als die zweite Steigung. Das Verfahren kann ferner das Verringern der konstant gehaltenen Spannung auf die voreingestellte Spannung durch die Steuerung enthalten, wenn der Ladestrom höher wird als der Wert des vorgegebenen Stroms, und das Anhalten der Verringerung der aktuellen Ladespannung durch die Steuerung, wenn der Ladestrom den Wert des vorgegebenen Stroms beim Verringern der aktuellen Ladespannung unterschreitet.
Der Prozess des Zuordnens einer voreingestellten Spannung kann das Zuordnen voreingestellter Spannungen durch die Steuerung enthalten, die dem zweiten Fahrmodus, dem Brennstoffzellen-Stoppmodus, dem Notmodus bzw. den unterteilten Stufen entsprechen. Der zweite Fahrmodus kann einen Regenerationsmodus zum Laden der Batterie mit regenerativer Bremsenergie und einen Leistungsunterstützungsmodus, bei dem sowohl die Energie der Brennstoffzelle als auch die Energie der Hochspannungsbatterie genutzt werden, enthalten.
Eine Einrichtung zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann enthalten: einen Brennstoffzellenstapel, der als Primärspannungsquelle dient und zur Spannungsversorgung eines Antriebsmechanismus eines Fahrzeugs konfiguriert ist; einen Hochspannungs-Gleichstromkonverter, der mit Spannung vom Brennstoffzellenstapel versorgt wird; eine Hochspannungsbatterie, die mit einer vom Hochspannungs-Gleichstromkonverter verringerten Spannung versorgt wird; einen Niederspannungs-Gleichstromkonverter, der zum Wandeln der Spannung der Hochspannungsbatterie konfiguriert ist; eine Niederspannungsbatterie, die mit einer vom Niederspannungs-Gleichstromkonverter gewandelten Niederspannung geladen wird; und eine Steuerung.
Die Steuerung kann zum Zuordnen einer voreingestellten Spannung für die Niederspannungsbatterie auf Basis eines Betriebsmodus des Fahrzeugs und eines Ladezustands der Hochspannungsbatterie, zum Vergleichen der voreingestellten Spannung mit einer aktuellen Ladespannung der Niederspannungsbatterie und zum Erhöhen der aktuellen Ladespannung mit einer ersten Steigung konfiguriert sein, bis die aktuelle Ladespannung gleich der voreingestellten Spannung wird, wenn die voreingestellte Spannung höher ist als die aktuelle Ladespannung. Der Betriebsmodus kann Fahrmodi aufweisen, die einen ersten Fahrmodus und einen zweite Fahrmodus, einen Brennstoffzellen-Stoppmodus und einen Notmodus enthalten. Insbesondere kann der erste Fahrmodus auf Basis des Ladezustands der Hochspannungsbatterie in eine Mehrzahl Stufen unterteilt werden.
Figurenliste
Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen; es zeigen:

1 ein beispielhaftes Diagramm einer Einrichtung zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein beispielhaftes Diagramm, das die Beziehung zwischen Betriebsmodi zur Ausführung eines Verfahren zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 beispielhafte Tabellen der voreingestellten Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie nach Betriebsmodi bei einem Verfahren zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein beispielhaftes Flussdiagrammm eines Verfahrens zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
5 einen beispielhaften Graphen, der Simulationsergebnisse nach Ausführung eines Verfahrens zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „fahrzeugtechnisch“ oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe allgemein Kraftfahrzeuge betreffen, wie Personenkraftwagen, einschließlich Komfort-Geländewagen (sports utility vehicles; SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wassermotorfahrzeuge einschließlich verschiedene Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dgl. und auch Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (an der Steckdose aufladbar), Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst. Wie hierin verwendet ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, z. B. Fahrzeuge sowohl mit Benzin- als auch Elektroantrieb.
Obwohl das Ausführungsbeispiel so beschrieben wird, dass es eine Mehrzahl Einheiten zur Ausführung des beispielhaften Prozesses verwendet, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse auch von einem oder der Mehrzahl Module ausgeführt werden können. Außerdem versteht es sich, dass sich der Begriff Steuerung/Steuereinheit auf ein Hardware-Gerät bezieht, das einen Speicher und einen Prozessor enthält. Der Speicher ist zum Speichern der Module konfiguriert und der Prozessor ist speziell zum Ausführen der Module konfiguriert, um einen oder mehrere der später beschriebenen Prozesse auszuführen.
Ferner kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nicht flüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium mit ausführbaren Programmanweisungen, die von einem Prozessor, einer Steuerung/Steuereinheit oder dgl. ausgeführt werden, verwirklicht sein. Beispiele für computerlesbare Medien sind u. a. ROMs, RAMs, Compact Disc (CD)-ROMs, Magnetbänder, Disketten, USB-Sticks, Smart Cards und optische Datenspeichergeräte. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann auch in netzgekoppelten Computersystemen verteilt sein, so dass das computerlesbare Medium auf verteilte Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. von einem Telematik-Server oder einem Controller Area Network (CAN) .
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Zusammenhang offensichtlich, ist der Begriff „etwa, ca.“ wie hierin verwendet so zu verstehen, dass er sich auf Werte innerhalb des normalen Toleranzbereichs der Technik bezieht, z. B. auf zwei Standardabweichungen vom Mittelwert. „Etwa oder ca.“ kann als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Wertes verstanden werden. Sofern aus dem Zusammenhang nicht anderweitig klar hervorgeht, sind alle hierin enthaltenen numerischen Werte durch den Begriff „etwa, ca.“ modifiziert.
Spezifische strukturelle oder funktionale Beschreibungen von Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden hierin offenbarten Erfindung sollen die Ausführungsbeispiele der Erfindung nur beispielhaft erläutern, und derartige Ausführungsformen der Erfindung können auf verschiedene Weise ausgeführt werden; es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hierin offenbaren Ausführungsformen beschränkt ist. Da die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verschiedenen Modifikationen und Variationen unterzogen werden können, werden Ausführungsbeispiele nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es versteht sich, dass die Ausführungsbeispiele gemäß den Konzepten der vorliegenden Erfindung in keiner Weise auf die hierin offenbarten beschränkt sind, und dass alle Modifikationen, Äquivalente und Substitutionen von Geist und Gültigkeitsbereich der Erfindung abgedeckt sind.
Obwohl Begriffe wie „erster, erste, erstes “, „zweiter, zweite, zweites “ usw. zur Beschreibung verschiedener Elemente hierin verwendet werden, sind die Elemente durch diese Begriffe nicht eingeschränkt. Diese Begriffe dienen nur dazu, ein Element gegenüber einem anderen zu unterscheiden. Ein erstes Bauteil kann z. B. als zweites Bauteil und das zweite Bauteil als erstes Bauteil bezeichnet werden, ohne vom Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Wenn ein Bauteil als mit einem anderen als „verbunden“ oder „gekoppelt“ beschrieben wird, kann zwar ein Bauteil direkt mit einem anderen verbunden oder gekoppelt sein, aber es versteht sich auch, dass ein drittes Bauteil dazwischen vorgesehen sein kann. Wenn jedoch ein Bauteil mit einem anderen Bauteil als „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ beschrieben wird, versteht es sich, dass dazwischen kein anderes Bauteil vorhanden ist. Ebenso verhält es sich mit der Beschreibung von Beziehungen zwischen Bauteilen wie „zwischen“, „direkt zwischen“, „angrenzend“, „direkt angrenzend“ usw.
Die hierin verwendeten Begriffe sind nur beispielhaft und dienen zur Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und sollen die Erfindung nicht einschränken. Begriffe für Einzelpositionen umfassen auch Mehrfachpositionen, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes angibt. Begriffe wie „aufweisend“, „habend“ usw. dienen zur Definition des Vorhandenseins von Merkmalen, Zahlen, Schritten, Aktionen, Bauteilen, Einzelteilen oder Kombinationen derselben, aber nicht dazu, die Möglichkeit des Vorhandenseins oder Hinzufügens eines oder mehrerer der Merkmale, Zahlen, Schritte, Aktionen, Bauteile, Einzelteile oder Kombinationen derselben auszuschließen.
Die hierin verwendete Terminologie hat den Zweck, nur bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und soll die Erfindung nicht einschränken. Wie hierin verwendet sollen die Singularformen „einer, eine, eines“ und „der, die, das“ auch die Pluralformen umfassen, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes angibt. Außerdem versteht es sich, dass der Begriff „aufweisen“ und/oder „aufweisend“ bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorhandensein angegebener Merkmale, ganzzahliger Größen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile angibt, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzzahliger Größen, Schritte, Operationen, Elemente Bauteile und/oder Gruppen derselben ausschließt. Wie hierin verwendet enthält die Formulierung „und/oder“ sämtliche Kombinationen eines oder mehrerer der aufgeführten Positionen.
Die hierin verwendeten Begriffe einschließlich technischer oder wissenschaftlicher Begriffe können die gleiche Bedeutung haben wie die, die dem Fachmann geläufig sind, an sich die vorliegende Erfindung wendet, sofern sie nicht auf eine andere Weise definiert sind. Begriffe, die in einem allgemein verwendeten Wörterbuch definiert sind, sollten in der gleichen Weise verstanden werden wie in Zusammenhang mit der einschlägigen Technologie und dürfen nicht in einer idealen oder übermäßig formalen Bedeutung interpretiert werden, sofern sie nicht eindeutig definiert sind.
1 ist ein beispielhaftes Diagramm einer Einrichtung zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Einrichtung 100 zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie kann einen Brennstoffzellenstapel 120 enthalten, der als Primärspannungsquelle dient und zur Spannungsversorgung eines Antriebsmechanismus eines Fahrzeugs konfiguriert ist; einen Hochspannungs-Gleichstromkonverter 130, der mit Spannung vom Brennstoffzellenstapel 120 versorgt wird; eine Hochspannungsbatterie 140, die mit einer durch den Hochspannungs-Gleichstromkonverter 130 verringerten Spannung versorgt wird; einen Niederspannungs-Gleichstromkonverter 150, der zum Wandeln der Spannung der Hochspannungsbatterie 140 konfiguriert ist; eine Niederspannungsbatterie 160, die mit einer vom Niederspannungs-Gleichstromkonverter 150 gewandelten Niederspannung geladen wird; und eine Steuerung 110, die zur Einstellung der Ladung der Niederspannungsbatterie 160 konfiguriert ist.
2 ist an beispielhaftes Diagramm, das die Beziehung zwischen den Betriebsmodi zum Ausführen eines Verfahrens zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, und 3 zeigt beispielhafte Tabelle voreingestellter Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie nach Betriebsmodi bei einem Verfahren zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Ladespannungen zum Laden der Niederspannungsbatterie können von einer Mehrzahl Modi unterschiedlich zugewiesen werden.
Insbesondere können die Betriebsmodi in eine Mehrzahl Modi unterteilt werden und Fahrmodi 20 mit einem ersten Fahrmodus 30 und einen zweite Fahrmodus 40, einen Brennstoffzellen-Stoppmodus 70 und einen Notmodus 80 enthalten. Die Steuerung kann zur Bestimmung konfiguriert sein, in welchem Modus sich das Fahrzeug befindet, und die Ladung der Niederspannungsbatterie auf Basis der durch die verschiedenen Modi vorgegebenen voreingestellten Ladespannungen einstellen. Der erste Fahrmodus 30 kann in eine Mehrzahl Stufen auf Basis des Ladezustands (SOC) der Hochspannungsbatterie unterteilt werden. Der erste Fahrmodus 30 kann der Fahrmodus mit Ausnahme des zweiten Fahrmodus 40 sein, der einen Regenerationsmodus 50 und einem Leistungsunterstützungsmodus 60 der Fahrmodi 20 aufweist, die zeigen, dass das Fahrzeug gefahren wird.
Die Mehrzahl Stufen kann z. B. vier Stufen enthalten, die auf Basis des SOC der Hochspannungsbatterie eingeteilt werden, und die vier Stufen können eine normale Stufe enthalten, in der der SOC der Hochspannungsbatterie zwischen ca. 55% und 65% liegt, eine kritische hohe Stufe, in der der SOC der Hochspannungsbatterie über ca. 65% liegt, eine kritische niedrige Stufe, in der der SOC der Hochspannungsbatterie unter ca. 50% liegt und eine niedrige Stufe, in der der SOC der Hochspannungsbatterie zwischen ca. 50% und 55% liegt.
Der Regenerationsmodus 50 des zweiten Fahrmodus 40 kann ein Modus zur Rückgewinnung der regenerativen Bremsenergie vom Elektromotor sein, und speziell kann die kinetische Energie des Fahrzeugs durch die Generierung des Elektromotors während der Verzögerung oder beim Bremsen zum Laden der Hochspannungsbatterie in elektrische Energie gewandelt werden. Wenn das Bremspedal betätigt wird, kann der erste Fahrmodus 30 in den Regenerationsmodus zur Rückgewinnung der regenerativen Bremsenergie vom Elektromotor wechseln. Wenn das Gaspedal zum normalen Fahren betätigt wird, kann außerdem das Fahrzeug aus dem Regenerationsmodus 50 in den ersten Fahrmodus 30 zurückwechseln.
Der Leistungsunterstützungsmodus 60 kann sowohl die Spannung von der Brennstoffzelle als auch die Spannung von der Hochspannungsbatterie gleichzeitig nutzen und der Fahrmodus sein, wenn der Fahrer das Gaspedal tiefer als einen vorgegeben Weg drückt, oder wenn eine voreingestellte Brennstoffzellenspannung erreicht ist. Wenn der Fahrer im ersten Fahrmodus 30 das Gaspedal tiefer als einen vorgegeben Weg drückt oder wenn eine voreingestellte Brennstoffzellenspannung erreicht ist, kann das Fahrzeug in den Leistungsunterstützungsmodus 60 oder umgekehrt wechseln.
Der Brennstoffzellen-Stoppmodus 70 kann eine Zone sein, in der ein Fahrzeug nach Abschalten der Brennstoffzelle in einer Zone mit niedriger Spannung oder niedriger Geschwindigkeit (z. B. unter einem vorgegebenen Schwellenwert) nur mit der Hochspannungsbatterie betrieben wird. Da die Spannung der Brennstoffzelle im Betrieb in einer Zone mit niedriger Spannung ansteigen kann, was die Haltbarkeit der Brennstoffzelle nachteilig beeinflusst, sollte der Betrieb der Brennstoffzellein der Zone mit niedriger Spannung abgeschaltet werden. Im Allgemeinen kann der Modus eines Fahrzeugs in den Regenerationsmodus 50 wechseln, wenn die Geschwindigkeit zum Bremsen des Fahrzeugs im ersten Fahrmodus 30 verringert wird, in den Brennstoffzellen-Stoppmodus 70, wenn das Fahrzeug vollständig anhält, und in den ersten Fahrmodus 30 durch erneutes Aktivieren der Brennstoffzelle, wenn eine vorgegebene Geschwindigkeit oder Spannung überschritten wird.
Der Notmodus 80 kann im Notfall angewendet werden, wenn ein Fahrzeug nur mit der Hochspannungsbatterie betrieben wird, weil das Brennstoffzellensystem funktionsunfähig (z. B. ausgefallen) ist. Obwohl die Brennstoffzelle im Allgemeinen im Notmodus 80 nicht erneut aktiviert werden darf, bis das Fahrzeug abgeschaltet ist, kann versucht werden, die Brennstoffzelle erneut zu aktivieren, um im Fall eines Wasserstofflecks oder einer Brennstoffzellen-Fehlfunktion in den ersten Fahrmodus 30 zu wechseln, und wenn die Aktivierung der Brennstoffzelle versagt, kann der Notmodus 80 beibehalten werden, bis das Fahrzeug abgeschaltet ist.
Wie in 2 dargestellt können die voreingestellten Ladespannungen der Niederspannungsbatterie auf Basis der Betriebsmodi des Fahrzeugs und des SOC der Hochspannungsbatterie zugeordnet werden. Zum Beispiel kann die Steuerung (1) der Einrichtung so konfiguriert sein, dass sie eine erste voreingestellte Spannung zuordnet, wenn sich der aktuelle Ladezustand der Hochspannungsbatterie in der normalen Stufe befindet, eine zweite voreingestellte Spannung für die kritische hohe Stufe, eine dritte voreingestellte Spannung für die kritische niedrige Stufe und eine vierte voreingestellte Spannung für die niedrige Stufe als die Ladespannung auf Basis der Mehrzahl Stufen, die auf Basis des SOC der Hochspannungsbatterie definiert werden, wenn sich das Fahrzeug im ersten Fahrmodus 30 befindet. Die erste voreingestellte Spannung kann niedriger als die zweite voreingestellte Spannung aber höher als die dritte und vierte voreingestellte Spannung sein. Die zweite voreingestellte Spannung kann höher sein als die erste, dritte und vierte voreingestellte Spannung. Die dritte voreingestellte Spannung kann niedriger sein als die erste, zweite und vierte voreingestellte Spannung und die vierte voreingestellte Spannung kann niedriger sein als erste und zweite voreingestellte Spannung aber höher als die dritte voreingestellte Spannung.
Die Steuerung kann außerdem zum Zuordnen einer fünften voreingestellten Spannung für die Niederspannungsbatterie als Ladespannung konfiguriert sein, wenn sich das Fahrzeug im Regenerationsmodus 50 des zweiten Fahrmodus 40 befindet, und einer sechsten voreingestellten Spannung für die Niederspannungsbatterie als Ladespannung, wenn sich das Fahrzeug im Leistungsunterstützungsmodus 60 des zweiten Fahrmodus 40 befindet. Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass sie z. B. eine siebte voreingestellte Spannung als Ladespannung zuordnet, wenn sich das Fahrzeug im Brennstoffzellen-Stoppmodus 70 befindet, und eine achte voreingestellte Spannung als Ladespannung, wenn sich das Fahrzeug im Notmodus 80 befindet.
Im Allgemeinen kann das Fahrzeug über den Regenerationsmodus 50 in den Brennstoffzellen-Stoppmodus 70 gehen. Die fünfte voreingestellte Spannung kann höher sein als die sechste, siebte und achte voreingestellte Spannung und die sechste und achte voreingestellte Spannung kann höher sein als die siebte voreingestellte Spannung. Die Steuerung kann z. B. so konfiguriert sein, dass sie die fünfte voreingestellte Spannung, die höher ist als die Spannung der Niederspannungsbatterie oder ca. 12 V, als Ladespannung zuordnet, wenn sich das Fahrzeug im Regenerationsmodus 50 befindet. Da also die Niederspannungsbatterie hinreichend geladen werden kann, kann die siebte voreingestellte Spannung so zugeordnet werden, dass sie höher ist als die Spannung der Niederspannungsbatterie als Ladespannung, wenn sich das Fahrzeug im Brennstoffzellen-Stoppmodus 70 befindet.
Somit kann die Kraftstoffeffizienz eines Brennstoffzellen- und Hybridfahrzeugs verbessert werden, indem Ladespannungen zum Laden einer Niederspannungsbatterie auf Basis der Betriebsmodi des Fahrzeugs und des Ladezustands eine Hochspannungsbatterie verschieden zugeordnet werden. Die numerischen Werte, die den Grad des SOC der Hochspannungsbatterie zur Vorgabe solcher voreingestellten Ladespannungen und Stufen angeben, sind jedoch nur Ausführungsbeispiele und stellen keine Einschränkung dar, sondern können entsprechend den verschiedenen Ausführungsbeispielen unterschiedlich definiert werden.
4 ist ein beispielhaftes Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zuerst kann eine voreingestellte Spannung für eine Niederspannungsbatterie 160 auf Basis von Betriebsmodi eines Fahrzeug und des Ladezustands einer Hochspannungsbatterie 140 durch eine Steuerung in S401 zugeordnet werden. Das Zuordnen einer Ladespannung für die Niederspannungsbatterie 160 erfolgt wie oben anhand der 2 und 3 beschrieben.
Insbesondere kann die Steuerung 110 so konfiguriert sein, dass sie in S403 bestimmt, ob die zugeordnete voreingestellte Spannung höher ist als die aktuelle Ladespannung der Niederspannungsbatterie 160. Wenn die voreingestellte Spannung höher ist als die aktuelle Ladespannung der Niederspannungsbatterie 160, kann die Steuerung 110 so konfiguriert sein, dass sie die aktuelle Ladespannung der Niederspannungsbatterie 160 mit einer ersten Steigung in S405 erhöht (z. B. stufenweise) (z. B. die Spannung auf Basis der ersten Steigung erhöht), bis die aktuelle Ladespannung gleich ist der voreingestellten Spannung. Die erste Steigung kann z. B. ca. 1 V/s entsprechen. Durch Erhöhen der Spannung auf Basis der ersten Steigung kann ein Überschreiten des Ladestroms verhindert werden, das bei einer plötzlichen Erhöhung der Spannung auftreten kann.
Wenn die voreingestellte Spannung niedriger ist als die aktuelle Ladespannung der Niederspannungsbatterie 160, kann die Steuerung 110 zum Vergleichen des Ladestroms der Niederspannungsbatterie 160 mit dem Wert eines vorgegebenen Stroms in S407 konfiguriert sein. Wenn der Ladestrom der Niederspannungsbatterie 160 höher ist als der Wert des vorgegebenen Stroms, kann die aktuelle Ladespannung der Niederspannungsbatterie 160 auf die voreingestellte Spannung in S409 verringert werden, wobei die Verringerungssteigung (z. B. die abwärtsgestufte Steigung) eine zweite Steigung sein kann. Der Wert des vorgegebenen Stroms kann z. B. ca. 10 A sein und die zweite Steigung kann ca. 0,5 V/s entsprechen. Mit anderen Worten, die zweite Steigung kann kleiner als die oben beschriebene erste Steigung sein. Wenn der Ladestrom der Niederspannungsbatterie 160 niedriger ist als der Wert des vorgegebenen Stroms, kann die Steuerung 110 so konfiguriert sein, dass die aktuelle Ladespannung der Niederspannungsbatterie 160 wie in S415 eingestellt beibehalten wird.
Danach kann die Steuerung 110 so konfiguriert sein, dass sie den Ladestrom der Niederspannungsbatterie 160 mit dem Wert des vorgegebenen Stroms in S417 erneut vergleicht, und wenn der Ladestrom der Niederspannungsbatterie 160 höher ist als der Wert des vorgegebenen Stroms, kann die aktuelle Ladespannung der Niederspannungsbatterie 160 in S409auf die voreingestellte Spannung mit der zweiten Steigung verringert werden. Da der Niederspannungs-Gleichstromkonverter 150 in einen Nulllastzustand oder in einen Zustand gehen kann, in dem kein Strom durch ihn fließt, und da es zu einer Beschädigung kommen kann, wenn der Ladestrom der Niederspannungsbatterie sehr niedrig ist, sollte die Ladespannung allmählich (z. B. stufenweise) auf die voreingestellte Spannung verringert werden, um zu verhindern, dass der Nieder-spannungs-Gleichstromkonverter 150 nach der Kontrolle des Ladestroms in einem Nulllastzustand ist, wenn die voreingestellte Spannung niedriger ist als die aktuelle Ladespannung der Niederspannungsbatterie 160.
Danach kann die Steuerung 110 zum Vergleichen des Ladestroms der Niederspannungsbatterie 160 mit dem Wert des vorgegebenen Stroms in S411 konfiguriert sein, wobei die Ladespannung der Niederspannungsbatterie 160 verringert wird, und zum Beenden der Verringerung der aktuellen Ladespannung in S413, wenn der Ladestrom der Niederspannungsbatterie 160 niedriger wird als der Wert des vorgegebenen Stroms.
5 ist ein beispielhafter Graph, der Simulationsergebnisse nach der Ausführung eines Verfahrens zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Das Verfahren zum Steuern des Ladens einer Niederspannungsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Kraftstoffeffizienz durch Einstellen einer Vielzahl voreingestellter Spannungen für eine Niederspannungsbatterie und Laden derselben verbessern, wenn ein Fahrzeug in einer Vielzahl Fahrmuster betrieben wird. Außerdem kann die Erfindung verhindern, dass der Stromfluss von einem Niederspannungs-DC/AC-Wandler unterbrochen wird, wenn eine Ladespannung erhöht oder verringert wird, wenn eine Differenz zwischen der aktuellen Ladespannung einer Niederspannungsbatterie und einer voreingestellten Spannung vorliegt. Insbesondere zeigt 5, dass die Ladespannung auf ca. 14 V für ein herkömmliches Verfahren zum Laden einer Niederspannungsbatterie fixiert werden kann. Das Laden der Niederspannungsbatterie 160 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt jedoch, dass die durchschnittliche Ladespannung auf ca. 13,18 V sinken kann, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.

Claims

Verfahren zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie (160), aufweisend: Zuordnen einer voreingestellten Spannung für die Niederspannungsbatterie (160) durch eine Steuerung (110) auf Basis eines Betriebsmodus eines Fahrzeugs und eines Ladezustands einer Hochspannungsbatterie (140); Vergleichen der voreingestellten Spannung mit der aktuellen Ladespannung der Niederspannungsbatterie (160) durch die Steuerung (110); und Erhöhen der aktuellen Ladespannung mit einer ersten Steigung, bis die aktuelle Ladespannung gleich der voreingestellten Spannung ist, wenn die voreingestellte Spannung höher ist als die aktuelle Ladespannung, durch die Steuerung (110), wobei der Betriebsmodus Fahrmodi (20) aufweist, die einen ersten und einen zweiten Fahrmodus (30, 40), einen Brennstoffzellen-Stoppmodus (70) und einen Notmodus (80) enthalten, und wobei der erste Fahrmodus in eine Mehrzahl Stufen auf Basis des Ladezustands der Hochspannungsbatterie (140) unterteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit: Einstellen der Größe der aktuellen Ladespannung nach dem Vergleich des Ladestroms der Niederspannungsbatterie (160) mit dem Wert eines vorgegebenen Stroms, wenn die voreingestellte Spannung niedriger ist als die aktuelle Ladespannung, durch die Steuerung (110).
Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit: Verringern der aktuellen Ladespannung auf die voreingestellte Spannung durch die Steuerung (110), wenn der Ladestrom höher ist als der Wert des vorgegebenen Stroms.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit: Aufrechterhalten der aktuellen Ladespannung durch die Steuerung (110), wenn der Ladestrom niedriger ist als der Wert des vorgegebenen Stroms.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Verringerungsprozess enthält: Verringern der aktuellen Ladespannung mit einer zweiten Steigung durch die Steuerung (110), wobei die erste Steigung größer ist als die zweite Steigung.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit: Verringern der konstant gehaltenen Spannung auf die voreingestellte Spannung durch die Steuerung (110), wenn der Ladestrom höher wird als der Wert des vorgegebenen Stroms.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner mit: Anhalten der Verringerung der aktuellen Ladespannung durch die Steuerung (110), wenn der Ladestrom den Wert des vorgegebenen Stroms beim Verringern der aktuellen Ladespannung unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zuordnungsprozess enthält: Zuordnen voreingestellter Spannungen durch die Steuerung (110), die dem zweiten Fahrmodus (40), dem Brennstoffzellen-Stoppmodus (70), dem Notmodus (80) bzw. den unterteilten Stufen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Fahrmodus (40) einen Regenerationsmodus (50) zum Laden der Batterie mit regenerativer Bremsenergie und einen Leistungsunterstützungsmodus (60) enthält, bei dem sowohl die Energie der Brennstoffzelle als auch die Energie der Hochspannungsbatterie (140) genutzt werden.
Einrichtung (100) zum Steuern der Ladespannungen einer Niederspannungsbatterie (160), aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (120), der als Primärspannungsquelle dient und zur Spannungsversorgung eines Antriebsmechanismus eines Fahrzeugs konfiguriert ist; einen Hochspannungs-Gleichstromkonverter (130), der mit Spannung vom Brennstoffzellenstapel (120) versorgt wird; eine Hochspannungsbatterie (140), die mit einer vom Hochspannungs-Gleichstromkonverter (130) verringerten Spannung versorgt wird; einen Niederspannungs-Gleichstromkonverter, der zum Wandeln der Spannung der Hochspannungsbatterie (140) konfiguriert ist; eine Niederspannungsbatterie (160), die mit einer vom Niederspannungs-Gleichstromkonverter (150) gewandelten Niederspannung geladen wird; und eine Steuerung (110), die zum Zuordnen einer voreingestellten Spannung für die Niederspannungsbatterie (160) auf Basis eines Betriebsmodus des Fahrzeugs und eines Ladezustands der Hochspannungsbatterie (140); zum Vergleichen der voreingestellten Spannung mit einer aktuellen Ladespannung der Niederspannungsbatterie (160); und zum Erhöhen der aktuellen Ladespannung mit einer ersten Steigung konfiguriert ist, bis die aktuelle Ladespannung gleich der voreingestellten Spannung wird, wenn die voreingestellte Spannung höher ist als die aktuelle Ladespannung, wobei der Betriebsmodus Fahrmodi (20) aufweist, die einen ersten Fahrmodus (30) und einen zweite Fahrmodus (40), einen Brennstoffzellen-Stoppmodus (70) und einen Notmodus (80) enthalten, und wobei der erste Fahrmodus (30) auf Basis des Ladezustands der Hochspannungsbatterie (140) in eine Mehrzahl Stufen unterteilt ist.
Einrichtung (100) nach Anspruch 10, wobei die Steuerung (110) ferner konfiguriert ist: zum Einstellen der Größe der Ladespannung nach dem Vergleich des Ladestroms der Niederspannungsbatterie (160) mit dem Wert eines vorgegebenen Stroms, wenn die voreingestellte Spannung niedriger ist als die aktuelle Ladespannung.
Einrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei die Steuerung (110) ferner konfiguriert ist: zum Verringern der aktuellen Ladespannung auf die voreingestellte Spannung, wenn der Ladestrom höher ist als der Wert des vorgegebenen Stroms.
Einrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei die Steuerung (110) ferner konfiguriert ist: zum Aufrechterhalten der aktuellen Ladespannung, wenn der Ladestrom niedriger ist als der Wert des vorgegebenen Stroms.
Einrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei die Steuerung (110) ferner konfiguriert ist: zum Verringern der aktuellen Ladespannung mit einer zweiten Steigung, wobei die erste Steigung größer ist als die zweite Steigung.
Einrichtung (100) nach Anspruch 13, wobei die Steuerung (110) ferner konfiguriert ist: zum Verringern der konstant gehaltenen Spannung auf die voreingestellte Spannung, wenn der Ladestrom höher wird als der Wert des vorgegebenen Stroms.
Nicht flüchtiges computerlesbares Medium mit Programmanweisungen, die von einer Steuerung (110) ausgeführt werden, wobei das computerlesbare Medium aufweist: Programmanweisungen, die eine voreingestellte Spannung für eine Niederspannungsbatterie (160) auf Basis eines Betriebsmodus eines Fahrzeugs und des Ladezustands einer Hochspannungsbatterie (140) zuordnen; Programmanweisungen, die die voreingestellte Spannung mit der aktuellen Ladespannung der Niederspannungsbatterie (160) vergleichen; und Programmanweisungen, die die aktuelle Ladespannung mit einer ersten Steigung erhöhen, bis die aktuelle Ladespannung gleich ist der voreingestellten Spannung, wenn die voreingestellte Spannung höher ist als die aktuelle Ladespannung, wobei der Betriebsmodus Fahrmodi (20) aufweist, die einen ersten Fahrmodus (30) und einen zweiten Fahrmodus (40), einen Brennstoffzellen-Stoppmodus (70) und einen Notmodus (80) enthalten, und wobei der erste Fahrmodus (30) in eine Mehrzahl Stufen auf Basis des Ladezustands der Hochspannungsbatterie (140) unterteilt ist.
Nicht flüchtiges computerlesbares Medium nach Anspruch 16, ferner mit: Programmanweisungen, die die Größe der aktuellen Ladespannung nach dem Vergleich des Ladestroms der Niederspannungsbatterie (160) mit dem Wert eines vorgegebenen Stroms einstellen, wenn die voreingestellte Spannung niedriger ist als die aktuelle Ladespannung.
Nicht flüchtiges computerlesbares Medium nach Anspruch 16, ferner mit: Programmanweisungen, die die aktuelle Ladespannung auf die voreingestellte Spannung verringern, wenn der Ladestrom höher ist als der Wert des vorgegebenen Stroms.
Nicht flüchtiges computerlesbares Medium nach Anspruch 17, ferner mit: Programmanweisungen, die die aktuelle Ladespannung aufrechterhalten, wenn der Ladestrom niedriger ist als der Wert des vorgegebenen Stroms.
Nicht flüchtiges computerlesbares Medium nach Anspruch 18, ferner mit: Programmanweisungen, die die aktuelle Ladespannung mit einer zweiten Steigung verringern, wobei die erste Steigung größer ist als die zweite Steigung.