DE102014222073A1

DE102014222073A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher

Info

Publication number: DE102014222073A1
Application number: DE102014222073.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Andreas Kniep; Christian STAENGLE; Jochen PFLUEGER; Udo Schulz; Juergen Biester; Folko Flehmig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2016-05-04
Also published as: CN105564257A; CN105564257B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektroantriebs (2) in einem Kraftfahrzeug (1), wobei der Elektroantrieb (2) von einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher (4) versorgt wird und in einem Rekuperationsbetrieb elektrische Energie zum Laden des elektrischen Energiespeichers (4) bereitstellt, mit folgenden Schritten: – Basierend auf einem Verlauf einer oder mehrerer wahrscheinlicher Fahrstrecken, Ermitteln (S1) eines elektronischen Horizonts, der eine oder mehrere Streckenabschnitte mit den jeweiligen Streckenparametern angibt; – Bestimmen (S4) eines zeitlichen Verlaufs einer benötigten elektrischen Leistung basierend auf den Streckenparametern des elektronischen Horizonts; – Bestimmen (S5–S8) eines optimierten Ladestroms abhängig von dem Verlauf der benötigten elektrischen Leistung und abhängig von einem vorgegebenen maximal zulässigen Ladestrom des elektrischen Energiespeichers (4).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieben, die über einen elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt werden. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zur Rekuperation von während eines Bremsvorgangs generatorisch erzeugter elektrischer Energie.
Stand der Technik
Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb oder mit rein elektromotorischem Antrieb weisen einen Elektroantrieb auf, der elektrische Energie über einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie oder dergleichen aufweist. Häufig ist vorgesehen, dass die Elektroantriebe in gewissen Betriebsarten auch generatorisch betrieben werden. So kann bei einem Bremsvorgang der Elektroantrieb beispielsweise so geregelt bzw. angesteuert werden, dass elektrische Energie generiert wird.
Um die während des Bremsvorgangs erzeugte elektrische Energie zu nutzen, kann der elektrische Energiespeicher durch den generatorisch erzeugten Strom geladen werden. Durch das Erzeugen des elektrischen Stroms durch den generatorischen Betrieb des Elektroantriebs wird das Kraftfahrzeug aufgrund der mechanischen Kopplung des Elektroantriebs mit den Antriebsrädern abgebremst.
Die Aufteilung der Bremsleistung auf den Elektroantrieb und das Bremssystem erfolgt in der Regel durch ein Steuergerät.
Die Druckschrift DE 10 2007 047 821 A1 offenbart ein Verfahren zur Optimierung der Energierückgewinnung bei einem Hybridfahrzeug, umfassend zumindest eine Elektromaschine und einen an die Elektromaschine angeschlossenen Energiespeicher, wobei während des Betriebs des Fahrzeugs für die kinetische Energie im an die Elektromaschine angeschlossenen Energiespeicher des Fahrzeugs Speicherplatz freigehalten wird, um eine Rückgewinnung der kinetischen Energie zu ermöglichen. Weiterhin kann der Ladevorgang des Energiespeichers des Fahrzeugs derart gesteuert werden, dass der Energiespeicher zu keiner Zeit während des Fahrbetriebs an seine obere Ladegrenze gelangt. Die Grenzen für die zur Verfügung stehenden Lade- und Entladeenergien bzw. die Belastungsgrenzen des an die Elektromaschine des Fahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers können derart dynamisch verändert werden, dass während des Fahrbetriebs ein Speicherplatz für die im Fahrzeug vorhandene kinetische Energie reserviert wird. Dadurch kann die Lebensdauer des Energiespeichers erhöht werden, da die Grenzen für die normale Funktionalität enger gemacht werden können und es seltener notwendig wird, Belastungen in kritischen Bereichen durchzuführen.
Die Druckschrift DE 10 2009 040 586 A1 betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Ladekapazität eines elektrischen Energiespeichers eines Hybridfahrzeugs, dessen Ladungsgrad rechnergesteuert durch Zuführung elektrisch speicherbarer Bremsenergie erhöht wird und der durch Entnahme elektrischer Energie für den Betrieb eines von mehreren fahrzeugeigenen Verbrauchern abgesenkt wird. Vom Fahrzeugrechner wird eine entlang der Fahrtroute elektrisch genutzte und elektrisch nicht genutzte Bremsenergie ermittelt und diesen Daten Streckenabschnitten zugeordnet, an denen das Hybridfahrzeug bei vollem Energiespeicher ohne Speicherung weiter gebremst wird. Der Ladungsgrad des Energiespeichers wird vor Erreichen eines Streckenabschnitts, in dem eine hohe Bremsleistung anfällt, bei jeder Abfahrung der Fahrtroute durch Entnahme elektrischer Energie weiter abgesenkt, so dass der Energiespeicher zur Aufnahme von elektrisch speicherbarer Bremsenergie adaptiv vorbereitet wird. Die Entnahme elektrischer Energie aus dem Energiespeicher wird vor einem Streckenabschnitt, an dem die elektrisch speicherbare Energie nicht ausreicht, um den Energiespeicher in einem erforderlichen Maß aufzuladen, adaptiv reduziert. Bei der adaptiven Erhöhung bzw. Absenkung des Ladungsgrads wird die Alterung des Energiespeichers durch hohe Lade- bzw. Entladezyklen berücksichtigt wird.
Die Druckschrift DE 10 2011 085 454 A1 betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs mit einer Brennkraftmaschine, einem Elektromotor und einem elektrischen Energiespeicher, wobei ein elektronischer Streckenfahrplan streckenabschnittsbezogen über ein Zugsteuergerät vorgegeben wird. Dabei wird eine streckenabschnittsbezogene Antriebsart des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans prädiktiv bestimmt und die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers unter Nutzung eines Energiespeichermodells prädiktiv bestimmt. Es können auch Alterungseffekte der Batterie im Energiespeichermodell hinterlegt werden, so dass die gesamte prädiktive Betriebsführung Alterungseffekte mit berücksichtigen kann. Dadurch kann einem Batterie-Management-Steuergerät ein Referenzpunkt zur Verfügung gestellt werden, auf den hin der Batteriespeicher zielführend aufgeladen, entladen oder betrieben werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems mit einem Elektroantrieb gemäß Anspruch 1 sowie die Vorrichtung, das Antriebssystem und das Kraftfahrzeug gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Elektroantriebs in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Der Elektroantrieb wird von einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher versorgt. In einem Rekuperationsbetrieb wird elektrische Energie zum Laden des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt, mit folgenden Schritten:

– Basierend auf einem Verlauf einer oder mehrerer wahrscheinlicher Fahrstrecken, Ermitteln eines elektronischen Horizonts, der eine oder mehrere Streckenabschnitte mit jeweiligen Streckenparametern angibt;
– Bestimmen eines zeitlichen Verlaufs einer benötigten elektrischen Leistung basierend auf den Streckenparametern des elektronischen Horizonts;
– Bestimmen eines optimierten Ladestroms abhängig von dem Verlauf der benötigten elektrischen Leistung und abhängig von einem vorgegebenen maximal zulässigen Ladestrom des elektrischen Energiespeichers.

Bei der Rekuperation von elektrischer Energie während Bremsvorgängen wird die Menge an rekuperierter elektrischer Energie durch die Dimensionierung des Elektroantriebs und des elektrischen Energiespeichers begrenzt. Eine solche Limitierung erfolgt häufig aus Gründen des Bauteilschutzes und dient dazu, Beschädigungen des elektrischen Systems bei einem starken Bremsvorgang mit einem zu hohen generatorisch erzeugten Strom zu verhindern. Begrenzungen bei elektrischen Energiespeichern sind meistens fest vorgegeben und als maximal zulässiger Ladestrom als Parameter berücksichtigt. Weiterhin existieren dynamische Begrenzungen, die im Betrieb des Kraftfahrzeugs berechnet werden und die sich maßgeblich aus dem aktuellen Zustand des elektrischen Energiespeichers bestimmen.
Jedoch werden die dynamischen Begrenzungen in der Regel nur basierend auf dem aktuellen Batterieladezustand ermittelt. In der Regel erfolgt das Laden des elektrischen Energiespeichers bis zum maximal zulässigen Ladestrom, soweit dieser durch den Bremsvorgang zur Verfügung gestellt wird. Jedoch ist die Alterung des elektrischen Energiespeichers erheblich von der Höhe des Ladestroms abhängig. Ein hoher Ladestrom bewirkt im Allgemeinen eine stärkere Alterung als ein niedriger Ladestrom.
Daher wird aufgrund der Ermittlung der dynamischen Begrenzungen nur basierend auf dem aktuellen Batterieladezustand der elektrische Energiespeicher nicht optimal geladen. Es kann nämlich bei bisheriger Betriebsweise vorkommen, dass der elektrische Energiespeicher vor Beendigung der Bremsphase bereits vollständig aufgeladen ist. Dauert eine Bremsphase mit starker Bremsung nun länger als die zugehörige Rekuperationsphase, führt dies dazu, dass der elektrische Energiespeicher mit einem hohen bzw. dem maximal zulässigen Ladestrom aufgeladen wird und das Aufladen aufgrund der vollständigen Aufladung der Batterie beendet wird, obwohl der Bremsvorgang noch nicht abgeschlossen ist. Dies führt aufgrund des höheren Ladestroms zu einer schnelleren Alterung des elektrischen Energiespeichers, als dies beim Aufladen des elektrischen Energiespeichers über den gesamten Bremsvorgang hinweg mit einem niedrigeren Ladestrom der Fall wäre.
Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, durch eine Betrachtung der vorausliegenden Fahrstrecke in Form eines elektronischen Horizonts Bremsphasen, d.h. Phasen negativer Leistungsaufnahme durch den Elektroantrieb, zu erkennen und die rekuperierbare Energie abzuschätzen und bei der Berechnung des Ladestroms für den elektrischen Energiespeicher zu berücksichtigen. Dadurch kann die Zeitdauer des Aufladens des elektrischen Energiespeichers über die Gesamtdauer der als wahrscheinlich erkannten Bremsphasen erstreckt werden, so dass der Ladestrom entsprechend reduziert ist.
Insbesondere wird durch die Berücksichtigung des zeitlichen Verlaufs der benötigten Leistung vorgesehen, auch den Verbrauch an elektrischer Energie aus dem elektrischen Energiespeicher, während den Phasen positiver Leistungsaufnahme durch den Elektroantrieb und den sonstigen Bedarf an elektrischer Energie zwischen und während der Bremsphasen zu berücksichtigen. Insgesamt kann dadurch erreicht werden, dass die Rekuperation von elektrischer Energie in dem elektrischen Energiespeicher alterungsoptimal vorgenommen wird.
Weiterhin kann der zeitliche Verlauf der benötigten elektrischen Leistung basierend auf einem, insbesondere durch ein Optimierungsverfahren bereitgestellten Geschwindigkeitsverlauf über die Streckenabschnitte des elektronischen Horizonts bestimmt werden.
Insbesondere kann der optimierte Ladestrom als mindestens ein Ladestrom bestimmt werden, der zu einem Zeitpunkt am Ende des elektronischen Horizonts den gleichen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers bewirkt, wie ein Aufladen des elektrischen Energiespeichers mit dem maximal zulässigen Ladestrom.
Weiterhin kann der optimierte Ladestrom mindestens einem Ladestrom entsprechen, bei dem die akkumulierte Zeitdauer innerhalb des elektronischen Horizonts, während der der Ladezustand geringer ist als ein vorgegebener unterer Schwellenwert des Ladezustands, nicht größer ist als die akkumulierte Zeitdauer innerhalb des elektronischen Horizonts, während der bei einem Laden mit dem maximal zulässigen Ladestrom der Ladezustand geringer ist als der vorgegebene untere Schwellenwert des Ladezustands.
Weiterhin können die Streckenparameter für jeden des einen oder der mehreren Streckenabschnitte eine Länge und insbesondere mindestens einen der folgenden weiteren Streckenparameter angeben:

– eine Steigung bzw. ein Gefälle,
– eine Krümmung,
– eine Fahrbahnbeschaffenheit,
– Wetter bzw. Windbedingungen

Es kann vorgesehen sein, dass die Streckenabschnitte des elektronischen Horizonts den Streckenabschnitten der wahrscheinlichsten Fahrstrecke entsprechen.
Gemäß einer Ausführungsform können die Streckenabschnitte des elektronischen Horizonts Streckenabschnitten entsprechen, die für mehrere mögliche wahrscheinliche Fahrstrecken jeweils mit einer Wahrscheinlichkeit des Befahrens ermittelt werden, wobei der elektronische Horizont nur die Streckenabschnitte berücksichtigt, die eine Wahrscheinlichkeit des Befahrens von über einer vorgegebenen Mindestwahrscheinlichkeit haben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann für mehrere mögliche Fahrstrecken, insbesondere Fahrstrecken, die mit einer Wahrscheinlichkeit befahren werden, die größer als eine vorgegebene Befahrwahrscheinlichkeit ist, jeweils der optimierte Ladestrom ermittelt und der größte der so ermittelten optimierten Ladeströme als der optimierte Ladestrom verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere Steuergerät, zum Betreiben eines Elektroantriebs in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um das obige Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb und der obigen Vorrichtung vorgesehen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem System zur Rekuperation von elektrischer Energie;
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Rekuperation elektrischer Energie durch Betrachtung der vorausliegenden Fahrstrecke; und
3 eine Darstellung möglicher Verläufe von Ladezuständen des elektrischen Energiespeichers.
Beschreibung von Ausführungsformen
In 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 1 gezeigt, das einen Elektroantrieb 2 aufweist. Der Elektroantrieb 2 kann als alleinige Antriebseinheit oder als Teil eines hybriden Antriebssystems vorgesehen sein. Der Elektroantrieb 2 kann einen oder mehrere mit den Antriebsrädern gekoppelte Elektromotoren, insbesondere elektronisch kommutierte Motoren, umfassen.
Der Elektroantrieb 2 wird üblicherweise mit Hilfe eines Steuergerätes 3 angesteuert und mit elektrischer Energie aus einem elektrischen Energiespeicher 4 versorgt. Das Steuergerät 3 erhält dazu einen Vorgabewert FV in Form einer Angabe eines Sollmoments oder einer Drehzahl und setzt diese in eine entsprechende elektronische Ansteuerung der Antriebseinheit 2 um.
In einem hybriden Antriebssystem kann das Steuergerät 3 oder ein zusätzliches Hybridsteuergerät (nicht gezeigt) eine Lastverteilung zwischen den von dem Elektroantrieb 2 und einem zusätzlichen Antriebsmotor, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, bereitzustellendes Drehmoment ermitteln und die Ansteuerung des Elektroantriebs 2 entsprechend vorsehen.
Weiterhin kann das Steuergerät 3 in einer Rekuperationsbetriebsart vorsehen, während eines Bremsvorgangs, der zum Beispiel durch das Betätigen eines (nicht gezeigten) Bremspedals als Bremsanforderung BA vorgegeben wird, den Elektroantrieb 2 so anzusteuern, dass generatorisch elektrische Energie bzw. ein elektrischer Strom erzeugt wird. Diese elektrische Energie kann dem elektrischen Energiespeicher 4 zugeführt werden.
Der elektrische Energiespeicher 4 ist so ausgebildet, dass dieser mit Hilfe von so bereitgestellter elektrischer Energie aufladbar ist. Das Steuergerät 3 erhält von dem elektrischen Energiespeicher 4 Zustandsangaben, wie beispielsweise den Ladezustand, dessen Temperatur und dergleichen, und ist ausgebildet, in an sich bekannter Weise, abhängig von den Zustandsangaben, einen maximalen zulässigen Ladestrom zu ermitteln. Bei der Rekuperation während eines Bremsvorgangs wird nun der Elektroantrieb 2 durch das Steuergerät 3 so angesteuert, dass der maximal zulässige Ladestrom nicht überschritten wird. Auch wird der Rekuperationsbetrieb durch das Steuergerät 3 gestoppt, wenn ein vollständiges Aufladen des elektrischen Energiespeichers 4 festgestellt worden ist.
Übliche elektrische Energiespeicher, die Energie als elektrochemische Energie speichern, können altern. Die Alterung ist abhängig von dem für das Aufladen des elektrischen Energiespeichers erforderlichen Ladestrom. Je niedriger der Ladestrom ist, desto schonender wird der elektrische Energiespeicher betrieben, und dessen Lebensdauer verlängert sich.
Um den elektrischen Energiespeicher 4 möglichst schonend zu betreiben, ist nun vorgesehen, dass das Steuergerät 3 Informationen über eine vorausliegende Fahrstrecke analysiert. Dabei kann durch Bestimmen von voraussichtlich durchzuführenden Bremsvorgängen die über Rekuperation bereitgestellte bzw. bereitstellbare elektrische Energie ermittelt werden und möglichst so dem elektrischen Energiespeicher 4 zugeführt werden, dass dieser schonend mit möglichst geringen Ladeströmen geladen wird.
Um die vorausliegende Fahrstrecke zu analysieren, werden Kartendaten von einer Karteneinheit 5 in dem Steuergerät 3 empfangen. Die Karteneinheit 5 kann Teil eines Navigationssystems oder Fahrerassistenzsystems sein. Die Karteneinheit 5 kann mit dem Steuergerät 3 direkt oder über einen Fahrzeugbus, zum Beispiel CAN, in Verbindung stehen.
Die Karteneinheit 5 kann Kartendaten bereitstellen, die neben den Angaben über Streckenverläufe auch Streckenparameter, insbesondere topologische und geographische Informationen über Streckenabschnitte und dergleichen bereitstellen. Die Streckenparameter können weiterhin Angaben über eine typische Geschwindigkeit, obere und untere Geschwindigkeitsbegrenzungen, Steigungs- und Gefälleinformationen und Krümmungsinformationen umfassen.
In dem Steuergerät 3 oder in einer separaten mit dem Steuergerät 3 verbundenen Horizonteinheit 7 wird ein elektronischer Horizont gebildet, der einer Zusammenstellung von Daten entspricht, die basierend auf mindestens einer am wahrscheinlichsten befahrenen vorausliegenden Fahrstrecke Informationen über die die Fahrstrecke enthaltenden Streckenabschnitte mit deren topologischen und geographischen Gegebenheiten umfasst. Dieser elektronische Horizont wird basierend auf den Kartendaten generiert.
Die wahrscheinlichste Fahrstrecke kann zum Beispiel anhand einer Zieleingabe eines Fahrers des Kraftfahrzeugs 1 in ein Navigationssystem ermittelt werden. Alternativ kann; anhand von Heuristiken oder anhand einer Statistik über das Befahren von Fahrstrecken in der Vergangenheit; eine Wahrscheinlichkeit über eine vorausliegende Fahrstrecke ermittelt werden. Weiterhin kann das Steuergerät 3 auch eine Wahrscheinlichkeit, mit der die wahrscheinlichste Fahrstrecke befahren wird, erhalten.
In dem Flussdiagramm der 2 wird ein Verfahren beschrieben, womit für eine vorausliegende Fahrstrecke eine möglichst schonende Aufladung des elektrischen Energiespeichers erreicht wird.
In Schritt S1 wird basierend auf dem elektronischen Horizont, der in der Horizonteinheit für die wahrscheinlichste Fahrstrecke ermittelt wird, eine Betriebsstrategie des Kraftfahrzeugs und der angenommenen Fahrzeug- und Umweltparameter auf dem vorausliegenden Streckenabschnitt, rekuperierbare Energiemenge sowie die voraussichtlich benötigte Energiemenge an elektrischer Energie geschätzt. Ergebnis der Schätzung ist ein Verlauf der elektrischen Leistung über die Zeit, die zum Befahren der vorausliegenden Fahrstrecke, die durch den elektronischen Horizont vorgegeben ist, bestimmt ist. Üblicherweise entsprechen positive Leistungen einem motorischen Betrieb des Elektroantriebs 2 und negative Leistungen einem generatorischen Betrieb des Elektroantriebs, so dass basierend auf den vorgegebenen Streckenparametern der elektronische Horizont in einen Verlauf der elektrischen Leistung umgesetzt wird.
Der elektronische Horizont liefert Informationen über Geschwindigkeitsbegrenzungen, typische Geschwindigkeiten auf den Streckenabschnitten, Steigung und Gefälle sowie Kurvenkrümmungen entlang der wahrscheinlichsten Fahrstrecke. Anhand dieser Informationen kann ein Geschwindigkeitsprofil erstellt werden. Das Geschwindigkeitsprofil kann das Ergebnis einer Optimierung hinsichtlich der Minimierung eines Energiebzw. Kraftstoffverbrauchs sein.
Weiterhin sind in der Horizonteinheit 7 Informationen über Kreuzungen von Streckenabschnitten und dergleichen enthalten, anhand derer Bremsvorgänge entlang der wahrscheinlichsten Fahrstrecke prädiziert werden können. Ungefähre Fahrzeugparameter, wie die Fahrzeugmasse, Rollwiderstandskoeffizient, Strömungswiderstandskoeffizient und projizierte Stirnfläche sind ebenfalls im Steuergerät 3 hinterlegt und können für die Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der benötigten elektrischen Leistung berücksichtigt werden. Ungefähre Umweltparameter, wie Luftdichte, können ebenfalls berücksichtigt werden. Abhängig von dem Geschwindigkeitsprofil und den Längen der Streckenabschnitte kann ein zeitbasierter Verlauf der elektrischen Leistung entlang der wahrscheinlichsten Fahrstrecke ermittelt werden.
Die Horizonteinheit 7 kann zur Verbesserung der Leistungsprädiktion, d.h. zur Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Leistung, aufgezeichnete zeitliche Verläufe der elektrischen Leistung aus vergangenen Fahrten der wahrscheinlichsten Fahrstrecke erstellen. Hierfür wird der Verlauf der elektrischen Leistung während jeder Fahrt auf Streckenabschnitten ortsbezogen abgespeichert. In Rekuperationsphasen, wenn ein Streckenabschnitt mehrfach gefahren wurde, kann die elektrische Leistung anhand der gespeicherten Leistungsbedarfe beim vergangenen Befahren des entsprechenden Streckenabschnitts z.B. als der Mittelwert oder als der Maximalwert der gespeicherten Leistungsbedarfe bereitgestellt werden. Es kann zusätzlich vorgesehen sein, dass bei einem häufigen Befahren von Streckenabschnitten nur eine Anzahl von Befahrungen des betreffenden Streckenabschnitts berücksichtigt wird, die zuletzt erfasst worden sind. Auf diese Weise kann ein Leistungsprofil fahrer- und fahrzeugspezifisch erstellt werden.
Liegt der zeitliche Verlauf der benötigten elektrischen Leistung über die vorausliegende wahrscheinlichste Fahrstrecke vor, kann basierend auf dem aktuellen Ladezustand ein optimaler Ladestrom I_opt berechnet werden.
In Schritt S2 wird dazu ein anfänglicher Wert für einen Ladestrom I_{lade_set} festgelegt. Dies kann anfänglich, d.h. bei einem ersten Ausführen des Verfahrens, als ein niedriger definierbarer anfänglicher Ladestrom I_{lade_init} vorgegeben sein, der 0A oder in einem Bereich von zwischen 10 % und 30 % des maximal zulässigen Ladestroms I_max, der von einem Batteriemanagementsystem vorgegeben wird, liegen kann. Der anhand des obigen Verfahrens ermittelte optimale Ladestrom I_{lade_opt} wird daher größer oder gleich dem anfänglichen Ladestrom I_{lade_init} sein.
In Schritt S3 wird ein momentaner Ladezustand SOC des elektrischen Energiespeichers 4 ermittelt.
In Schritt S4 wird ein Verlauf des Ladezustands SOC(t) ermittelt, der sich bei einem vorgegebenen Ladestrom I_{lade_set} ergibt. Mit anderen Worten wird basierend auf dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Leistung nun ausgehend von dem momentanen Ladezustand SOC ein zeitlicher Verlauf des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers 4 für den durch den elektronischen Horizont bestimmten Zeitraum ermittelt., Dieser entspricht dem Zeitraum, für den der zeitliche Verlauf der benötigten elektrischen Leistung bestimmt worden ist.
In Schritt S5 wird geprüft, ob für einen Endzeitpunkt des durch den elektronischen Horizont bestimmten Zeitraums, der dem Zeitraum entspricht, für den der zeitliche Verlauf der benötigten elektrischen Leistung bestimmt worden ist, der Endladezustand SOC(t_end) einem Ladezustand SOC entspricht, wie er bei dem Laden mit dem von dem Batteriemanangementsystem vorgegebenen maximal zulässigen Ladestrom I_{lade_max} erreicht werden würde.
Ist dies nicht der Fall (Alternative: Nein), so wird in Schritt S6 der vorgegebene Ladestrom I_{lade_set} um einen definierten Wert inkrementell z.B. um einen Schritt von 1% des maximal zulässigen Ladestroms I_{lade_max}, erhöht und zu Schritt S4 zurückgesprungen. Entspricht der Endladezustand SOC(t_end) dem Ladezustand, wie er beim Laden mit dem von dem Batteriemanagementsystem vorgegebenen maximal zulässigen Ladestrom I_{lade_max} erreicht werden würde (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S7 fortgesetzt.
In Schritt S7 wird zunächst die summierte Dauer der Zeitbereiche als erste Unterschreitungsdauer ermittelt, während denen der Ladezustand bei dem vorgegebenen Ladestrom I_{lade_set} einen definierten vorgegebenen unteren Schwellenwert SOC_min erreicht bzw. unterschreitet. Weiterhin wird die summierte Dauer der Zeitbereiche als zweite Unterschreitungsdauer ermittelt, während denen der Ladezustand bei dem maximal zulässigen Ladestrom I_max einen definierten vorgegebenen unteren Schwellenwert SOC_min erreicht bzw. unterschreitet. Anschließend wird geprüft, ob die erste Unterschreitungsdauer größer ist als die zweite Unterschreitungsdauer. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S6 fortgesetzt und der Ladestrom um den definierten Wert inkrementell erhöht. Andernfalls (Alternative: nein) wird der momentan vorgegebene Ladestrom I_{lade_set} als der optimale Ladestrom I_{lade_opt} für den betrachteten elektronischen Horizont ermittelt.
Das beschriebene Verfahren mit den Schritten wird zyklisch ausgeführt. Bei jeder Änderung der im elektronischen Horizont betrachteten Fahrstrecke, wodurch sich der Zeitbereich des Verlaufs der elektrischen Leistung ändert, ergibt sich ein neuer optimierter Ladestrom I_{lade_opt}.
Durch die Prüfungen der Schritte S5 und S8 ist sichergestellt, dass bei Verwendung des optimalen Ladestroms I_{lade_opt} dieselbe Energiemenge rekuperiert wird, wie bei Verwendung des maximal zulässigen Ladestroms I_max, sofern die Vorhersage des Verlaufs der benötigten elektrischen Leistung zutrifft.
In 3 sind mögliche Verläufe des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers dargestellt. Die Kurve K1 zeigt den Verlauf des Ladezustands SOC(t) bei maximal zulässigem Ladestrom I_max und die Kurve K2 den Verlauf des Ladezustands SOC(t) des elektrischen Energiespeichers bei einem optimalen Ladestrom I_{lade_opt}. Die Kurve K3 zeigt beispielhaft den Verlauf bei einem zu dem optimalen Ladestrom I_{lade_opt} niedrigeren Ladestrom, bei dem zum Endzeitpunkt t_end, d.h. nach Durchfahren des elektronischen Horizonts, entsprechend des prädizierten Leistungsprofils, ein geringerer Ladezustand als der vorgegebene Endladezustand erreicht wird.
Um mögliche Fehler bei der Vorhersage des Leistungsprofils auszugleichen, die aufgrund ungenauer Kartendaten in der Karteneinheit oder einer fehlerhaften Schätzung der wahrscheinlichsten Fahrstrecke auftreten können, wird der anhand des Verfahrens ermittelte optimale Ladestrom I_{lade_opt} optional um einen definierbaren Wert erhöht. so dass in gewissen Grenzen auch dann noch die maximale Energiemenge rekuperiert werden kann, wenn die Vorhersage der Horizonteinheit ungenau ist.
Um die Zuverlässigkeit des Verfahrens zu verbessern, kann die auf die Streckenabschnitte der Fahrstrecke des elektronischen Horizonts bezogene Wahrscheinlichkeitsangabe verwendet werden. Es werden dann nur Streckenabschnitte des elektronischen Horizonts verwendet, die eine vorgegebene Mindestwahrscheinlichkeit von zum Beispiel 75% aufweisen. Dies führt einerseits zu einer höheren Verlässlichkeit des prädizierten Verlaufs der elektrischen Leistung, andererseits wird die Länge der Vorausschau reduziert, wodurch wiederum das Optimierungspotenzial des Verfahrens verringert wird, weil bei einer geringeren Vorausschaulänge weniger günstige Bremsvorgänge berücksichtigt werden können.
Damit das Verfahren auch angewendet werden kann, wenn das Leistungsprofil aufgrund einer geringen Wahrscheinlichkeit des Befahrens der wahrscheinlichsten Fahrstrecke nur einen kurzen zeitlichen Bereich abdeckt, können die von der Horizonteinheit übertragenen Alternativstrecken in die Berechnung einbezogen werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn es mehrere mögliche Fahrstrecken mit ähnlich großen Wahrscheinlichkeiten gibt. In solchen Fällen wird anhand jeder möglichen Fahrstrecke mit einer definierbaren Mindestwahrscheinlichkeit von zum Beispiel 10% ein mögliches Leistungsprofil berechnet.
Das obige Verfahren zum Ermitteln des optimalen Ladestroms I_{lade_opt} wird dann auf jedes der Leistungsprofile angewendet. Anschließend wird der größte auf diese Weise berechnete Ladestrom verwendet. Dadurch wird erreicht, dass auch dann die maximale Energiemenge rekuperiert wird, wenn der Fahrer die Fahrstrecke mit dem geringsten Rekuperationspotenzial wählt, selbst wenn die Alternativstrecken unterschiedlich lang sind.
Sofern die Vorausschau der Leistungsprofile auf den möglichen Fahrstrecken zutrifft, entspricht die Wahrscheinlichkeit, dass mit dem auf diese Weise berechneten optimalen Ladestrom I_{lade_opt} tatsächlich die maximal mögliche Energiemenge rekuperiert werden kann, mindestens der Summe der Wahrscheinlichkeiten der berücksichtigen möglichen Fahrstrecken. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann also die Zuverlässigkeit des Verfahrens verbessert werden, wenn nur diejenigen Streckenabschnitte des elektronischen Horizonts verwendet werden, deren Wahrscheinlichkeitssumme einer vorgegebenen Mindestwahrscheinlichkeit, wie beispielsweise 75%, entspricht. Da die Alternativstrecken unterschiedlich lang sein können und dementsprechend eine unterschiedlich lange zeitliche Vorausschau liefern, ist die zeitliche Vorausschaulänge bei Vorgabe einer bestimmten Wahrscheinlichkeitssumme durch die Fahrstrecke mit der geringsten zeitlichen Vorausschau limitiert.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Verfahren auch über einen längeren Motorstopp hinaus angewendet werden. In diesem Fall wird der zeitliche Verlauf der benötigten elektrischen Leistung unterbrochen und kann dazu führen, dass der elektrische Energiespeicher vor einem Motorstopp mit einem geringen Ladestrom nur teilweise aufgeladen wird, wenn dieser entsprechend dem elektronischen Horizont der wahrscheinlichsten Fahrstrecke nach erneutem Fahrtbeginn wieder aufgeladen werden kann, zum Beispiel bei einer Unterbrechung der Fahrt auf einem Berg oder dergleichen. Dies erfordert, dass die Horizonteinheit 7 auch eine Vorausschau über die vorausliegende Fahrstrecke über den Motorstopp hinaus liefern kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007047821 A1 [0005]
DE 102009040586 A1 [0006]
DE 102011085454 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Elektroantriebs (2) in einem Kraftfahrzeug (1), wobei der Elektroantrieb (2) von einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher (4) versorgt wird und in einem Rekuperationsbetrieb elektrische Energie zum Laden des elektrischen Energiespeichers (4) bereitstellt, mit folgenden Schritten: – Basierend auf einem Verlauf einer oder mehrerer wahrscheinlicher Fahrstrecken, Ermitteln (S1) eines elektronischen Horizonts, der eine oder mehrere Streckenabschnitte mit den jeweiligen Streckenparametern angibt; – Bestimmen (S4) eines zeitlichen Verlaufs einer benötigten elektrischen Leistung basierend auf den Streckenparametern des elektronischen Horizonts; – Bestimmen (S5–S8) eines optimierten Ladestroms abhängig von dem Verlauf der benötigten elektrischen Leistung und abhängig von einem vorgegebenen maximal zulässigen Ladestrom des elektrischen Energiespeichers (4).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zeitliche Verlauf der benötigten elektrischen Leistung basierend auf einem insbesondere durch ein Optimierungsverfahren bereitgestellten Geschwindigkeitsverlauf über die Streckenabschnitte des elektronischen Horizonts bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der optimierte Ladestrom als mindestens ein Ladestrom bestimmt wird, der zu einem Zeitpunkt am Ende des elektronischen Horizonts den gleichen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers (4) bewirkt, wie ein Aufladen des elektrischen Energiespeichers mit dem maximal zulässigen Ladestrom.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der optimierte Ladestrom mindestens einem Ladestrom entspricht, bei dem die akkumulierte Zeitdauer innerhalb des elektrischen Horizonts, während der der Ladezustand geringer ist als ein vorgegebener unterer Schwellenwert des Ladezustands, nicht größer ist als die akkumulierte Zeitdauer innerhalb des elektronischen Horizonts, während der bei einem Laden mit dem maximal zulässigen Ladestrom (I_max) der Ladezustand geringer ist als der vorgegebene untere Schwellenwert des Ladezustands.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Streckenparameter für jeden des einen oder der mehreren Streckenabschnitte eine Länge und insbesondere mindestens einen der folgenden weiteren Streckenparameter angeben: – eine Steigung bzw. ein Gefälle, – eine Krümmung, – eine Fahrbahnbeschaffenheit, – Wetter bzw. Windbedingungen
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Streckenabschnitte des elektronischen Horizonts den Streckenabschnitten der wahrscheinlichsten Fahrstrecke entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Streckenabschnitte des elektronischen Horizonts Streckenabschnitten entsprechen, die für mehrere mögliche wahrscheinliche Fahrstrecken jeweils mit einer Wahrscheinlichkeit des Befahrens ermittelt werden, wobei der elektronische Horizont nur die Streckenabschnitte berücksichtigt, die eine Wahrscheinlichkeit des Befahrens über einer vorgegebenen Mindestwahrscheinlichkeit haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei für mehrere mögliche Fahrstrecken, insbesondere Fahrstrecken, die mit einer Wahrscheinlichkeit befahren werden, die größer als eine vorgegebene Befahrwahrscheinlichkeit ist, jeweils der optimierte Ladestrom (I_{lade_opt}) ermittelt wird und der größte der so ermittelten optimierte Ladeströme als der optimierte Ladestrom verwendet wird.
Vorrichtung (3), insbesondere Steuergerät, zum Betreiben eines Elektroantriebs (2) in einem Kraftfahrzeug (1), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Kraftfahrzeug (1) mit einem Elektroantrieb (2) und einer Vorrichtung (3) nach Anspruch 9.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.