DE102014219658A1

DE102014219658A1 - Steuerung für fahrzeugbatterie-ladesollwert

Info

Publication number: DE102014219658A1
Application number: DE102014219658.2A
Authority: DE
Inventors: Yonghua Li; Johannes Geir Kristinsson; Fling Tseng
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2015-04-09
Also published as: US10703219B2; US20150097512A1; CN104512265A; CN104512265B

Abstract

Es wird eine einstellbare Fahrzeugtraktionsbatterie-Ladesollwertstrategie offenbart, welche die Einstellung des maximalen Batterieladezustand-Sollwerts (kurz SOC-Sollwert) ermöglicht, der zum Laden der Batterie aus einem Stromdienstnetz verwendet wird. Aufgrund der Kenntnis über die kommende Strecke und das damit verbundene Fahrverhalten berechnet das Fahrzeug einen Sollwert, der kleiner als der maximale Batterie-SOC-Ladesollwert ist, so dass, wenn das Fahrzeug den Betrieb aufnimmt, es das regenerative Bremsen und vorherige Fahrverhalten nutzen kann, um die Maximierung der Batterieladung während der Fahrt zu ermöglichen.

Description

Diese Offenbarung betrifft das Einstellen eines Fahrzeugbatterie-Ladesollwerts basierend auf antizipierter Zunahmen des Batterieladezustands aufgrund regenerativer Ereignisse.
Ein Hybrid-Elektro- oder Elektrofahrzeug weist eine Traktionsbatterie zum Speichern und Bereitstellen von Energie für den Fahrzeugantrieb auf. Zur Verbesserung der Leistung und Batterielebensdauer ist es notwendig, die Batterie innerhalb bestimmter Grenzwerte zu betreiben. Das Betreiben der Batterie außerhalb dieser Grenzwerte kann die Leistung oder Lebensdauer der Batterie verringern. Die Batterie kann während des Parkens über das Stromnetz mithilfe des fahrzeuginternen Generators aufgeladen werden, der während des Fahrens von dem Motor oder durch regeneratives Bremsen angetrieben werden kann.
Eine wichtige Größe zum Steuern und Betreiben des Batteriepacks ist die Batterie-Leistungskapazität. Die Batterie-Leistungsfähigkeit zeigt an, wie viel Leistung die Batterie bereitstellen (entladen) oder aufnehmen (aufladen) kann, um den Fahrer- und Fahrzeuganforderungen gerecht zu werden.
Es wird eine einstellbare Fahrzeugzugtraktionsbatterie-Ladesollwertstrategie offenbart, welche das Einstellen des maximalen Batterieladezustand-Sollwerts (im Folgenden SOC-Sollwert) ermöglicht, der zum Aufladen der Batterie aus dem Stromdienstnetz verwendet wird. Basierend auf der Kenntnis der kommenden Strecke und dem damit verbundenen Fahrverhalten kann das Fahrzeug einen Sollwert berechnen, der kleiner als der maximale Batterie-SOC-Ladesollwert ist, so dass, wenn das Fahrzeug den Betrieb aufnimmt, das regenerative Bremsen und vorherige Fahrverhalten benutzt werden können, um das Maximieren der Batterieaufladung während der Fahrt zu ermöglichen.
Es zeigen:
1 ein beispielhaftes Hybrid-Elektrofahrzeug mit einem Batteriepack;
2 eine Batteriepack-Anordnung, die aus Batteriezellen und Batteriezellenüberwachungs- und -steuerungssystemen besteht;
3 ein Diagramm, das die Beziehung der Leerlaufspannung (VOC) gegenüber dem Batterieladezustand (SOC) für eine typische Li-Ionen-Batteriezelle zeigt;
4 ein Diagramm einer beispielhaften Batteriezellen-Ersatzschaltung;
5 eine Darstellung des SOC-Beitrags und der Änderungsrate in Bezug auf den Standort einer Strecke;
6 den SOC in Bezug auf den Standort einer Strecke nach Optimieren des Batterieladesollwerts für die Strecke;
7 die Überschneidung des SOC in Bezug auf den Standort einer Strecke nach bzw. nicht nach Optimieren des Batterieladesollwerts für die Strecke; und
8 ein Flussdiagramm der Fehlererkennung, die am Ende eines einzelnen Arbeitszyklus bestimmt wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Man wird jedoch verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft sind und dass andere Ausführungsformen andere und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten aufzuzeigen. Daher sind spezifische hierin offenbarte strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern nur als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann verschiedene Anwendungen der vorliegenden Erfindung zu lehren. Wie der Fachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf eine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu ergeben, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Das Kombinieren der dargestellten Merkmale stellt repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Abänderungen der Merkmale in Übereinstimmung mit den Lehren dieser Offenbarung können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
1 zeigt ein Beispiel eines elektrischen Plug-in-Hybridfahrzeugs. Ein elektrisches Plug-in-Hybridfahrzeug 102 kann einen oder mehrere Elektromotoren 104 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 106 verbunden sind. Außerdem ist das Hybridgetriebe 106 mechanisch mit einem Motor 108 verbunden. Das Hybridgetriebe 106 kann auch mechanisch mit einer Antriebswelle 110 verbunden sein, die wiederum mit den Rädern 112 mechanisch verbunden ist. Die Elektromotoren 104 können den Antrieb bereitstellen, wenn der Motor 108 eingeschaltet wird. Die Elektromotoren 104 können eine Abbremsungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Motor 108 ausgeschaltet wird. Die Elektromotoren 104 können als Generatoren konfiguriert sein, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln können, und können Vorteile beim Kraftstoffverbrauch durch Rückgewinnen von Energie bereitstellen, die normalerweise als Wärme in dem Reibungsbremssystem verloren gehen würde. Die Elektromotoren 104 können auch die Schadstoffemissionen verringern, da das Hybrid-Elektrofahrzeug 102 unter bestimmten Bedingungen im Elektromodus betrieben werden kann.
Die Traktionsbatterie oder das Batteriepack 114 speichern Energie, die von den Elektromotoren 104 verwendet werden kann. Ein Fahrzeug-Batteriepack 114 stellt typischerweise eine Hochspannungs-Gleichstromausgabe bereit. Das Batteriepack 114 ist elektrisch mit einem Leistungselektronikmodul 116 verbunden. Das Leistungselektronikmodul 116 ist ferner mit den Elektromotoren 104 elektrisch verbunden und stellt die Möglichkeit bereit, Energie bidirektional zwischen dem Batteriepack 114 und den Elektromotoren 104 zu übertragen. Zum Beispiel kann ein typisches Batteriepack 14 eine Gleichspannung bereitstellen, wenngleich die Elektromotoren 104 einen Dreiphasen-Wechselstrom zum Arbeiten benötigen. Das Leistungselektronikmodul 116 kann die Gleichspannung in einen Dreiphasen-Wechselstrom umwandeln, der von den Elektromotoren 104 benötigt wird. In einem regenerativen Modus wandelt das Leistungselektronikmodul 116 den Dreiphasen-Wechselstrom aus den Elektromotoren 104, die als Generatoren dienen, in Gleichspannung um, die von dem Batteriepack 114 benötigt wird. Die hierin beschriebenen Verfahren können gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug als auch auf eine andere Vorrichtung angewendet werden, die ein Batteriepack verwendet.
Neben der Bereitstellung von Energie für den Antrieb kann das Batteriepack 114 Energie für andere Fahrzeugelektrosysteme bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichstrom-Wandlermodul 118 aufweisen, das die Hochspannungs-Gleichstromausgabe des Batteriepacks 114 in eine Niederspannungs-Gleichstromzufuhr umwandelt, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist. Andere Hochspannungslasten wie Verdichter oder elektrische Heizungen können direkt mit dem Hochspannungs-Bus des Batteriepacks 114 verbunden sein. In einem typischen Fahrzeug sind die Niederspannungssysteme elektrisch mit einer 12V-Batterie 120 verbunden. Ein reines Elektrofahrzeug kann eine ähnliche Architektur aufweisen, jedoch ohne Motor 108.
Das Batteriepack 114 kann über eine externe Stromquelle 126 aufgeladen werden. Die externe Stromquelle 126 kann durch elektrisches Verbinden über einen Ladeanschluss 124 dem Fahrzeug 102 Wechselstrom oder Gleichstrom bereitstellen. Der Ladeanschluss 124 kann jeder Typ von Anschluss sein, der zum Übertragen von Leistung aus der externen Stromquelle 126 an das Fahrzeug 102 konfiguriert ist. Der Ladeanschluss 124 ist elektrisch mit einem Leistungsumwandlungsmodul 122 verbunden. Das Leistungsumwandlungsmodul kann die Leistung aus der externen Stromquelle 126 konditionieren, um dem Batteriepack 114 die richtige Spannung und Strompegel bereitzustellen. In einigen Anwendungen kann die externe Stromquelle 126 konfiguriert sein, um dem Batteriepack 114 die richtige Spannung und Strompegel bereitzustellen, wodurch das Leistungsumwandlungsmodul 122 unnötig sein kann. Die Funktionen des Leistungsumwandlungsmodul 122 können bei einigen Anwendungen der externen Stromquelle 126 innewohnen. Der Fahrzeugmotor, das Getriebe, die Elektromotoren und die Leistungselektronik können von einem Antriebsstrang-Steuermodul (PCM) 128 gesteuert werden.
Außer der Darstellung eines Plug-in-Hybridfahrzeugs kann 1 ein Batterie-Elektrofahrzeug (BEV) darstellen, wenn die Komponente 108 entfernt wird. Ebenso kann 1 ein herkömmliches Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) oder ein leistungsverzweigtes Hybrid-Elektrofahrzeug darstellen, wenn die Komponenten 122, 124 und 126 entfernt werden.
Die einzelnen Batteriezellen innerhalb eines Batteriepacks können mithilfe verschiedener chemischer Formulierungen hergestellt werden. Typische Batteriepack-Chemien können Bleisäure, Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Metall-Hydrid (NiMH), Lithium-Ionen- oder Lithium-Ionen-Polymer einschließen, sind aber nicht darauf beschränkt. 2 zeigt ein typisches Batteriepack 200 in einer einfachen Reihenkonfiguration aus N Batteriezellenmodulen 202. Die Batteriezellenmodule 202 können eine einzelne Batteriezelle oder mehrere Batteriezellen enthalten, die elektrisch parallel geschaltet sind. Das Batteriepack kann jedoch aus jeder beliebigen Anzahl von einzelnen Batteriezellen und Batteriezellenmodulen bestehen, die in Reihe oder parallel oder einer Kombination daraus geschaltet sind. Ein typisches System kann eine oder mehrere Steuerungen aufweisen, wie ein Batterie-Steuermodul (BCM) 208 zur Überwachung und Steuerung der Leistung des Batteriepacks 200. Das BCM 208 kann mehrere Batteriepack-Pegeleigenschaften wie Packstrom, der von einem Stromsensor 206 gemessen wird, Packspannung 210 und Packtemperatur 212 überwachen. Die Leistung des Stromsensors 206 kann in bestimmten Anordnungen wesentlich sein, um ein zuverlässiges Batterieüberwachungssystem aufzubauen. Die Genauigkeit des Stromsensors kann nützlich sein, um Batterie-Ladezustand und -Kapazität zu schätzen. Ein Stromsensor kann mehrere verschiedene Verfahren benutzen, die auf physischen Prinzipien basieren, um den Strom zu erkennen, wie einen Hall-Effekt-IC-Sensor, einen Transformator oder eine Stromklemme, einen Widerstand, bei dem die Spannung direkt proportional mit dem Strom darin ist, Faseroptik unter Verwendung eines Interferometers zum Messen des Phasenwechsels im Licht, der von einem Magnetfeld erzeugt wird, oder eine Rogowski-Spule.
Zusätzlich zu den Pack-Pegeleigenschaften kann eine Batteriezellen-Pegeleigenschaft vorliegen, die gemessen und überwacht werden muss. Zum Beispiel können Klemmenspannung, Strom und Temperatur jeder Zelle gemessen werden. Ein System kann ein Sensormodul 204 verwenden, um die Eigenschaften eines oder mehrerer Batteriezellenmodule 202 zu messen. Die Eigenschaften können Batteriezellenspannung, Temperatur, Alter, Anzahl der Auflade- / Entlade-Zyklen usw. einschließen. Typischerweise misst ein Sensormodul die Batteriezellenspannung. Die Batteriezellenspannung kann eine Spannung einer einzelnen Batterie oder einer Gruppe von Batterien sein, die elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet sind. Das Batteriepack 200 kann Nc-Sensormodule 204 zum Messen der Eigenschaften aller Batteriezellen 202 verwenden. Jedes Sensormodul 204 kann die Messungen zur weiteren Verarbeitung und Koordinierung an das BCM 208 übertragen. Das Sensormodul 204 kann Signale in analoger oder digitaler Form an das BCM 208 übertragen.
Bei einer typischen Lithium-Ionen-Batteriezelle besteht eine Beziehung zwischen dem SOC und der Leerlaufspannung (VOC), so dass VOC = f(SOC) ist. 3 ist ein typischer Verlauf 300, der die Leerlaufspannung VOC in Abhängigkeit von SOC anzeigt. Die Beziehung zwischen SOC und VOC kann durch eine Analyse der Batterieeigenschaften oder durch Prüfen der Batteriezellen bestimmt werden. Die Abhängigkeit kann darin bestehen, dass SOC als f-1 (VÖC) errechnet werden kann. Die Abhängigkeit oder inverse Abhängigkeit kann als eine Nachschlagetabelle oder als eine Ersatzgleichung implementiert werden. Der exakte Kurvenverlauf 300 kann je nach der exakten Formulierung der Lithium-Ionen-Batterie variieren. Die Spannung VOC verändert sich aufgrund des Aufladens und Entladens der Batterie.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, um einen Batterie-SOC zu bestimmen, einschließlich der Messung der Leerlaufspannung, Akkumulation der Ladungsmenge, die in die Batterie eintritt oder daraus austritt, der Verwendung eines Hydrometers auf dem Batterieelektrolyt, Impedanz-Spektroskopie und Quantenmagnetismus. Die Messung der Leerlaufspannung erfordert, dass die Last von der Batterie getrennt wird und die Batterieklemmen "schwimmen". Zusammen mit den "schwimmenden" Klemmen muss die Batterie vor dem Messen "ruhen" oder sich setzen. Wenn die Batterie unter Last steht, d. h., wenn Strom in die oder aus der Batterie strömt, wenn die Batterieklemme abgeklemmt sind, spiegelt die Leerlaufspannung nicht den Batterie-SOC wieder, bis sich die Last gesetzt hat. Aus diesem Grund ist die Verwendung einer Leerlaufspannung nicht ideal, um den Batterie-SOC zu bestimmen, während die Batterie in Betrieb ist. Die Verwendung der Coulomb-Zählung ist ein bevorzugtes Verfahren, wenn die Batterie in Betrieb ist. Dieses Verfahren misst den Strom, der während eines vorbestimmten Zeitraums in die oder aus der Batterie strömt. Ein Problem dieses Verfahrens besteht darin, dass, wenn ein Fehler in dem Stromsensor auftritt, die Berechnung des Batterie-SOC nicht mehr präzise ist. Während des Betriebs eines Hybridfahrzeugs ist es wichtig, den Batterie-SOC präzise zu bestimmen, sodass das BCM 208 den vollen Betriebsbereich des Batterie-SOC nutzen kann.
4 zeigt ein beispielhaftes Batteriezellen-Ersatzschaltungsmodell (ECM). Eine Batteriezelle kann als Spannungsquelle (VOC) 402 mit Widerständen (404 und 406) und einer zugeordneten Kapazität 408 ausgeführt werden. Aufgrund der Batteriezellen-Impedanz entspricht die Klemmenspannung Vt 410 typischerweise nicht der Leerlaufspannung VOC 402. Die Leerlaufspannung VOC 402 ist nicht ohne Weiteres messbar, da nur die Klemmenspannung 410 der Batteriezelle für die Messung zugänglich ist. Da die VOC 402 nicht ohne Weiteres messbar ist, kann eine modellbasiertes Verfahren verwendet werden, um den Wert zu schätzen. Ein Modell kann erfordern, dass die Widerstands* und die Kapazitätswerte bekannt sind oder geschätzt werden. Das Batteriezellenmodell kann von der Batteriechemie abhängig sein. Das genaue für die Batteriezelle ausgewählte Modell ist für die beschriebenen Verfahren nicht unbedingt wesentlich.
Bei einer typischen Lithium-Ionen-Batteriezelle besteht eine Beziehung zwischen dem SOC und der Leerlaufspannung (VOC), so dass VOC = f(SOC) ist. 3 zeigt einen typischen Verlauf 300, der die Leerlaufspannung VOC in Abhängigkeit von SOC anzeigt. Die Beziehung zwischen SOC und VOC kann durch eine Analyse der Batterieeigenschaften oder durch Prüfen der Batteriezellen bestimmt werden. Die Abhängigkeit kann darin bestehen, dass SOC als f-1 (VOC) errechnet werden kann. Die Abhängigkeit oder inverse Abhängigkeit kann als eine Nachschlagetabelle oder als eine Ersatzgleichung implementiert werden. Der exakte Kurvenverlauf 300 kann je nach der exakten Formulierung der Lithium-Ionen-Batterie variieren. Die Spannung VOC verändert sich aufgrund des Aufladens und Entladens der Batterie.
Die Grundgleichungen für das Ersatzschaltungsmodell kann wie folgt aufgeschrieben werden:
V_OC – V_t = V₂ + Ir₁ (2) worin: V2 412 eine Spannung über C 408 oder r2 406 des Schaltungsmodells ist; V2 = (dV_2)/dt die Zeit ist, die auf der Ableitung von V2 412 basiert; r2 406 ein Ladungsübertragungswiderstand der Batterie ist; C 412 eine Doppelschichtkapazität der Batterie ist; I 414 der gemessene Batteriestrom ist; VOC 402 die Leerlaufspannung der Batterie ist; Vt 410 die gemessene Batteriespannung an den Batterieklemmen (Klemmenspannung) ist; und r1 404 ein Innenwiderstand der Batterie ist.
In einem typischen Batteriesystem können einige Werte wie der Strom I 414 und die Klemmenspannung Vt 410 direkt gemessen werden. Jedoch können die Widerstands- und Kapazitätswerte über die Zeit variieren und nicht ohne Weiteres messbar sein. Ein Batterieimpedanzparameter-Schätzungsmodell kann zum Berechnen der Impedanzparameter der Batterie erforderlich sein. Ein Verfahren zum Schätzen der Parameter eines Systems ist das Benutzen eines rekursiven Parameterschätzverfahrens, wie beispielsweise eines Extended Kalman Filters (kurz EKF). Zum Beispiel kann ein EKF gebaut werden, der den Strom I 414 als Eingabe, V2 412 als Zustand und Voc – Vt als Ausgabe verwendet. Die Batterie-ECM-Impedanzparameter (r1 404, r2 406 und C 408) oder Kombinationen der Parameter können auch als Identifizierungszustände behandelt werden. Sobald die Parameter und Zustände identifiziert wurden, kann eine Batterieleistungsfähigkeit auf Grundlage der Betriebsgrenzwerte einer Batteriespannung und -stroms und derzeitigen Batteriezustands berechnet werden.
Die elektrische Fahrstrecke eines PHEV oder eines BEV hängt von der Batterieladung zu Beginn der Fahrt ab. Diese Batterieladung wird durch den Ladesollwert angezeigt. Der Standardladesollwert besteht im vollständigen Aufladen der Batterie auf einen maximalen Betriebs-SOC. Basierend auf der zukünftigen Strecke vom derzeitigen Standort des Fahrers, an dem das Fahrzeug aufgeladen wird (oftmals zu Hause oder am Arbeitsplatz des Fahrers), kann das Aufladen der Batterie auf den maximalen Betriebs-SOC nicht unbedingt die effizienteste Strategie sein. Diese künftige Strecke kann eine vollständige Strecke oder eine Teilstrecke sein, wenn nur eine Teilinformation zum Ladezeitpunkt bekannt ist. Teilinformationen können aktuelle Fahrzeughöhe, historische Fahrdaten wie Fahrerverhalten, statistische Daten über die gefahrenen Strecken vom derzeitigen Standort aus usw. beinhalten. Wenn der Fahrer auf einer Anhöhe wohnt oder arbeitet, sodass die künftige Strecke zum nächsten Ziel eine Gelegenheit bereitstellt, das Fahrzeug durch regeneratives Bremsen oder andere regenerative Mittel aufzuladen, einschließlich des Motoraufladens, Motorbetriebs für die Dieselhybridkatalysator-Reinigung, des Motorbetriebs für die Katalysatorheizung, des Motorbetriebs für Stromzubehör wie Fensterheizung, des Motorbetriebs für die Fahrzeugheizung, des Motorbetriebs für die Aufheizung des Batteriepacks, der Solarenergie-Aufnahme und des induktiven Aufladens während der Fahrt, aber nicht darauf beschränkt, kann die Standardladestrategie ggf. nicht effizient sein, da das Fahrzeug kein Überladen der Batterie zulässt. Ein Beispiel hierfür ist das Leben oder Arbeiten in bergigen Regionen, in denen der Fahrer jede Strecke mit einem Bergabfahren von der Ladestation beginnt, sodass die regenerative Energie mit der Standardladestrategie verloren ginge.
Eine Lösung ist, den Ladesollwert basierend auf einem künftigen maximalen Netto-SOC der Batterie während der nächsten Fahrt festzulegen. Die größte Zunahme des künftigen Batterie-SOC oder die maximale Netto-SOC-Zunahme kann aus mehreren Gründen entstehen, einschließlich des regenerativen Bremsens basierend auf der kommenden Strecke, der Motornutzung und des Fahrverhaltens. Die kommende Strecke kann die nächste Strecke und / oder das nächste Ziel sein. Die kommende Strecke kann am Ende der "vorherigen" Strecke bestimmt werden, bevor das Fahrzeug an ein Batterieladegerät angeschlossen wird, oder irgendwann vor der Abfahrt für die nächste Strecke. Die Eingabe der nächsten Strecke kann auf mehrere Arten durchgeführt werden, einschließlich (i) direkte Fahrereingabe der nächsten Strecke, (ii) Vorhersage der Batterie-SOC-Zunahme basierend auf der Fahrgeschichte des Fahrers, (iii) Verwenden von GPS oder anderen Navigationsdaten zum Bestimmen der Höhe und der Strecken vom aktuellen Standort, ist aber nicht darauf beschränkt. In dem Fall, dass der Fahrer keine künftigen Streckeninformationen vor Verlassen des Fahrzeug eingibt, kann ein Vorhersagesystem zum Bestimmen von künftigen SOC-Zunahmen und -Profilen verwendet werden. Wenn das kommende Ziel erhalten wird, kann das Fahrzeug die wahrscheinlichste Strecke zu diesem Ziel und das zugehörige SOC-Profil errechnen.
Das bedingte Fahrverhalten durch Vorhersagen der Fahrgeschichte stellt Informationen über den Energieverbrauch oder Energierückgewinnungsmöglichkeiten bereit. Das bedingte Fahrverhalten schließt Straßeninformationen, Verkehrsinformationen, feste Geschwindigkeitsbegrenzungen und Verkehrszeichen usw. ein. Die allgemeine Analyse der Energieprofile kann von vorhergesagten oder zugewiesenen Zielen mit Streckeninformationen abgeleitet werden. Das durchschnittliche Fahrerverhalten bei bestimmtem Straßenzustand (angegebene Geschwindigkeit, Straßenqualität, Kurven, Tageszeit, Wetter, Verkehr, Ampeln, Verkehrszeichen, etc.) sind Daten, die zum Beeinflussen der Energieanalyse verwendet werden.
Nach dem Bestimmen der künftigen Strecke und des Fahrverhaltens analysiert das System die nächste eingegebene, bestimmte oder vorhergesagte Strecke, um die Energiezunahmen oder -abnahmen an jedem Punkt entlang der Strecke vorherzusagen. Hierbei handelt es sich um die vorhergesagte Berechnung der SOC-Zunahme für jedes Segment der Strecke aufgrund von SOC-Zunahmen, die regeneratives Bremsen in einem "Bremsabschnitt" oder Motor-Generator-Energieerzeugung und SOC-Zunahmen während eines Energieverbrauchs einschließt, darunter "Bergauffahrt" zwischen Bremsabschnitten oder Batterie-Zubehörverwendung. Die Beziehung zwischen geografischen Attributen und SOC-Beitrag wird umgekehrt; eine Bergabfahrt ergibt eine Steigung oder positiven Nettobeitrag des SOC und eine Bergauffahrt ergibt eine Neigung oder negativen Nettoverbrauch des SOC.
Die Vorhersage der maximalen Netto-SOC-Zunahme bei einem künftigen Fahrzeugbetrieb erfordert die Kenntnis des derzeitigen SOC und die Vorhersage des künftigen SOC-Profils während der nächsten Fahrt mit dem Fahrzeug.
5 zeigt ein beispielhaftes vollständiges SOC-Beitragsprofil 500. Dieses SOC-Profil 500 ist eine Aufzeichnung des SOC-Beitrags 502 in Bezug auf die Fahrstrecke 504, welche der räumliche Standort des Fahrzeugs entlang der Strecke ist. Die Steigungen 506 sind der positive Energiebeitrag aus dem vorhergesagten regenerativen Bremsen und die Neigungen 508 sind der negative Energiebeitrag der Bergauffahrtsabschnitte, in denen das Fahrzeug zum Hochfahren von Bergen Energie verbraucht. Die Steigungen 506 weisen eine entsprechende positive SOC-Veränderungsrate 520 auf und die Neigungen 508 eine entsprechende negative SOC-Veränderungsrate 522. In dem Beispiel startet der Fahrer seine Fahrt mit einem leichten Bergab-Abschnitt 510 gefolgt von einem längeren Bergauf-Abschnitt 512 und einem weiteren Bergab-Abschnitt 514.
Wenn die kommende Strecke bestimmt wurde und die SOC-Beiträge für jedes Segment der Fahrt zusammengefügt wurden, wird der maximale SOC-Pegel 516 identifiziert. Nach Bestimmen dieses maximalen Netto-SOC-Beitrags 516 besteht der nächste Schritt im Ausrichten dieses Höchstbeitragpegels mit dem maximalen SOC, wie in 6 dargestellt.
6 ist eine Darstellung des SOC-Pegels 502 in Bezug auf die Fahrstrecke 504, welche der räumliche Standort des Fahrzeugs entlang der Strecke ist. In dieser beispielhaften Darstellung stellen der maximale SOC-Pegel 604 und der minimale SOC-Pegel 606 einen Batteriebetriebsbereich bereit. Das vollständige SOC-Profil 500 wird eingestellt, sodass der maximale SOC-Beitrag 516 mit dem maximalen SOC-Pegel 604 ausgerichtet wird. Daraus kann der gewünschte SOC-Startwert 608 bestimmt werden. Auch die Überschneidung 610, an der sich das Batterie-SOC-Profil 500 mit dem minimalen SOC-Pegel 606 überschneidet, kann auf diese Weise bestimmt werden. Die Überschneidung 610 ist dort, wo die Fahrzeugsteuerung von Normalbetrieb zu Ladehaltungs-Betriebsmodus übergeht.
Ein Vergleich der SOC-Profile des eingestellten Start-SOC 608 mit der Standardstrategie, bei der die Batterie auf den maximalen Start-SOC oder maximalen SOC-Pegel 604 aufgeladen wird, ist in 7 dargestellt. Wie in 7 dargestellt, führt die Standardstrategie keine Planung für eine künftige Strecke, Fahrverhalten-Analyse und somit Energieanalyse durch. Die Standardstrategie kann die anfängliche Regenerierung aus der anfänglichen kleinen Bergabfahrt nicht verwenden und somit auch nicht die folgenden regenerativen Segmente oder SOC-Zunahmesegmente, wodurch die Ladung auf einem max. SOC-Wert 604 gehalten wird, wie von Segment 702 dargestellt. Sobald das erste Segment mit einer SOC-Abnahme erreicht wird, zieht das Fahrzeug Energie für den Antrieb oder anderes Zubehör und der SOC fällt ab, wie in Segment 704 dargestellt. Wenn andere SOC-Zunahmen auftreten, kann das Fahrzeug erneut Energie 706 zurückgewinnen, bis der SOC den maximalen SOC-Pegel 604 bei Punkt 708 erreicht. Ab dem Ende dieser SOC-Zunahme 710 verhält sich das Fahrzeug exakt wie bei der "optimalen" Lösung.
Wie in 7 dargestellt, verhalten sich die optimale und die Standardstrategie nach Erreichen des maximalen SOC-Beitragspunkts 710 exakt gleich. Die optimale Strategie, die auf dem eingestellten Start-SOC 608 basiert, nahm die Strecke mit einer geringen Lademenge der Batterie auf, wie durch den geringeren SOC angezeigt. Diese geringere anfängliche Ladung benötigt weniger Energie aus dem Ladeanschluss und führt zu geringeren Ladekosten aus dem Netz. Die Energieeinsparungen sind der Unterschied zwischen dem maximalen SOC-Pegel 604 und dem gewünschten Start-SOC 608. Durch das Verwenden einer Optimierungsstrategie zum Bestimmen des gewünschten Start-SOC 608, der ein optimaler SOC-Sollwert basierend auf der künftigen Strecke ist, kann die Batterie auf den gewünschten SOC-Startpunkt 608 aufgeladen werden und Energie sparen, indem keine "Höchstladungs"-Energie 712 angewendet wird, sondern das Fahrzeug vielmehr während des Betriebs die Batterie aufladen kann. Durch Auswählen des Ladesollwerts auf Grundlage einer künftigen Streckenanalyse ist es möglich, mehr regenerative Bremsenergie zurückzugewinnen und die Stromkosten aus dem Stromnetz zu senken. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine höhere regenerative Bremsenergierückgewinnung zu einem vom Generator durchgeführten Abbremsen des Fahrzeugs führt und nicht von den Bremsbelägen, sodass eine längere Reibungsbremsenlebensdauer bereitgestellt wird. Für die gleiche Fahrt ist der SOC- Pegel (RMS) insgesamt niedriger als bei Verwenden eines Standardsollwerts. Der untere RMS-SOC-Wert kann den Batteriealterungsprozess verringern und in einer längeren Batterielebensdauer resultieren.
8 ist ein Flussdiagramm zum Bestimmen des optimalen Ladesollwerts. Dieses Flussdiagramm kann in einem Mikroprozessor, einer Mikrosteuerung, einer programmierbaren logischen Vorrichtung, ASIC oder einem anderen digitalen oder analogen System implementiert werden, wobei dieses Flussdiagramm ferner unter Verwendung eines deterministischen Modells, Wahrscheinlichkeitsmodells, einer Fuzzy-Logik oder anderen Mitteln implementiert werden kann. Bei Block 802 werden die künftige Strecke und Leistungsenergieanalyse unter Verwendung der Fahrereingabe, Streckenvorhersage, Verkehrsdaten, Verlaufsdaten, GPS-Daten oder ähnlichen Informationen berechnet. Bei Block 804 wird der projizierte maximale SOC während der Fahrt oder auf der Strecke basierend auf der Streckenenergieanalyse berechnet. Dies kann eine Projektion des theoretischen SOC sein, der entlang der Strecke basierend auf dem maximalen regenerativen Bremsen ohne Berücksichtigung des oberen SOC-Grenzwerts zurückerhalten wird. Bei Block 806 wird der maximale theoretische SOC mit dem SOC-Sollwert verglichen, wenn der maximale theoretische SOC größer als der derzeitige SOC-Sollwert ist, wird der optimale SOC bei Block 808 bestimmt. Dieser optimale SOC-Sollwert kann rekursiv bestimmt werden. Bei Block 810 wird der Batterie-SOC mit dem optimalen SOC verglichen, wenn der Batterie-SOC größer als der optimale SOC ist, kann die Batterieleistung bei Block 812 zurück in das Netz gesendet werden. Wenn der Batterie-SOC geringer als der optimale SOC ist, kann die Batterie bei Block 814 zu dem optimalen SOC aufgeladen werden.
Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen, die hierin offenbart werden, können an eine Verarbeitungsvorrichtung, Steuerung oder Computer, der jede existierende programmierbare elektronische Steuereinheit oder dedizierte elektronische Steuereinheit einschließen kann, abgegeben bzw. davon implementiert werden. Auf die gleiche Weise können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert werden, die von einer Steuerung oder einem Computer auf viele unterschiedliche Arten ausgeführt werden können, einschließlich Informationen, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien wie ROM-Vorrichtungen gespeichert werden, aber nicht darauf beschränkt, und Informationen, die alternativ auf beschreibbaren Speichermedien wie Disketten, magnetischen Datenbandspeichern, optischen Datenbandspeichern, CD, RAM-Vorrichtungen, FLASH-Vorrichtungen, MRAM-Vorrichtungen und anderen magnetischen und optischen Medien gespeichert werden. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem von einer Software ausführbaren Objekt implementiert sein. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen vollständig oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardware-Komponenten, wie anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbarer Gate Arrays (FPGA), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderer Hardware-Komponenten oder -Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmware-Komponenten ausgeführt werden.
Wenngleich vorstehend Ausführungsformen beschrieben wurden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen, die in den Ansprüchen berücksichtigt sind, beschreiben. Vielmehr sind die Worte, die in der Spezifikation verwendet werden, beschreibende und nicht einschränkende Begrifflichkeiten, wobei es sich versteht, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung, die ggf. nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind, zu bilden.
Obschon verschiedene Ausführungsformen als vorteilhaft oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen aus dem Stand der Technik in Bezug auf eines oder mehrere Eigenschaften beschrieben wurden, wird ein Fachmann erkennen, dass ein oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften zum Erhalten der gewünschten allgemeinen Systemeigenschaften kompromittiert werden können, die jeweils von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängig sind. Diese Eigenschaften können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Wartungsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, einfachen Aufbau, etc. einschließen, sind aber nicht darauf beschränkt. Von daher liegen Ausführungsformen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen hinsichtlich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert beschrieben wurden, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen erwünscht sein.

Claims

Fahrzeug, umfassend: eine Batterie mit einem Ladezustand (SOC) und einem maximalen SOC-Sollwert; und mindestens eine Steuerung, die programmiert ist, um die Batterie zu einem SOC-Sollwert, der von einer Differenz zwischen einem maximalen SOC-Sollwert und einer maximalen Netto-SOC-Zunahme definiert wird, die für eine erwartete Fahrzeugroute vorhergesagt wird, die ein regeneratives Ereignis zum Reduzieren des Ladestroms einschließt, welcher der Batterie zugeführt wird, wenn der SOC geringer als der SOC-Sollwert ist, aufzuladen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Steuerung ferner programmiert ist, um Strom an ein damit elektrisch angeschlossenes Stromnetz zuzuführen, wenn der SOC größer ist als der SOC-Sollwert, um den SOC auf den SOC-Sollwert zu reduzieren.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das regenerative Ereignis Bremsen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das regenerative Ereignis induktives Laden entlang der Strecke ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das regenerative Ereignis die Aufnahme von Solarenergie ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Motor, wobei das regenerative Ereignis Laden aufgrund des Motorbetriebs ist.
Verfahren zum Steuern eines Leistungssystems für ein Fahrzeug, umfassend: Berechnen eines optimalen Ladezustands (SOC) für eine Batterie basierend auf einer erwarteten nächsten Fahrstrecke, sodass eine Differenz zwischen einem maximalen SOC der Batterie und einem optimalen SOC etwa gleich einer vorhergesagten Nettozunahme des SOC für die erwartete nächste Fahrstrecke ist; Messen eines derzeitigen SOC der Batterie; Vergleichen des optimalen und derzeitigen SOC; Laden der Batterie zum optimalen SOC, wenn der optimale SOC größer als der derzeitige SOC ist; und Entladen der Batterie in ein Stromnetz, das elektrisch daran angeschlossen ist, wenn der optimale SOC geringer ist als der derzeitige SOC.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erwartete nächste Strecke ein regeneratives Bremsereignis umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die erwartete nächste Strecke ein induktives Ladeereignis umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die erwartete nächste Strecke ein Solarenergie-Aufnahmeereignis umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die erwartete nächste Strecke ein Ladeereignis aufgrund des Motorbetriebs umfasst.
Hybrid-Elektrofahrzeug, umfassend: einen Generator; eine Batterie mit einem Ladezustand (SOC) und einem maximalen SOC-Sollwert; und mindestens eine Steuerung, die programmiert ist, um die Batterie zu einem SOC-Sollwert, der von einer Differenz zwischen einem maximalen SOC-Sollwert und einer maximalen Netto-SOC-Zunahme definiert wird, die für eine erwartete nächste Fahrstrecke vorhergesagt wird, die ein regeneratives Ereignis beinhaltet, das mindestens teilweise von der Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie über einen Generator zum Speichern in der Batterie zum Reduzieren des Ladestroms, welcher der Batterie zugeführt wird, wenn der SOC geringer als ein SOC-Sollwert ist, definiert wird, aufzuladen.
Fahrzeug nach Anspruch 12, wobei das regenerative Ereignis ferner durch induktives Laden definiert wird.
Fahrzeug nach Anspruch 12, wobei das regenerative Ereignis ferner durch die Aufnahme von Solarenergie definiert wird.
Fahrzeug nach Anspruch 12, ferner umfassend einen Motor, wobei das regenerative Ereignis ferner durch das Laden aufgrund des Motorbetriebs definiert wird.