DE102014218134A1 - Energieversorgung eines Bordnetzes eines Hybrid-Kraftfahrzeugs - Google Patents

Energieversorgung eines Bordnetzes eines Hybrid-Kraftfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Versorgen eines Niederspannungsbordnetzes eines Hybrid-Fahrzeugs mit elektrischer Energie durch eine generatorisch betriebene E-Maschine, eine Niedervoltbatterie und eine Hochvoltbatterie beschrieben. Bei dem Verfahren wird elektrische Energie für das Niederspannungsbordnetz von der Niedervoltbatterie in einem rein elektrischen Fahrmodus des Hybrid-Fahrzeugs bereitgestellt. Weiterhin wird in einem Ladungserhaltungsmodus elektrische Energie für das Niederspannungsbordnetz und das Wiederaufladen der Niedervoltbatterie von der generatorisch betriebenen Hochvolt-E-Maschine zur Verfügung gestellt. Es wird auch eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Versorgung eines Niederspannungsbordnetzes eines Hybrid-Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie durch eine generatorisch betriebene E-Maschine, eine Niedervoltbatterie und eine Hochvoltbatterie beschrieben. Ferner wird ein Bordnetzversorgungssystem eines Hybrid-Kraftfahrzeugs beschrieben.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Versorgen eines Niederspannungsbordnetzes eines Hybrid-Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Steuerungseinrichtung eines Bordnetzversorgungssystems eines Hybrid-Kraftfahrzeugs. Schließlich bezieht sich die Erfindung auf ein Bordnetzversorgungssystem eines Hybrid-Kraftfahrzeugs.
  • Hybrid-Kraftfahrzeuge lassen sich je nach Verkehrsbedingungen und gewünschter Fahrgeschwindigkeit in verschiedenen Fahrmodi betreiben. Beispielsweise ist es vorteilhaft, beim Anfahren, niedrigen Geschwindigkeiten und insbesondere im Stadtverkehr rein elektrisch zu fahren. Dieser Fahrmodus wird auch als Charge-Depleting-Modus (CD-Modus) bezeichnet. Im CD-Modus wird bei herkömmlichen Fahrzeugen sowohl die Traktionsenergie als auch die Energie für das Bordnetz von einer Hochvoltbatterie zur Verfügung gestellt.
  • In Phasen, in denen der Verbrennungsmotor zugeschaltet wird, dem Ladungserhaltungsmodus oder Charge-Sustaining-Modus (CS-Modus), werden zusätzlich zur Fahraufgabe das Bordnetz und die Hochvoltbatterie über eine von dem Verbrennungsmotor angetriebene generatorisch betriebenen E-Maschine mit elektrischer Energie gespeist, zudem wird ein Teil der Traktionsenergie beim Bremsen zurückgewonnen und wieder in die Hochvoltbatterie zurückgespeist.
  • In beiden Modi wird herkömmlich von einer Niedervoltbatterie nur eine Sicherung des Spannungspegels des Niederspannungsnetzes gewährleistet und für den Fall eines Fahrzeugs mit parallelem Hybridantrieb im CS-Modus, falls ein Starten aus dem HV-System nicht verfügbar ist, der Zustart eines Verbrennungsmotors unterstützt. Bei seriellen Hybriden wird der Verbrennungsmotor in der Regel dagegen über die HV-E-Maschine (motorisch arbeitender Generator) gestartet.
  • Zwischen dem Hochspannungsnetz und dem Bordnetz, welches als Niederspannungsnetz ausgebildet ist, befindet sich ein DC/DC-Wandler, welcher die seitens des Hochspannungsnetzes für das Bordnetz zur Verfügung gestellte elektrische Energie auf die Spannung des jeweils mit einer anderen Spannung betriebenen Netzes wandelt. Allerdings wird herkömmlich der DC/DC-Wandler oftmals mit einem schlechten Wirkungsgrad betrieben, da er beispielsweise bei der Versorgung allein des Bordnetzes mit elektrischer Energie nicht in seinem optimalen Arbeitspunkt, im Folgenden auch Bestpunkt bezeichnet, arbeitet.
  • Es ist folglich Aufgabe der Erfindung, ein effektiveres Verfahren zum Versorgen eines Bordnetzes eines Hybrid-Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie und ein Bordnetzversorgungssystem zu entwickeln, welches einen höheren Wirkungsgrad aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Steuerungseinrichtung gemäß Patentanspruch 6 sowie ein Bordnetzversorgungssystem gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Versorgen eines Niederspannungsbordnetzes eines Hybrid-Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie durch eine Hochspannungs-E-Maschine, eine Niedervoltbatterie und eine Hochvoltbatterie werden in zwei verschiedenen Fahrmodi, einem rein elektrischen Fahrmodus, auch CD-Modus genannt, und einem Ladungserhaltungsmodus, auch CS-Modus genannt, unterschiedliche Verbrauchereinheiten und Energiespeichereinheiten von unterschiedlichen Energieversorgungseinheiten mit elektrischer Energie versorgt und zwar derart, dass dabei ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt wird. In dem CS-Modus ist ein Verbrennungsmotor zugeschaltet und es wird über eine generatorisch betriebene E-Maschine elektrische Energie erzeugt, womit in einer seriellen Hybridtopologie die Traktionsenergie zur Verfügung gestellt wird und in allen Hybridtopologien gleichzeitig die Hochvoltbatterie und die Niedervoltbatterie wiederaufgeladen werden.
  • In dem rein elektrischen Fahrmodus wird elektrische Energie für das Bordnetz bevorzugt nur durch die Niedervoltbatterie bereitgestellt. Die Niedervoltbatterie ist im Gegensatz zum Stand der Technik voll zyklisierbar, so dass sie in einem der folgenden Fahrmodi wiederaufgeladen werden kann. Beispielsweise ist die Niedervoltbatterie eine Lithium-Ionenbatterie. Die Hochvoltbatterie dagegen wird für die Bereitstellung von elektrischer Energie für die Traktion sowie für die Versorgung möglicher HV-Komponenten eingesetzt, solange die NV-Bordnetzversorgung durch die Niedervoltbatterie sichergestellt ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass in dem rein elektrischen Fahrmodus der DC/DC-Wandler zur Versorgung des Bordnetzes mit einem schlechten Wirkungsgrad betrieben wird, wie es bei einer Versorgung des Bordnetzes mit elektrischer Energie durch die Hochvoltbatterie der Fall wäre. Falls die Niedervoltbatterie im CD-Modus einen Ladezustand mit einer vorbestimmten minimalen Ladeenergie erreicht, wird im DC/DC-Wandler-Bestpunkt das Niedervoltbordnetz versorgt und mit der Überschussleistung die Niedervoltbatterie geladen.
  • In dem Ladungserhaltungsmodus wird elektrische Energie für das Bordnetz und das Wiederaufladen der Niedervoltbatterie durch eine generatorisch betriebene E-Maschine bereitgestellt. Vorteilhaft wird also in dem Ladungserhaltungsmodus nicht nur das Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt, sondern zusätzlich auch die Niedervoltbatterie wiederaufgeladen. Da sowohl der Ladestrom für die Niedervoltbatterie als auch der Strom für das Bordnetz über den DC/DC-Wandler transformiert werden, wird der DC/DC-Wandler anschaulich gesprochen besser ausgelastet als im Stand der Technik.
  • Weiterhin braucht die im rein elektrischen Betrieb von der Niedervoltbatterie dem Bordnetz zur Verfügung gestellte Energie auch nicht wieder der Hochvoltbatterie zurückgeführt werden, wie es herkömmlich der Fall wäre, da erfindungsgemäß die Niedervoltbatterie mit aus der Betriebsweise des DC/DC-Wandlers im Bestpunkt resultierenden, überschüssigen Energie aufgeladen werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung eines Bordnetzversorgungssystems eines Hybrid-Kraftfahrzeugs weist eine Fahrmodus-Ermittlungseinheit auf, welche dazu eingerichtet ist zu ermitteln, in welchem Fahrmodus sich das Hybrid-Kraftfahrzeug befindet. Weiterhin umfasst die Steuerungseinrichtung eine Stromsteuerungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, die Hochspannungs-E-Maschine, die Niedervoltbatterie und die Hochvoltbatterie derart anzusteuern, dass in einem rein elektrischen Fahrmodus durch die Niedervoltbatterie des Hybrid-Fahrzeugs elektrische Energie für das Niederspannungsbordnetz bereitgestellt wird und in einem Ladungserhaltungsmodus von der generatorisch betriebenen E-Maschine elektrische Energie für das Niederspannungsbordnetz und das Wiederaufladen der Niedervoltbatterie bereitgestellt wird.
  • Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem umfasst die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung sowie ein Hochspannnungsnetz mit einer Hochspannungs-E-Maschine und einer Hochvoltbatterie, ein Niederspannungsnetz mit einer zyklisierbaren Niederspannungsbatterie und einem Niederspannungsbordnetz und einen DC/DC-Wandler zwischen dem Hochspannungsnetz und dem Niederspannungsnetz. Als zyklisierbar soll im Folgenden verstanden werden, dass die Niederspannungsbatterie ausreichend zyklusfest ist, um im laufenden Betrieb ständig entladen und wiederaufgeladen werden zu können. Diese Anforderung wird zum Beispiel von einer Lithium-Ionen-Batterie erfüllt.
  • Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, wobei insbesondere die Möglichkeit besteht, die Ansprüche einer Kategorie entsprechend den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weiterzubilden.
  • In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Wiederaufladungsmodus, welcher in einem geeigneten Zeitabschnitt eines rein elektrischen Fahrmodus des Hybrid-Fahrzeugs nach einem Umschalten von dem Ladungserhaltungsmodus in den rein elektrischen Fahrmodus auftritt, elektrische Energie von der Hochvoltbatterie sowohl für das Niederspannungsbordnetz als auch zum Aufladen der Niedervoltbatterie zur Verfügung gestellt. Dabei wird erfindungsgemäß der Ladestrom und Versorgungsstrom für das Niederspannungsbordnetz so gewählt, dass der DC/DC-Wandler besser ausgelastet ist, als es bei einer ausschließlichen Versorgung des Bordnetzes mit elektrischer Energie durch die Hochvoltbatterie der Fall wäre. Ein geeigneter Zeitabschnitt für den Wiederaufladungsmodus kann zum Beispiel ein erster Zeitabschnitt des rein elektrischen Fahrmodus sein.
  • In einer besonders energetisch und wirtschaftlich effektiven Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der DC/DC-Wandler zusammen mit der Niedervoltbatterie in dem Ladungserhaltungsmodus in einem Arbeitspunkt mit einem optimalen Wirkungsgrad, auch Bestpunkt genannt, betrieben.
  • Ebenfalls ist es bevorzugt, dass zur Bilanzierung der Niedervoltbatterie der DC/DC-Wandler zusammen mit der Niedervoltbatterie zumindest in einem geeigneten Zeitabschnitt eines rein elektrischen Fahrmodus des Hybrid-Fahrzeugs nach einem Umschalten von dem Ladungserhaltungsmodus in den rein elektrischen Fahrmodus in einem Arbeitspunkt mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben wird.
  • In einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung umfasst die Steuerungseinrichtung eine Energieversorgungssteuerungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, den Stromfluss zwischen einer Hochspannungs-E-Maschine, einer Hochvoltbatterie, einem DC/DC-Wandler, einem Niederspannungsbordnetz und einer Niedervoltbatterie derart zu steuern, dass der DC/DC-Wandler in einem gemeinsamen Bestpunkt betrieben wird. Anders ausgedrückt, werden je nach Fahrmodus eine Auslastung des DC/DC-Wandlers und der Niedervoltbatterie nach dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren optimiert.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
  • 1 ein Schaubild, welche ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht,
  • 2 ein Blockschaltbild, welches vergleichsweise ein Bordnetzversorgungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und den Betrieb eines herkömmlichen Bordnetzversorgungssystems während eines rein elektrischen Fahrmodus veranschaulicht,
  • 3 ein Blockschaltbild, welches vergleichsweise ein Bordnetzversorgungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und den Betrieb eines herkömmlichen Bordnetzversorgungssystems während eines Ladungserhaltungsmodus veranschaulicht,
  • 4 ein Blockschaltbild, welches ein Bordnetzversorgungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und dessen Betrieb in einem ersten Zeitabschnitt eines rein elektrischen Fahrmodus eines Hybrid-Kraftfahrzeugs nach dem Umschalten von einem Ladungserhaltungsmodus in einen rein elektrischen Fahrmodus veranschaulicht.
  • In 1 ist der Betrieb eines Hybrid-Kraftfahrzeugs mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. In dem in der 1 gezeigten Schaubild sind die Betriebsart, d. h., ob es sich um einen reinen Elektrobetrieb CD oder um einen Ladungserhaltungsbetrieb CS, bei dem die elektrische Energie für das Bordnetz und das Aufladen der Niedervoltbatterie, abgekürzt mit NV-Batterie, von einer generatorisch betriebenen E-Maschine des Hybrid-Kraftfahrzeugs erzeugt wird, oder um eine Konditionierung CD+NV der Niedervoltbatterie während des reinen Elektrobetriebs CD handelt.
  • Weiterhin wird in dem Schaubild in der 1 angegeben, ob das Bordnetz aus der Niedervoltbatterie versorgt wird, was mit NV gekennzeichnet ist, oder ob ein Betrieb DCDC-NV im Bestpunkt aus dem DC/DC-Wandler und der Niedervoltbatterie stattfindet, wobei die Versorgung des Bordnetzes und der Niedervoltbatterie mit elektrischer Energie über den DC/DC-Wandler erfolgt.
  • Zudem ist in der 1 der Ladezustand SoC der Niedervoltbatterie eines Hybrid-Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von der Zeit t veranschaulicht. Dabei sind der Ladezustand SoCStart der Niedervoltbatterie beim Start des Fahrzeugs sowie der Soll-Ladezustand SoCSoll, welcher nach dem Wiederaufladen der Niedervoltbatterie erreicht wird, als horizontale Gerade eingezeichnet.
  • Ferner ist in der 1 auch der Gesamtwirkungsgrad ηges des DC/DC-Wandlers und der NV-Batterie in Abhängigkeit von der Zeit eingezeichnet. Zudem ist auch der optimale Wirkungsgrad ηopt_ges des DC/DC-Wandlers und der NV-Batterie als horizontale Gerade eingezeichnet. Die Wirkungsgrad-Darstellung im unteren Teil in 1 bezieht sich nur auf die aktiven DCDC-Wandler-Phasen, da nur in den aktiven Phasen ein Wirkungsgrad dargestellt ist und ansonsten keiner. Die stufenartige Darstellung des Wirkungsgrades soll qualitativ zeigen, dass, wenn der DC/DC-Wandler notwendig ist, er im Optimum (aus NV-Batterie und DC/DC-Wandler) betrieben wird.
  • Der genaue Verlauf der Kurve des Ladezustands SoC der NV-Batterie ist wie folgt: Beim Start wird zunächst rein elektrisch gefahren, d. h. es wird das Hybridfahrzeug im CD-Modus betrieben. Dabei wird das Bordnetz ausschließlich von der Niedervoltbatterie beispielswiese mit einer Leistung von 250 W betrieben. Während des CD-Modus entlädt sich die Niedervoltbatterie, was im Schaubild der 1 mit einer fallenden Gerade, d. h. einem Abnehmen der in der Niedervoltbatterie gespeicherten elektrischen Energie gekennzeichnet ist.
  • In dem CS-Modus wird der Verbrennungsmotor des Hybridfahrzeugs zugeschaltet und im Falle einer seriellen Topologie wird die elektrische Energie für die Traktion, ansonsten für das Bordnetz und das Wiederaufladen der Niedervoltbatterie, von einer Hochvolt-E-Maschine erzeugt. Dabei wird die von der generatorisch betriebenen E-Maschine in das Hochspannungsnetz des Hybridfahrzeugs gespeiste Energie neben der Konditionierung der Hochvoltbatterie zur Versorgung des Niederspannungsbordnetzes und zum Wiederaufladen der Niedervoltbatterie über einen DC/DC-Wandler dem Spannungsniveau des Niederspannungsbordnetzes bzw. der Niedervoltbatterie angepasst. Während des CS-Modus wird der DC/DC-Wandler zusammen mit der Niedervoltbatterie vorzeilhaft in einem Bestpunkt betrieben. Beispielsweise liegt der Bestpunkt des DC/DC-Wandlers bei einer Leistung von 600 W. Da jedoch das Niederspannungsbordnetz während des CS-Modus zum Beispiel nur 400 W Leistung benötigt, kann gleichzeitig die Niedervoltbatterie mit den restlichen 200 W Leistung aufgeladen werden. Wie in der 1 zu erkennen ist, erhöht sich dadurch die gespeicherte elektrische Energie der Niedervoltbatterie während des CS-Modus. Allerdings erreicht sie indem in 1 gezeigten Beispiel bis zum Umschalten in den CD-Modus noch nicht den Sollwert SoCsoll, beispielsweise, weil die Zeit, in der das Hybrid-Fahrzeug im CS-Modus betrieben wurde, zu kurz war.
  • Nach dem Umschalten in den CD-Modus wird daher, wenn energetisch sinnvoll und möglich, eine Konditionierung der Niedervoltbatterie durchgeführt. Dieser Zeitabschnitt ist in der 1 mit CD+NV gekennzeichnet. In diesem Zeitabschnitt wird die Niedervoltbatterie aus der Hochvoltbatterie vollständig bis zu dem Sollwert SoCsoll aufgeladen und das Aufladen der Niedervoltbatterie sowie die Versorgung des Niederspannungsbordnetzes geschieht weiterhin im Bestpunkt, d. h. bei einem optimalen Gesamtwirkungsgrad ηopt_ges des DC/DC-Wandlers und der Niedervoltbatterie. In diesem Zeitabschnitt wird beispielsweise das Bordnetz mit einer Leistung von 250 W betrieben und die Niedervoltbatterie mit einer höheren Leistung als im CS-Modus von 350 W aufgeladen, was in dem Schaubild der 1 mit einer Geraden mit einer stärkeren Steigung gekennzeichnet ist.
  • Ist die Niedervoltbatterie bis zu dem Sollwert SoCsoll aufgeladen, so wird in dem CD-Modus wieder auf reine Versorgung des Bordnetzes aus der Niedervoltbatterie umgeschaltet. D. h, es wird von einem DCDC-NV-Betrieb in einen NV-Betrieb gewechselt. In diesem Zeitabschnitt wird die Niedervoltbatterie langsam entladen, was in dem Schaubild der 1 mit einer fallenden Gerade gekennzeichnet ist.
  • Wie in der 1 zu erkennen ist, wird der optimale Gesamtwirkungsgrad ηopt_ges während des CS-Modus sowie während der Konditionierung der Niedervoltbatterie, d. h. dem Wiederaufladen der Niedervoltbatterie, erreicht, während in den anderen Zeitabschnitten die Energieversorgung des Bordnetzes ausschließlich über die Niedervoltbatterie erfolgt.
  • In den 2 bis 4 ist ein Bordnetzversorgungssystem 1 und dessen Betrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Weiterhin ist in den 2 und 3 zum Vergleich auch der Betrieb eines herkömmlichen Bordnetzversorgungssystems eingezeichnet. Dabei symbolisieren die Pfeile mit diagonaler Schraffur eine herkömmliche Betriebsweise eines herkömmlichen Bordnetzversorgungssystems und die Pfeile mit horizontaler Schraffur die erfindungsgemäße Betriebsweise eines Bordnetzversorgungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Die 2 bis 4 veranschaulichen demzufolge die Phasen, wie sie auf einer energieneutralen Fahrt vorkommen würden. Die beispielhaft aufgeführten Zahlen sind somit auch im Gesamtkontext zu sehen.
  • In 2 ist der Betrieb des Bordnetzversorgungssystems 1 eines Hybridfahrzeugs zur Versorgung eines Niedervoltbordnetzes 12 im rein elektrischen CD-Modus veranschaulicht. Das Hybridfahrzeug umfasst einen Antriebsstrang 2 mit einem Verbrennungsmotor 4, einer E-Maschine 7 und einer Leistungselektronik 8. Das Bordnetzversorgungssystem gemäß einem Ausführungsgbeispiel der Erfindung umfasst zusätzlich zu der HV-E-Maschine 7, einer Hochvoltbatterie 9 und einem DC/DC-Wandler 11 eine zyklisierbare Niedervoltbatterie 10, auch als Niedervoltspeicher NVS bezeichnet, und eine Steuerungseinrichtung 20, mit der der Stromfluss im Bordnetzversorgungssystem 1 in Abhängigkeit von einem Betriebsmodus optimiert wird.
  • Im herkömmlichen Betrieb wird im rein elektrischen Betriebsmodus das Niedervoltbordnetz 12 aus der Hochvoltbatterie 9, auch als Hochvoltspeicher HVS bezeichnet, gespeist. Dabei kann bei der Wandlung der erzeugten Energie durch den DCDC-Wandler 11 mehr als 15% der Energie verloren gehen. Dieser Verlust wird bei dem Bordnetzversorgungssystem 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung reduziert, da die Energie für das Bordnetz 12 von einer zyklisierbaren Niedervoltbatterie 14, welche an den Niedervoltspeicher 10 angeschlossen ist, effizienter geliefert werden kann.
  • Dieser Sachverhalt ergibt sich daraus, dass der Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers im CD-Modus kleiner 85% ist, während die Niedervoltbatterie mit einem Wirkungsgrad größer 97% betrieben werden kann.
  • Der Fluss der Energie bei einem herkömmlichen Bordnetzversorgungssystem ist in den 2 bis 4 mit diagonal schraffierten Pfeilen symbolisiert, während der Fluss der Energie bei einem Bordnetzversorgungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in den 2 bis 4 mit horizontal schraffierten Pfeilen gekennzeichnet ist. Die in den 2 bis 4 angegebenen gerundeten Werte von Energiemengen (in Wh) und Wirkungsgraden der einzelnen Komponenten (in %) dienen nur der Veranschaulichung und sollen nicht beschränkend verstanden werden.
  • Die Steuerung des Energieflusses des Bordnetzversorgungssystems 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird über eine Steuerungseinrichtung 20 vorgenommen. Die Steuerungseinrichtung 20 ist mit der Hochspannungs-E-Maschine 7, mit dem Hochvoltspeicher 9 und dem Niedervoltspeicher 10 über Steuerungsleitungen verbunden. Die Steuerungseinrichtung 20 weist eine Fahrmodus-Ermittlungseinheit 21 auf, welche dazu eingerichtet ist zu ermitteln, in welchem Fahrmodus sich das Hybrid-Fahrzeug befindet. Das Ermittlungsergebnis wird an eine Stromsteuerungseinheit 22 weitergeleitet, welche auf Basis des Ermittlungsergebnisses die Hochspannungs-E-Maschine 7, den Niedervoltspeicher 10 und den Hochvoltspeicher 9 derart ansteuert, dass in einem rein elektrischen Fahrmodus CD durch die Niedervoltbatterie 10 des Hybrid-Fahrzeugs elektrische Energie für das Niederspannungsbordnetz 12 bereitgestellt wird, solange die Entnahme aus der Niedervoltbatterie 10 effizienter ist als die Versorgung über den DC/DC-Wandler direkt (je nach NV-Bordnetzbedarf) bzw. solange der Ladungsinhalt der Niedervoltbatterie 10 die Bordnetzversorgung sicherstellt. Die Niedervoltbatterie 10 ist erfindungsgemäß zyklisierbar ausgelegt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Niedervoltbatterie als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet.
  • In 3 ist vergleichsweise der Betrieb eines Bordnetzversorgungssystems 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und eine herkömmliche Vorgehensweise während eines Ladungserhaltungsmodus veranschaulicht. In dem Ladungserhaltungsmodus CS steuert bei dem Bordnetzversorgungssystem 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Steuerungseinrichtung 20 die Hochspannungs-E-Maschine 7, die Niedervoltbatterie 9 und die Hochvoltbatterie 10 derart, dass elektrische Energie für das Niederspannungsbordnetz 12 und das Wiederaufladen der Niedervoltbatterie 10 bereitgestellt wird. Weiterhin wird auch ein Aufladen der Hochvoltbatterie 9 gewährleistet.
  • In dem Ladungserhaltungsmodus CS werden sowohl bei der herkömmlichen Vorgehensweise als auch bei dem Betrieb des Bordnetzversorgungssystems 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung von der generatorisch betriebenen E-Maschine 7 die Hochvoltbatterie 9 aufgeladen und das Niedervoltbordnetz 12 mit Energie versorgt. Allerdings wird bei dem Betrieb des Bordnetzversorgungssystems 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zusätzlich noch die Niedervoltbatterie 10 mit überschüssiger Energie aufgeladen. Auch wird im CS-Modus bei dem Betrieb des Versorgungssystems 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der DC/DC-Wandler 11 zusammen mit der Niedervoltbatterie 10 im Bestpunkt, d. h mit einem optimalen Gesamtwirkungsgrad betrieben, wodurch der Energieverbrauch des Gesamtsystems reduziert werden kann. Wie in 3 zu erkennen ist, ist es möglich, dass der DC/DC-Wandler bei der herkömmlichen Herangehensweise im CS-Modus je nach Ausführung und Leistungsklasse des DC/DC-Wandlers mit einem Wirkungsgrad kleiner 88% betrieben wird, während bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der DC/DC-Wandler mit einem Wirkungsgrad von größer 91% betrieben wird.
  • In 4 ist der Betrieb und der Energiefluss eines Bordnetzversorgungssystems 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in dem Zeitabschnitt CD+NV veranschaulicht, in dem die Niedervoltbatterie 10 aus der Hochvoltbatterie 9 bis zu dem Sollwert SoCsoll vollständig aufgeladen wird und das Aufladen der Niedervoltbatterie 10 sowie die Versorgung des Bordnetzes 12 im Bestpunkt, d. h. bei einem optimalen Gesamtwirkungsgrad ηopt_ges des DC/DC-Wandlers 11 und der Niedervoltbatterie 10 durchgeführt wird. Für diese Art des Betriebs des Bordnetzversorgungssystems 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gibt es bei der herkömmlichen Betriebsweise keine Entsprechung.
  • Insgesamt wird also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung und dem erfindungsgemäßen Bordnetzversorgungssystem eine verbesserte Energieeffizienz eines Hybridfahrzeugs sowohl im reinen Elektrobetrieb als auch in einem Ladungserhaltungsbetrieb erreicht.
  • Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem in den Figuren dargestellten Verfahren bzw. der detailliert beschriebenen Steuerungseinrichtung und dem detailliert beschriebenen Bordnetzversorgungssystem lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche in vielerlei Hinsicht modifiziert werden können. Weiterhin wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein, eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit” nicht aus, dass diese auch aus mehreren Untereinheiten besteht.

Claims (8)

  1. Verfahren (100) zum Versorgen eines Niederspannungsbordnetzes (12) eines Hybrid-Kraftfahrzeugs (1) mit elektrischer Energie durch eine Hochspannungs-E-Maschine (7), eine Niedervoltbatterie (10) und eine Hochvoltbatterie (9), aufweisend die Schritte: – Bereitstellen von elektrischer Energie für das Niederspannungsbordnetz (12) durch die Niedervoltbatterie (40) in einem rein elektrischen Fahrmodus (CD) des Hybrid-Fahrzeugs (1), – Bereitstellen von elektrischer Energie für das Niederspannungsbordnetz (12) und Wiederaufladen der Niedervoltbatterie (10) durch die Hochspannungs-E-Maschine (7) in einem Ladungserhaltungsmodus (CS).
  2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, ferner aufweisend den Schritt: – Bereitstellen von elektrischer Energie durch die Hochvoltbatterie (9) sowohl für das Niederspannungsbordnetz (12) als auch zum Aufladen der Niedervoltbatterie (10) zumindest in einem geeigneten Zeitabschnitt eines rein elektrischen Fahrmodus (CD-NV) des Hybrid-Fahrzeugs (1) nach dem Umschalten von dem Ladungserhaltungsmodus (CS) in den rein elektrischen Fahrmodus (CD).
  3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrische Energie von der Hochspannungs-E-Maschine (7) und der Hochvoltbatterie (9) an das Niederspannungsbordnetz (12) und die Niedervoltbatterie (10) über einen DC/DC-Wandler (11) übertragen wird.
  4. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der DC/DC-Wandler (11) zusammen mit der Niedervoltbatterie (10) in dem Ladungserhaltungsmodus (CS) in einem Arbeitspunkt mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben wird.
  5. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der DC/DC-Wandler (11) zusammen mit der Niedervoltbatterie (10) zumindest in einem geeigneten Zeitabschnitt eines rein elektrischen Fahrmodus (CD-NV) des Hybrid-Fahrzeugs (1) nach einem Umschalten von dem Ladungserhaltungsmodus (CS) in den rein elektrischen Fahrmodus (CD) in einem Arbeitspunkt mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben wird.
  6. Steuerungseinrichtung (20) zur Steuerung der Versorgung eines Niederspannungsbordnetzes (12) eines Hybrid-Kraftfahrzeugs (1) mit elektrischer Energie durch eine Hochspannungs-E-Maschine (7), eine Niedervoltbatterie (10) und eine Hochvoltbatterie (9), aufweisend: – eine Fahrmodus-Ermittlungseinheit (21), welche dazu eingerichtet ist zu ermitteln, in welchem Fahrmodus sich das Hybrid-Fahrzeug befindet, – eine Stromsteuerungseinheit (22), welche dazu eingerichtet ist, die Hochspannungs-E-Maschine (7), die Niedervoltbatterie (10) und die Hochvoltbatterie (9) derart anzusteuern, dass in einem rein elektrischen Fahrmodus (CD) durch die Niedervoltbatterie (10) des Hybrid-Fahrzeugs elektrische Energie für das Niederspannungsbordnetz (12) bereitgestellt wird und in einem Ladungserhaltungsmodus (CS) von der Hochspannungs-E-Maschine (7) elektrische Energie für das Niederspannungsbordnetz (12) und das Wiederaufladen der Niedervoltbatterie (10) bereitgestellt wird.
  7. Steuerungseinrichtung (20) nach Anspruch 6, wobei die Stromsteuerungseinheit (22) dazu eingerichtet ist, den Stromfluss zwischen der Hochspannungs-E-Maschine (7), der Hochvoltbatterie (9), dem DC/DC-Wandler (11), dem Niederspannungsbordnetz (12) und der Niedervoltbatterie (10) derart zu steuern, dass der DC/DC-Wandler (11) in einem gemeinsamen Bestpunkt des DC/DC-Wandlers (11) und der Niedervoltbatterie (10) betrieben wird.
  8. Bordnetzversorgungssystem (1) eines Hybrid-Kraftfahrzeugs, aufweisend: – eine Steuerungseinrichtung (22) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, – ein Hochspannungsnetz, umfassend eine Hochspannungs-E-Maschine (7) und eine Hochvoltbatterie (9), – ein Niederspannungsnetz, umfassend eine zyklisierbare Niederspannungsbatterie (10) und ein Niederspannungsbordnetz (12) und – einen DC/DC-Wandler (11) zwischen dem Hochspannungsnetz und dem Niederspannungsnetz.
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