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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum prädiktiven, verbrauchsoptimierten Betrieb eines Hybridfahrzeugs sowie eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines solchen Verfahrens.
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Stand der Technik
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Obwohl die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand eines Hybridelektrofahrzeugs mit einer Abgasabwärme getriebenen Adsorptionskältemaschine erläutert wird, ist sie auch auf beliebige andere Hybridfahrzeuge anwendbar, bei denen eine Heizungs- bzw. Klimaanlage vorgesehen ist, die die von einem Verbrennungsmotor erzeugte Abwärme zur Temperierung eines Passagierraums nutzt.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 015 046 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur prädiktiven Steuerung eines Hybridantriebs in einem Hybridfahrzeug. Prädiktiv bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Steuerung vorausschauend erfolgt, um ein bestimmtes Betriebsziel zu erreichen, beispielsweise einen minimalen Kraftstoffverbrauch.
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Die in der Druckschrift
DE 10 2008 015 046 A1 beschriebene Steuerung erfolgt über eine Auswahl einer Betriebsstrategie in Abhängigkeit von dem gewünschten Betriebsziel. Hierbei werden kommunikationsbasierte Informationen berücksichtigt, die durch eine Kommunikation des Fahrzeugs mit ortsfesten oder sich bewegenden Gegenstellen erzeugt werden. Diese Informationen umfassen beispielsweise Daten über den zukünftigen Streckenverlauf einer mit einem Navigationsgerät geplanten Fahrt. Die Betriebsstrategie (oder auch Antriebsstrategie) stellt hierbei die Abfolge aller Betriebszustände eines Hybridantriebs dar, d.h. in welcher Weise ein Verbrennungsmotor und beispielsweise ein Elektromotor eingesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften des Antriebs zu erreichen. So kann ein Hybridelektrofahrzeug rein verbrennungsmotorisch oder rein elektrisch fahren. Alternativ kann die Gesamtantriebsleistung aber auch variabel auf beide Antriebe aufgeteilt werden.
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Hybridfahrzeuge weisen häufig ein HVAC-System auf (engl.: „Heating, Ventilation and Air Conditioning”), d.h. eine Heizungs- oder Klimaanlage, welche über die von dem Verbrennungsmotor erzeugte Abwärme angetrieben wird. Zum Heizen eines Passagierraums des Hybridfahrzeugs kann beispielweise die Abwärme von dem Verbrennungsmotor direkt genutzt werden. Die Abwärme des Verbrennungsmotors kann allerdings auch zu Kälteerzeugung verwendet werden, beispielsweise mittels einer Adsorptionskältemaschine, die über einen Abgaswärmetauscher an die Abgasabwärme des Verbrennungsmotors angebunden wird.
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Typischerweise fahren solche Hybridfahrzeuge bei kaltem Wetter verbrennungsmotorisch, auch wenn elektrisches Fahren bzw. Segeln (d.h. Fahren ohne Antrieb) energiesparender und komfortabler wäre. Der Grund hierfür ist, dass der Verbrennungsmotor andernfalls durch Wärmeentzug zum Beheizen des Passagierraums auskühlen würde. Ähnliches gilt im Falle von warmem oder heißem Wetter bei Verwendung eines Klimakompressors oder einer abwärmegetriebenen Kältemaschine. Auch bei Stopp-Phasen (z.B. an einer Ampel) wird der Verbrennungsmotor in solchen Fällen bei bekannten Antriebsstrategien nicht abgeschaltet.
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Für einen verbesserten Kraftstoffverbrauch in Hybridfahrzeugen mit einer Abwärme getriebenen Heizungs- bzw. Klimaanlage bedarf es demnach einer synergetischen Betriebsstrategie, die HVAC-Strategien mit herkömmlichen Antriebsstrategien kombiniert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein Verfahren zum prädiktiven, verbrauchsoptimierten Betrieb eines Hybridfahrzeugs mit einem ersten Antrieb, der als Verbrennungsmotor ausgebildet ist, einem zweiten Antrieb, einem Navigationssystem und einer Heizungs-/Klimaanlage, die dazu ausgebildet ist, von dem ersten Antrieb erzeugte Abwärme zur Regelung der Temperierung eines Passagierraums des Hybridfahrzeugs zu nutzen. Das Verfahren umfasst den Schritt des Erfassens einer in das Navigationssystem einprogrammierten Fahrtstrecke. Ferner umfasst das Verfahren den Schritt des Ermittelns von fahrtstreckenrelevanten Navigationsdaten. Weiterhin umfasst das Verfahren den Schritt des Erfassens thermischer Zustandsgrößen des ersten Antriebs und der Heizungs-/Klimaanlage. Zudem umfasst das Verfahren den Schritt des Erfassens von Antriebszustandsgrößen des ersten Antriebs und des zweiten Antriebs. Darüber hinaus umfasst das Verfahren den Schritt des Ermittelns einer gemeinsamen prädiktiven Betriebsstrategie des ersten Antriebs, des zweiten Antriebs und der Heizungs-/Klimaanlage mit minimalen Kraftstoffverbrauch des Hybridfahrzeugs über die einprogrammierte Fahrtstrecke unter Berücksichtigung der Navigationsdaten, der thermischen Zustandsgrößen und der Antriebszustandsgrößen. Ferner umfasst das Verfahren den Schritt des Regelns des ersten Antriebs und des zweiten Antriebs sowie der Temperierung des Passagierraums bei minimalem Kraftstoffverbrauch über die einprogrammierte Fahrtstrecke des Hybridfahrzeugs gemäß der prädiktiven Betriebsstrategie.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Verfahrens zum prädiktiven, verbrauchsoptimierten Betrieb eines solchen Hybridfahrzeugs. Die Steuervorrichtung ist dazu ausgebildet, eine in das Navigationssystem einprogrammierte Fahrtstrecke zu erfassen und fahrtstreckenrelevante Navigationsdaten zu ermitteln. Weiterhin ist die Steuervorrichtung dazu ausgebildet, thermische Zustandsgrößen des ersten Antriebs und der Heizungs-/Klimaanlage sowie Antriebszustandsgrößen des ersten Antriebs und des zweiten Antriebs zu erfassen. Ferner ist die Steuervorrichtung dazu ausgebildet, unter Berücksichtigung der Navigationsdaten, der thermischen Zustandsgrößen und der Antriebszustandsgrößen eine gemeinsame prädiktive Betriebsstrategie des ersten Antriebs, des zweiten Antriebs und der Heizungs-/Klimaanlage mit minimalen Kraftstoffverbrauch des Hybridfahrzeugs über die einprogrammierte Fahrtstrecke zu ermitteln. Zudem ist die Steuervorrichtung dazu ausgebildet, gemäß der prädiktiven Betriebsstrategie den ersten Antrieb und den zweiten Antrieb sowie die Temperierung des Passagierraums bei minimalem Kraftstoffverbrauch über die einprogrammierte Fahrtstrecke des Hybridfahrzeugs zu regeln.
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Vorteile der Erfindung
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Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum prädiktiven, verbrauchsoptimierten Betrieb eines Hybridfahrzeugs zu schaffen, welches Aspekte eines HVAC-Systems in klassische Antriebsstrategien integriert, um vorhandenes Potenzial zur Energieeinsparung hierdurch möglichst effektiv auszuschöpfen. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Steuervorrichtung zur Steuerung des Verfahrens sind auf alle Typen von Hybridfahrzeugen anwendbar, welche zumindest einen Verbrennungsmotor, ein Navigationssystem und eine Heizungs- bzw. Klimaanlage aufweisen, die die von dem Verbrennungsmotor erzeugte Abwärme zur Regelung der Temperierung des Passagierraums nutzt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt auf Basis der in das Navigationssystem einprogrammierten Fahrtstrecke fahrstreckenrelevante Navigationsdaten. Diese dienen in Kombination mit den ebenfalls erfassten thermischen Zustandsgrößen und Antriebszustandsgrößen dazu, eine verbrauchsoptimierte Betriebsstrategie zu berechnen. Aufbauend auf der so ermittelten Strategie werden dann während der Fahrt fortlaufend die Antriebe und die Passagierraumtemperierung so geregelt, dass ein minimaler Kraftstoffverbrauch erreicht wird. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung stellt somit einen „Energiemanager“ dar.
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Die prädiktive Kombination von klassischen Antriebsstrategien mit denen eines HVAC-Systems erzeugt den erheblichen Vorteil, dass zwecks verbrauchsoptimierten Fahrens elektrisch oder im Segelbetrieb gefahren werden kann und dennoch für eine ausreichende Zeitdauer genügend Wärme bzw. Kälte erzeugt wird. In diesem Fall wird beispielsweise nicht nur die Batterie des elektrischen Antriebs als Energiespeicher berücksichtigt, sondern auch Wärmespeicher, wie der Verbrennungsmotor oder beispielsweise der Wärmespeicher einer Kältemaschine. Diese werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren aufbauend auf dem Navigationssystem gemeinsam prädiktiv betrachtet und integriert optimiert.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Regeln des ersten Antriebs und des zweiten Antriebs ein Aufteilen der Gesamtantriebsleistung des Hybridfahrzeugs auf den ersten Antrieb und den zweiten Antrieb umfassen. Vorteilhafterweise kann hiermit die Drehmomentenaufteilung auf Verbrennungsmotor und beispielsweise Elektromotor optimiert werden, um je nach Fahrsituation und anvisierter Fahrstrecke möglichst effizient Kraftstoff sparen zu können.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Regeln des ersten Antriebs und des zweiten Antriebs ein An- und/oder Ausstellen des ersten Antriebs und/oder des zweiten Antriebs umfassen. Beispielsweise kann so vorteilhafterweise zwecks Einsparung von Kraftstoff rein elektrisch oder im Segelbetrieb gefahren werden. Weiterhin kann der Verbrennungsmotor beispielsweise bei Stillstandsphasen des Hybridfahrzeugs im Sinne eines Start-Stopp-Modus ausgeschaltet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Regeln des ersten Antriebs und des zweiten Antriebs eine Lastpunktanhebung umfassen. Ferner kann das Regeln des ersten Antriebs und des zweiten Antriebs eine Rekuperation umfassen. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass der Verbrennungsmotor per Lastpunktanhebung gezielt aufgeheizt werden kann. Beispielsweise wird in einem Anwendungsfall auf Basis der Navigationsdaten ermittelt, dass eine Stadtfahrt auf eine Strecke mit hohem Kraftstoffverbrauch, z.B. eine Autobahnfahrt, folgt. Auf der Autobahn kann der Verbrennungsmotor mit hoher Leistung und damit hoher Temperatur bzw. Wirkungsgrad betrieben werden, so dass die anschließende Stadtfahrt mit geladener Batterie und warmen Verbrennungsmotor rein elektrisch gefahren werden kann. Zum Heizen oder Kühlen kann die Wärme aus dem Verbrennungsmotor entnommen werden, welcher zuvor genau zu diesem Zwecke bei hoher Leistung betrieben wurde. Es wird in diesem Fall also nicht nur Kraftstoff gespart, sondern auch der Betriebsbereich mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor erweitert.
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Gemäß einer Weiterbildung können die thermischen Zustandsgrößen ein Maß für die Temperatur des ersten Antriebs umfassen. Ferner können die thermischen Zustandsgrößen ein Maß für die von der Heizungs-/Klimaanlage zur Temperierung des Passagierraums nutzbare Abwärme des ersten Antriebs umfassen. Dies hat den Vorteil, dass der erste Antrieb, d.h. der Verbrennungsmotor, praktisch als Wärmespeicher verwendbar ist. Die für die Heizung oder Kühlung des Passagierraums benötigte Wärmemenge kann so in der Betriebsstrategie des Hybridfahrzeugs berücksichtigt werden. Beispielsweise kann die Kühlwassertemperatur des Verbrennungsmotors als Maß für die zur Verfügung stehende, gespeicherte Wärmemenge dienen. Die während des verbrennungsmotorischen Fahrens produzierte Abwärme des ersten Antriebs kann anhand eines Kennfeldes in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Drehmoment des Verbrennungsmotors vorliegen und in dieser Form in die Findung der Betriebsstrategie einfließen.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Heizungs-/Klimaanlage als Adsorptionskältemaschine ausgebildet sein. Die Adsorptionskältemaschine kann zur Kälteproduktion mittels von dem ersten Antrieb abgegebener Abgasabwärme ausgebildet sein. Weiterhin können die thermischen Zustandsgrößen ein Maß für die von der Heizungs-/Klimaanlage zur Temperierung des Passagierraums nutzbare Abgasabwärme des ersten Antriebs umfassen. Eine Adsorptionskältemaschine ist eine mögliche Form einer Kältemaschine, die Abwärme eines Verbrennungsmotors zur Kältegeneration nutzen kann. Die Adsorptionskältemaschine kann über einen Abgaswärmetauscher an die Abgasabwärme des Verbrennungsmotors angebunden sein und mit Hilfe des Kühlwassers entwärmt werden. Dementsprechend kann die von der Adsorptionskältemaschine benötigte Abgasabwärme vorteilhafterweise in die Strategie für den Betrieb des Hybridfahrzeugs einfließen.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Heizungs-/Klimaanlage als Wärmespeicher ausgebildet sein. Die thermischen Zustandsgrößen können eine in der Heizungs-/Klimaanlage gespeicherte Wärmemenge umfassen. Beispielsweise kann die Klimaanlage als Adsorptionskältemaschine ausgebildet sein, die zwei Adsorptionsbetten aufweist, welche abwechselnd zyklisch zur Kälteproduktion nutzbar sind. Produziert ein Adsorptionsbett keine Kälte, kann es mittels Abgasabwärme des Verbrennungsmotors regeneriert werden. Jedes solche Adsorptionsbett besitzt ein gewisses Wärmespeichervermögen, das vorteilhafterweise nutzbar ist, um zur Kälteerzeugung beizutragen, beispielsweise weil nicht genügend oder keine Abgasabwärme verfügbar ist. Die Betriebsstrategie für das Hybridfahrzeug kann diesen zusätzlichen Wärmespeicher berücksichtigen.
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Gemäß einer Weiterbildung können die Antriebszustandsgrößen Antriebswirkungsgrade des ersten Antriebs und/oder des zweiten Antriebs umfassen. Die Antriebswirkungsgrade können beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur des jeweiligen Antriebs bestimmbar sein. Darüber hinaus können die Wirkungsgrade für die gesamte Wirkkette von dem eigentlichen Antrieb, das Getriebe, über den Kraftstoff, bis hin zu der auf die Straße übertragenen Energie Verwendung finden. In jedem Fall können zur Findung einer optimalen Strategie vorteilhafterweise vielfältige verbrauchsrelevante Eigenschaften des Antriebsstranges berücksichtigt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Ermitteln der Betriebsstrategie die Fahrtgeschwindigkeit berücksichtigen. Ferner kann das Ermitteln der Betriebsstrategie die Umgebungstemperatur des Hybridfahrzeugs berücksichtigen. Sowohl Fahrgeschwindigkeit als auch Umgebungstemperatur sind relevant zur genauen Berechnung des Wärmeverlustes des Verbrennungsmotors an die Umgebung. Der Wärmeverlust wird durch den Wärmewiderstand des Verbrennungsmotors bestimmt, welcher wiederum von der Fahrtgeschwindigkeit abhängt. Die Fahrtgeschwindigkeit beeinflusst zudem den Luftmassenstrom, welcher für die Belüftung des Passagierraums und damit für den Energiebedarf der Heizungs- bzw. Klimaanlage relevant ist. Die Berücksichtigung dieser zusätzlichen Größen kann demnach die Strategiefindung zum Betrieb des Hybridfahrzeugs unterstützen.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Ermitteln der Betriebsstrategie die Anzahl von Fahrzeuginsassen innerhalb des Hybridfahrzeugs berücksichtigen. Ferner kann das Ermitteln der Betriebsstrategie die Verteilung von Fahrzeuginsassen innerhalb des Hybridfahrzeugs berücksichtigen. Die Anzahl der Fahrzeuginsassen bzw. deren Position beeinflusst aufgrund deren Wärme- und Feuchtigkeitsabgabe den Betrieb bzw. Verbrauch der Heizungs-/Klimaanlage. Somit hat die Berücksichtigung dieser Größen Vorteile für die Findung einer verbesserten Betriebsstrategie.
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Gemäß einer Weiterbildung können die fahrtstreckenrelevanten Navigationsdaten Informationen über die Fahrtstrecke, die Fahrtdauer, das Fahrtprofil, Fahrgewohnheiten und/oder das Wetter umfassen. Hiermit werden nicht nur von den Passagieren in das Navigationsgerät einprogrammierte Parameter berücksichtigt, sondern vorteilhafterweise auch aus dem Fahrverhalten erlernte und eventuell streckenabhängige Parameter. Zur Ermittlung einer optimalen Betriebsstrategie sind beispielsweise Informationen über zu erwartende Steigungen, Verkehrsaufkommen und anderweitige Verkehrsinformationen, wie beispielsweise Umleitungen etc., relevant. Darüber hinaus sind auch Wetterdaten streckenabhängig und relevant für den Energiebedarf der Heizung bzw. der Klimaanlage (z.B. Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Sonnenintensität etc.).
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Gemäß einer Weiterbildung kann der zweite Antrieb als Elektromotor ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist ein solcher Elektromotor typischerweise mit einer Batterie gekoppelt, die als Energiespeicher dienen kann, welcher von dem Verbrennungsmotor aufladbar ist und in der verbrauchsoptimierten Strategie einbeziehbar ist.
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Gemäß einer Weiterbildung ist ein Navigationssystem mit einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ausgebildet. Mittels eines solchen Navigationsgeräts kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Steuervorrichtung in einem Fahrzeug integriert verwendet bzw. hergestellt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Hybridelektrofahrzeugs mit einer Steuervorrichtung zum prädiktiven, verbrauchsoptimierten Betrieb gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
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2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens, wie es in den Steuervorrichtung des Hybridelektrofahrzeugs von 1 verwendet wird.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hybridelektrofahrzeugs mit einer Steuervorrichtung zum prädiktiven, verbrauchsoptimierten Betrieb gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 das Hybridfahrzeug. Das Hybridfahrzeug 10 weist einen Antriebsstrang 11 auf, der in dem vorliegenden Fall einen Elektromotor 3 mit daran gekoppelter Batterie 7 zur Bereitstellung von Antriebsleistung beinhaltet. Zusätzlich weist das Hybridfahrzeug 10 einen Verbrennungsmotor 2 auf, welcher zusätzlich oder alternativ zu dem Elektromotor 3 für das Antreiben des Hybridfahrzeugs 10 ausgebildet ist. Die Antriebsleistung wird über eine nicht dargestellte Antriebswelle, auf welche der Elektromotor 3 bzw. der Verbrennungsmotor 2 ein Drehmoment übertragen, und ein damit verbundenes Getriebe über den Antriebsstrang 11 auf Räder 9 des Hybridfahrzeugs 10 übertragen.
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Weiterhin weist das Hybridfahrzeug 10 einen Passagierraum 6 auf, der mit einer Rückbank 12 und Sitzen 13 für Passagiere ausgestattet ist. Der Passagierraum 6 weist ein Armaturenbrett 14 auf, mit den üblichen Anzeigen und Bedienfeldern eines modernen Hybridfahrzeugs 10.
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Das Hybridfahrzeug 10 weist ferner eine HVAC-Vorrichtung 4 auf, die mit dem Verbrennungsmotor 2 gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, von diesem erzeugte Abwärme zur Temperierung des Passagierraums 6 zu nutzen. Beispielweise kann die HVAC-Vorrichtung 4 über das Armaturenbrett 14 einstellbar bzw. steuerbar sein. Die HVAC-Vorrichtung 4 kann hierbei insbesondere als Adsorptionskältemaschine ausgebildet sein. Die Adsorptionskältemaschine kann über einen Abgaswärmetauscher an die Abgasabwärme des Verbrennungsmotors 2 angebunden sein und mit Hilfe des Kühlwassers entwärmt werden. Hierzu sind zwei Adsorptionsbetten vorhanden (nicht abgebildet), welche abwechselnd zyklisch zur Kälteproduktion genutzt werden. Produziert ein Adsorptionsbett keine Kälte, kann es mittels Abgasabwärme des Verbrennungsmotors 2 regeneriert werden. Jedes solche Adsorptionsbett besitzt ein gewisses Wärmespeichervermögen, welches vorteilhafterweise nutzbar ist, um zur Kälteerzeugung beizutragen, beispielsweise weil nicht genügend oder keine Abgasabwärme verfügbar ist.
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Ferner weist das Hybridfahrzeug 10 ein Navigationssystem 5 auf, welches über ein an dem Armaturenbrett 14 befindliches Bedienfeld (nicht abgebildet) bedienbar ist. Beispielsweise kann über das Bedienfeld eine gewünschte Fahrtstrecke einprogrammiert werden, die dann von dem Navigationssystem 5 erfasst wird. Hierzu wird insbesondere eine Steuervorrichtung 1 bereitgestellt, welche zur Steuerung des Navigationssystems 5 ausgebildet ist. Darüber hinaus steuert die Steuervorrichtung 1 ein Verfahren zur Ermittlung einer prädiktiven, verbrauchsoptimierten Betriebsstrategie für das Hybridfahrzeug 10. Hierzu ist die Steuervorrichtung 1 mit dem elektrischen Antrieb 3, mit dem verbrennungsmotorischen Antrieb 2 und insbesondere zudem mit der HVAC-Vorrichtung 4 so verbunden, dass diese von der Steuervorrichtung gemeinsam oder getrennt regelbar sind. Darüber hinaus ist die Steuervorrichtung 1 in diesem Fall mit einer Sensorvorrichtung 8 verbunden. Letztere ist dazu ausgebildet, Umweltdaten zu erfassen und an die Steuervorrichtung 1 weiterzuleiten, in welcher diese im Anschluss ausgewertet werden. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung 8 dazu ausgebildet sein, die Umgebungstemperatur oder Luftfeuchtigkeit zu messen. Zusätzlich oder alternativ kann die Sensorvorrichtung 8 beispielsweise auch den auf das Hybridfahrzeug 10 treffenden Luftfluss genauer analysieren.
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Die optimale Betriebsstrategie für das Hybridfahrzeug 10, welche den Kraftstoffverbrauch des Hybridfahrzeugs 10 über eine einprogrammierte Fahrtstrecke minimiert, wird in mehreren Schritten von der Steuervorrichtung 1 ermittelt und umgesetzt. Für die Findung der Betriebsstrategie wird insbesondere die in dem Verbrennungsmotor 2 gespeicherte Abwärme berücksichtigt, welche von der HVAC-Vorrichtung 4 zur Temperierung des Passagierraums 6 genutzt wird. Der Verbrennungsmotor 2 wird gewissermaßen als Wärmespeicher betrachtet. Nachdem ein Passagier oder ein anderer Benutzer ein gewünschte Fahrtstrecke in das Navigationssystem 4 einprogrammiert hat, wird diese von der Steuervorrichtung 1 erfasst. Im Anschluss werden fahrstreckenrelevante Navigationsdaten erfasst. Diese können Informationen über die Fahrtstrecke, die Fahrtdauer, das Fahrtprofil, Fahrgewohnheiten oder das Wetter umfassen. Insbesondere können auch die Messergebnisse der Sensorvorrichtung 8 in diese einfließen. Die fahrstreckenrelevanten Navigationsdaten werden nicht nur zu Beginn einer Fahrt einmalig registriert, sondern vielmehr ständig aktualisiert, je nach veränderter Fahrsituation und Streckenposition.
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Weiterhin werden von der Steuervorrichtung 1 thermische Größen des Verbrennungsmotors 2 sowie der HVAC-Vorrichtung 4 erfasst. Hierbei wird unter anderem beispielsweise die Kühlwassertemperatur des Verbrennungsmotors 2 als Maß für die in diesem gespeicherte Wärmemenge erfasst. Durch diese wird letztendlich bei gegebenen Verbrennungsmotor 2 und Fahrtsituation festgelegt, welche Abwärmemenge des Verbrennungsmotors 2 für die HVAC-Vorrichtung 4 zur Temperierung des Passagierraums 6 nutzbar ist. Die Steuervorrichtung 1 berechnet hierbei die Änderung der Motortemperatur als Funktion der Fahrtzeit. Der Verbrennungsmotor 2 verliert ständig Wärme an die Umgebung. Der genaue Ablauf hängt dabei sowohl von dem Wärmewiderstand des Verbrennungsmotors 2 als auch beispielsweise der Fahrtgeschwindigkeit, dem Luftfluss etc. ab. Die Steuervorrichtung 1 berücksichtigt die zur Beheizung bzw. Kühlung des Passagierraums 6 erforderliche Wärmemenge bzw. Abgaswärmemenge, welche von der HVAC-Vorrichtung 4 benötigt wird. Beispielsweise wird die während des verbrennungsmotorischen Fahrens produzierte Abwärme in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Drehmoment des Verbrennungsmotors 2 zur Strategiefindung genutzt. Darüber hinaus kann die Steuervorrichtung 1 aber auch die in der Adsorptionskältemaschine gespeicherte und prinzipiell abrufbare Wärmemenge berücksichtigen, so dass je nach Situation auch diese zur Kälteproduktion für den Passagierraum 6 nutzbar ist.
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Ferner werden von der Steuervorrichtung 1 auch antriebsrelevante Größen erfasst, sowohl bezüglich des Verbrennungsmotors 2, als auch des Elektromotors 3 und der damit gekoppelten Batterie 7. Diese im Folgenden als Antriebszustandsgrößen bezeichneten Größen umfassen Information über die Antriebswirkungsgrade der beiden Antriebe über die gesamte Wirkkette. Die schließt sowohl die eigentlichen Antriebe ein, als auch die chemischen Energie des Kraftstoffs, bis hin zu der auf die Straße übertragenen Energie. Insbesondere wird auch die Reibleistung, d.h. der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 2, in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur, d.h. der Motortemperatur, berücksichtigt. Somit werden vielfältige verbrauchsrelevante Eigenschaften des Antriebsstranges zur Findung einer optimalen Strategie berücksichtigt.
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Aufbauend auf der einprogrammierten Fahrtstrecke ermittelt die Steuervorrichtung 1 aus den fahrtstreckenrelevanten Navigationsdaten, den thermischen Zustandsgrößen sowie den Antriebszustandsgrößen eine prädiktive Betriebsstrategie, die für einen minimalen Kraftstoffverbrauch des Hybridfahrzeugs 10 über die einprogrammierte Fahrtstrecke optimiert ist. Die Betriebsstrategie wird kontinuierlich bis zum Fahrtende berechnet und aktualisiert. Hierzu werden die Navigationsdaten, die thermischen Zustandsgrößen sowie die Antriebszustandsgrößen ständig neu erfasst und ausgewertet. Die Betriebsstrategie ist somit domänenübergreifend angelegt, da sie Funktionen der Antriebssteuerung, des Motor-Thermomanagements, der HVAC-Ansteuerung und der navigationsgestützten Prädiktion verknüpft. Gewissermaßen regelt die Steuervorrichtung 1 das Energiemanagement des Hybridfahrzeugs 10. In die Betriebsstrategie fließen als Eingangsgrößen Daten über die Fahrtstrecke, über das Fahrzeug (Wirkungsgrade, Schaltstrategien, Betriebsgrenzen, Komponentenkennfelder etc.) und über die vorhandenen Energiespeicher (Verbrennungsmotor 2 als Wärmespeicher, Batterie 7 als elektrischer Energiespeicher, Grenztemperaturen etc.) ein. Aufbauend auf diesen Eingangsgrößen optimiert die Steuervorrichtung 1 den Betrieb der beiden Antriebe sowie der HVAC-Vorrichtung 4 mit dem Ziel des minimalen Kraftstoffverbrauchs übergreifend über diese drei Bereiche. Es wird nach eine gemeinsamen Strategie für die beiden Antriebe und die HVAC-Vorrichtung gesucht. Während herkömmliche Betriebsstrategien ausschließlich die beiden Antriebe berücksichtigen, wird in der vorliegenden Lösung auch der Energieverbrauch der HVAC-Vorrichtung 4 eingeschlossen.
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Die beschriebene Betriebsstrategie ist nicht abschließend beschrieben worden und kann noch weiter verfeinert werden. Beispielsweise ist vorgesehen, die Anzahl und/oder die Verteilung von Fahrzeuginsassen innerhalb des Hybridfahrzeugs 10 in der Strategie zu berücksichtigen. Die Anzahl der Fahrzeuginsassen bzw. deren Position beeinflusst aufgrund deren Wärme- und Feuchtigkeitsabgabe den Betrieb bzw. Verbrauch der Heizungs-/Klimaanlage. Somit hat die Berücksichtigung dieser Größen Vorteile für die Findung einer verbesserten Betriebsstrategie.
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Aufbauend auf der ermittelten Betriebsstrategie regelt die Steuervorrichtung den verbrennungsmotorischen Antrieb, den elektrischen Antrieb und die Temperierung des Passagierraums 6, um den Kraftstoffverbrauch des Hybridfahrzeugs 10 über die einprogrammierte Fahrtstrecke minimal zu halten. Das Regeln der Antriebe berücksichtigt hierbei sämtliche üblichen Betriebszustände eines Hybridantriebs, wie rein verbrennungsmotorisches Fahren, rein elektrisches Fahren, Lastpunktverschiebung (variable Aufteilung der Antriebsleistung auf beiden Antriebe), Lastpunktanhebung, Rekuperation, Start-Stopp-Betrieb und/oder Segeln. Zudem wird aber auch die Regelung des HVAC-Systems 4 berücksichtigt, d.h. beispielsweise der Luftmassenstrom für die Belüftung des Passagierraums 6.
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Mit Hilfe der vorliegenden Betriebsstrategie kann signifikant Kraftstoff gegenüber herkömmlichen Strategien (d.h. Strategien ohne Einbeziehung des als Wärmespeicher fungierenden Verbrennungsmotors 2 und der HVAC-Vorrichtung 4) eingespart werden. Erreicht wird dies, weil die kombinierte Betriebsstrategie beispielsweise mitunter bewusst das verbrennungsmotorische Fahren bei einem hohen Wirkungsgrad vorsieht, um gleichzeitig Wärme und elektrische Energie zu erzeugen, die dann in einem späteren Fahrtverlauf genutzt werden kann. Die Strategie sucht die optimale Drehmomentenaufteilung auf beide Antriebe zu jedem Zeitpunkt der Fahrt, so dass die Energiespeicher (Verbrennungsmotor 2, Batterie 7 und HVAC-Vorrichtung 4) optimal genutzt werden. Als Beispiel sei hier eine Fahrt mit dem Hybridfahrzeug 10 genannt, die mit einer Autobahnfahrt beginnt und mit einer Stadtfahrt endet. Auf der Autobahn wird verbrennungsmotorisch, beispielsweise per Lastpunktanhebung, gefahren, wobei der Verbrennungsmotor 2 verstärkt aufgeheizt wird (beispielsweise bis zu oder über eine Temperatur von 110°C mittels einer Heißkühlung), um Wärme zu speichern. Gleichzeitig kann die Batterie 7 des Hybridfahrzeugs 10 aufgeladen werden. Bei der späteren Stadtfahrt kann dann vornehmlich oder ausschließlich elektrisch gefahren werden. Die in dem Verbrennungsmotor 2 und der HVAC-Vorrichtung 4 gespeicherte Wärmemenge kann zur Heizung oder Kühlung des Passagierraums 6 verwendet werden.
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2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 20, wie es in dem Hybridelektrofahrzeug 10 von 1 verwendet wird.
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Das Verfahren 20 umfasst in einem ersten Schritt 21 das Erfassen einer in das Navigationssystem 5 einprogrammierten Fahrtstrecke. In einem nächsten Schritt 22 sieht das Verfahren 20 das Ermitteln von fahrtstreckenrelevanten Navigationsdaten vor. Weiterhin sieht das Verfahren 20 den Schritt 23 des Erfassens thermischer Zustandsgrößen des ersten Antriebs 2 und der HVAC-Vorrichtung 4 vor. In einem weiteren Schritt 24 weist das Verfahren 20 das Erfassen von Antriebszustandsgrößen des ersten Antriebs 2 und des zweiten Antriebs 3 auf. Zudem sieht das Verfahren 20 den Schritt 25 des Ermittelns einer gemeinsamen prädiktiven Betriebsstrategie des ersten Antriebs 2, des zweiten Antriebs 3 und der Heizungs-/Klimaanlage 4 mit minimalen Kraftstoffverbrauch des Hybridfahrzeugs 10 über die einprogrammierte Fahrtstrecke unter Berücksichtigung der Navigationsdaten, der thermischen Zustandsgrößen und der Antriebszustandsgrößen vor. Zudem ist ein Schritt 26 des Regelns des ersten Antriebs 2 und des zweiten Antriebs 3 sowie der Temperierung des Passagierraums 6 bei minimalem Kraftstoffverbrauch über die einprogrammierte Fahrtstrecke des Hybridfahrzeugs 10 gemäß der prädiktiven Betriebsstrategie vorgesehen.
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Prinzipiell sind die einzelnen Schritte des Verfahrens kontinuierlich während dem Betrieb des Hybridfahrzeugs immer wieder durchführbar. In typischen Anwendungsfällen wird aber der Schritt 21 des Erfassens der in das Navigationssystem 5 einprogrammierten Fahrtstrecke einmal zu Beginn einer Fahrt durchgeführt werden. Die folgenden Schritte 22 bis 26 werden dann fortlaufend bis zum Fahrtende immer wieder durchgeführt (in 2 durch einen Pfeil angedeutet). Somit wird auch die verbrauchsoptimierte Betriebsstrategie laufend aktualisiert, beispielsweise weil fahrsituationsabhängige Änderungen oder Abweichungen der Navigationsdaten eine Korrektur der Strategie notwendig machen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008015046 A1 [0003, 0004]
