DE102015209227A1

DE102015209227A1 - Verfahren zum generatorischen und motorischen Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015209227A1
Application number: DE102015209227.5A
Authority: DE
Inventors: Ralf Hofmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2016-11-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum generatorischen und ein Verfahren zum motorischen Betreiben einer elektrischen Maschine (11) in einem Kraftfahrzeug, die in einem Bordnetz (10, 20) des Kraftfahrzeugs elektrisch mit einem Energiespeicher (13) verbunden ist. Die elektrische Maschine (11) wird generatorisch mit wenigstens einem eine Generatorleistung bestimmenden Leistungsparameter betrieben, der in Abhängigkeit von wenigstens einem entsprechenden momentan maximalen Ladeparameter des Energiespeichers (13) und in Abhängigkeit von einer Bordnetzlast bestimmt wird. Die elektrische Maschine (11) wird motorisch mit wenigstens einem eine Motorleistung bestimmenden Leistungsparameter betrieben, der in Abhängigkeit von wenigstens einem entsprechenden momentan maximalen Entladeparameter des Energiespeichers (13) und in Abhängigkeit von einer Bordnetzlast bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum generatorischen und ein Verfahren zum motorischen Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug sowie ein Computerprogramm und eine Recheneinheit zu deren Durchführung.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen werden in Kraftfahrzeugen sowohl generatorisch zum Speisen des Bordnetzes als auch motorisch zum Starten bzw. Unterstützen einer Brennkraftmaschine verwendet. Gleichzeitig werden Energiespeicher, wie z.B. Fahrzeugbatterien verwendet, um die Energieversorgung des Bordnetzes zu ermöglichen, wenn die elektrische Maschine gerade nicht generatorisch betrieben wird.
Werden Bordnetzlasten zu- bzw. abgeschaltet, kann dies in Abhängigkeit von der Betriebsart (motorisch bzw. generatorisch) der elektrischen Maschine zu einem Abfall bzw. zu einem Anstieg der Spannung im Bordnetz und damit zu einem erhöhten Stromfluss aus bzw. in den Energiespeicher führen. Um ein Unter- bzw. Überschreiten der zulässigen Komponentengrenzen zu verhindern, können Energiespeicher mit einer entsprechend großen Kapazität verwendet werden, so dass auch große Lastsprünge nicht zum Abschalten von Systemkomponenten führen. Dies ist jedoch aufwendig bzw. teuer.
Erfindungsgemäß werden nun ein Verfahren zum generatorischen und ein Verfahren zum motorischen Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug sowie ein Computerprogramm und eine Recheneinheit zu deren Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Damit auch große Lastsprünge nicht zum Abschalten von Systemkomponenten führen, ohne dass Energiespeicher mit einer entsprechend großen Kapazität verwendet werden müssen, wird vorgeschlagen, einen Vorhalt in der Leistungsabgabe bzw. -anforderung der elektrischen Maschine zu verwenden. Dieser Vorhalt wird in Abhängigkeit von der maximalen Lade- bzw. Entladeleistung des Energiespeichers sowie von einer Bordnetzlast bestimmt. Insbesondere wird die elektrische Maschine so betrieben, dass sie nicht mehr Energie abgibt oder aufnimmt, als der Energiespeicher bei einem Lastabfall bzw. einer Lastzunahme aufzunehmen bzw. abzugeben in der Lage ist. Damit können auch Energiespeicher mit geringerer Kapazität ohne Schädigung bzw. Abschaltung von Systemkomponenten eingesetzt werden. Dadurch ergeben sich Kosten- und Bauraumvorteile.
In Kraftfahrzeugen gewinnen Bordnetze in Form von Mehrspannungsbordnetzen, insbesondere Zweispannungsbordnetzen, zunehmend an Bedeutung. Ein erstes Teilnetz (Niedervoltbordnetz) kann dabei eine erste, niedrigere Bordnetzspannung (insbesondere 12V, 14V bzw. 28V) aufweisen und ein zweites Teilnetz (Hochvoltbordnetz) kann eine zweite, höhere Bordnetzspannung (insbesondere 48V) aufweisen. Ein Hochvoltbordnetz kann dabei einen Hochleistungsenergiespeicher (Hochvoltbatterie HVB), beispielsweise eine 48V-Li-Ionen-Batterie aufweisen. Derartigen Hochvoltbatterien ist i.d.R. ein eigenes Steuergerät zugeordnet (Batterie-Management-System BMS). Die Schnittstelle zwischen dem Niedervoltbordnetz und dem Hochvoltbordnetz stellt insbesondere ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich dabei für sämtliche Arten von Bordnetzen, beispielsweise für Kraftfahrzeuge, Nutzfahrzeuge oder Anlagen.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für Mehrspannungsbordnetze.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft für eine elektrische Maschine und/oder einen Energiespeicher, die Teil eines Hochvoltbordnetzes mit einer Bordnetzspannung von mehr als 12 V (herkömmliche Bordnetzspannung) und weniger als 60 V (zulässige Berührspannung), insbesondere 48V, sind. Der Energiespeicher ist insbesondere als ein Hochleistungsenergiespeicher bzw. eine Hochvoltbatterie (HVB) ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich weiter vorteilhaft für elektrische Maschinen, die motorisch zur Unterstützung der Brennkraftmaschine im Fahrbetrieb und generatorisch zur Rückgewinnung von Bremsenergie (Rekuperation) ausgebildet sind, z.B. als sog. Boost-Rekuperations-Maschinen (BRM). Die rückgewonnene Energie kann sowohl für einen motorischen Betrieb der elektrischen Maschine als auch zur Versorgung des Bordnetzes verwendet werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramm ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein als Zweispannungsbordnetz ausgebildetes Kraftfahrzeugbordnetz, wie es der Erfindung zugrunde liegen kann.
2 zeigt schematisch, wie die generatorische Leistung der elektrischen Maschine anhand der aktuellen Leistungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bemessen wird.
3 zeigt schematisch, wie die motorische Leistung der elektrischen Maschine anhand der aktuellen Leistungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bemessen wird.
Ausführungsform(en) der Erfindung
1 zeigt ein hier als Zweispannungsbordnetz ausgebildetes Kraftfahrzeugbordnetz, wie es der Erfindung zugrunde liegen kann, in Form eines schematischen Schaltplans dargestellt und insgesamt mit 110 bezeichnet.
Das Zweispannungsbordnetz 110 verfügt über ein erstes Teilnetz 10 und ein zweites Teilnetz 20. Das erste Teilnetz 10 ist hier beispielsweise für einen Betrieb bei 48 V als Betriebsspannung ausgelegt. Das zweite Teilnetz 20 ist hier beispielsweise für einen Betrieb bei 12 V als Betriebsspannung ausgelegt. Bei dem ersten Teilnetz 10 handelt es sich damit um ein sogenanntes Hochvoltteilnetz (HV), bei dem zweiten Teilnetz 20 um ein sogenanntes Niedervoltteilnetz (LV).
In dem ersten Teilnetz 10 ist eine elektrische Maschine 11 mit einem nachgeschalteten Stromrichter 12 vorgesehen. Die elektrische Maschine 11 kann generatorisch betrieben werden und über den Stromrichter 12 im Gleichrichtbetrieb einen Strom in das erste Teilnetz 10 einspeisen. Insbesondere kann die elektrische Maschine 11 auch motorisch betrieben werden und über den Stromrichter 12 im Wechselrichtbetrieb Strom aus dem ersten Teilnetz 10 entnehmen. Beispielsweise kann in sogenannten Rekuperationssystemen (z.B. Boost-Rekuperatrionssystem BRS) mittels der elektrischen Maschine 11 Bremsleistung zurückgewonnen und/oder ein Verbrennungsmotor momentenleistend unterstützt werden.
In dem ersten Teilnetz 10 ist ein entsprechend ausgelegter Energiespeicher 13 (HV-Energiespeicher) vorgesehen, der für einen Betrieb mit der ersten Betriebsspannung eingerichtet ist, beispielsweise eine Batterie bzw. ein Akkumulator oder ein Kondensator. Ein Verbraucher in dem ersten Teilnetz 10 ist schematisch mit 14 veranschaulicht.
In dem zweiten Teilnetz 20 ist beispielsweise ein Startermotor 21 vorgesehen, der für einen Start des Kraftfahrzeugs, in dem das Zweispannungsbordnetz 110 ausgebildet ist, verwendet werden kann. In dem zweiten Teilnetz 20 ist ferner ein ebenfalls für eine entsprechende Betriebsspannung eingerichteter Energiespeicher 23 (LV-Energiespeicher) vorgesehen, beispielsweise eine herkömmliche Fahrzeugbatterie. Ein Verbraucher ist auch hier schematisch mit 24 veranschaulicht.
Das erste Teilnetz 10 und das zweite Teilnetz 20 sind über einen Gleichspannungswandler 30 miteinander verbunden. Im dargestellten Beispiel ist nur in dem ersten Teilnetz 10 eine generatorisch betreibbare elektrische Maschine 11 vorgesehen, so dass letztlich das zweite Teilnetz 20 ausschließlich aus dem ersten Teilnetz 10 gespeist wird. Mit "ausschließlich gespeist" sei damit ausdrücklich auch eine Speisung mittels des Energiespeichers 23 umfasst, der seinerseits wiederum aus dem ersten Teilnetz 10 geladen wird.
Eine Steuereinheit 50 ist zur Ansteuerung des Zweispannungsbordnetzes 110 über Ansteuerleitungen 51 eingerichtet.
Transiente Spannungs- und Stromschwankungen aufgrund von Bordnetzlaständerungen (im Folgenden Lastsprünge genannt) können im Betrieb durch Zu- und Abschalten von Verbrauchern im HV- bzw. im LV-Teilnetz jederzeit auftreten. Beispielsweise kann ein plötzliches Abschalten einer LV-Bordnetzlast während einer Rekuperationsphase (d.h. die elektrische Maschine 11 wird generatorisch betrieben) dazu führen, dass aufgrund der hohen Reaktionszeit der elektrischen Maschine 11 auf Regeleingriffe (beispielsweise bedingt durch die relativ hohe Läuferzeitkonstante), einer Totzeit durch die Kommunikation sowie der kleinen Zeitkonstante des Gleichspannungswandlers 30 der HV-Energiespeicher 23 die zusätzliche transiente Energie aufnehmen muss, die nach dem Abschalten der LV-Bordnetzlast bis zur verzögerten Abregelung (wegen der hohen Zeitkonstante) der elektrischen Maschine 11 erzeugt wird. Dies bewirkt im HV-Teilnetz einen Spannungs- und einen Stromanstieg. Je nach Ladezustand des HV-Energiespeichers 23 und Leistung der abgeschalteten Last kann dies zu einem Überschreiten der maximal zulässigen Klemmenspannung bzw. des zulässigen Ladestroms des HV-Energiespeichers 23 und/oder einer Komponente im HV-Teilnetz und in der Folge zum Abschalten des HV-Energiespeichers bzw. der Komponente führen. Die Erfindung begegnet diesem Problem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dadurch, dass die elektrische Maschine 11 generatorisch mit wenigstens einem eine Generatorleistung bestimmenden Leistungsparameter betrieben wird, der in Abhängigkeit von wenigstens einem entsprechenden momentan maximalen Ladeparameter des Energiespeichers 13 und in Abhängigkeit von einer Bordnetzlast bestimmt wird, wie es beispielhaft anhand von 2 erläutert wird.
Ebenfalls kann ein plötzliches Zuschalten einer LV-Bordnetzlast während einer Boostphase (d.h. die elektrische Maschine 11 wird motorisch betrieben) dazu führen, dass aufgrund der hohen Reaktionszeit der elektrischen Maschine 11 auf Regeleingriffe (bedingt durch die relativ hohe Läuferzeitkonstante), einer Totzeit durch die Kommunikation sowie der kleinen Zeitkonstante des Gleichspannungswandlers 30 der HV-Energiespeicher 23 die zusätzliche transiente Energie abgeben muss, die nach dem Zuschalten der LV-Bordnetzlast bis zur verzögerten Reaktion (wegen der hohen Zeitkonstante) der elektrischen Maschine 11 benötigt wird. Je nach Ladezustand des HV-Energiespeichers 23 und Leistung der zugeschalteten Last kann dies zu einem Unterschreiten der minimal zulässigen Klemmenspannung Spannungsgrenze des HV-Energiespeichers 23 und/oder einer Komponente im HV-Teilnetz und/oder im LV-Teilnetz und in der Folge zum Abschalten des HV-Energiespeichers bzw. der Komponente führen. Die Erfindung begegnet diesem Problem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dadurch, dass die elektrische Maschine 11 motorisch mit wenigstens einem eine Motorleistung bestimmenden Leistungsparameter betrieben wird, der in Abhängigkeit von wenigstens einem entsprechenden momentan maximalen Entladeparameter des Energiespeichers 13 und in Abhängigkeit von einer Bordnetzlast bestimmt wird, wie es beispielhaft anhand von 3 erläutert wird.
In 2 ist schematisch dargestellt, wie die generatorische Leistung der elektrischen Maschine anhand der aktuellen Leistungen im Bordnetz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bemessen wird. Dabei ist im oberen Teil zunächst ein herkömmlicher, nicht erfindungsgemäßer Fall dargestellt, bei dem die elektrische Maschine mit nicht geeigneter Leistung 201 betrieben wird. Diese setzt sich zusammen aus einem Anteil 202 zum Laden des Energiespeichers 13 und einem Anteil 203 zum Versorgen des HV-Teilnetzes 10 und des LV-Teilnetzes 20.
Kommt es nun zu einer Lastabschaltung im LV-Teilnetz, angedeutet durch eine gestrichelte Linie, sinkt der Leistungsanteil 203 zum Versorgen des HV-Teilnetzes 10 und des LV-Teilnetzes 20 auf einen Anteil 203'. Zwar kann der Anteil 202 zum Laden des Energiespeichers 13 in Abhängigkeit vom Zustand (Ladezustand, Temperatur usw.) etwas auf einen Anteil 202' erhöht werden. Dennoch ist die nun abgegriffene Leistung 202' + 203' kleiner als die immer noch erzeugte Leistung 201, hier um einen Betrag ∆. Wie erläutert, erfolgt eine Reaktion der elektrischen Maschine auf Stelleingriffe in Folge der Läuferzeitkonstanten nämlich relativ träge. Es kommt demnach zu einem Spannungs- und/oder Stromanstieg zumindest im HV-Teilnetz 10.
Die Erfindung begegnet diesem Problem nun dadurch, dass die Energieabgabe der elektrischen Maschine im generatorischen Betrieb bereits so begrenzt wird, dass im Falle einer Lastabschaltung überschüssige Leistung vom Energiespeicher 13 aufgenommen werden kann. Zu diesem Zweck werden eine momentan maximale Ladeleistung des Energiespeichers 13 als ein entsprechender momentan maximaler Ladeparameter und eine geeignet gewählte Bordnetzlast bestimmt und die generatorische Leistung der elektrischen Maschine als ein die Generatorleistung bestimmender Leistungsparameter wird auf die Summe 201' dieser Leistungen begrenzt. Zweckmäßigerweise wird als Bordnetzlast eine Grundlast in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs genommen. Als Bordnetzgrundlast wird diejenige Last angesehen, die bei Betrieb des Fahrzeugs immer anfällt und nicht abgeschaltet werden kann. Diese kann fahrzeugabhängig geschätzt oder gemessen werden.
Die nicht verkraftbare bzw. vorzuhaltende bzw. einzusparende Leistung (P_Vorhalt) im generatorischen Betrieb entspricht dem Leistungsunterschied aus nicht-erfindungsgemäß erzeugter Leistung P₂₀₁ durch die elektrische Maschine 11 und der maximalen Ladeleistung P_202' (= P_HVB,Chrg,max) des HV-Energiespeichers zuzüglich der nicht abschaltbaren Bordnetzgrundlast P_203' (= P_GL). Die von der elektrischen Maschine 11 nicht-erfindungsgemäß erzeugte Leistung P₂₀₁ setzt sich zusammen aus aktueller tatsächlicher Ladeleistung des HV-Energiespeichers (P_HVB,Chrg), aktueller abschaltbare Bordnetzlast (P_BN,Lab) und nicht abschaltbare Bordnetzgrundlast (P_GL): P_Vorhalt = (P_HVB,Chrg + P_BN,Lab +P_GL) – (P_HVB,Chrg,max + P_GL) = = P_BRM,gen – (P_HVB,Chrg,max + P_GL)
Die aktuell erzeugte generatorische Leistung der elektrischen Maschine 11 (P_BRM,gen) lässt sich aus den aktuellen Strom- und Spannungswerten ermitteln. Die maximale Ladeleistung des HV-Energiespeichers 13 lässt sich aus den prädizierten Spannungs- und Stromgrenzen des HV-Energiespeichers ermitteln. Stand der Technik für HV-Batterien im Bereich der Elektromobilität ist, dass das Batterie-Management-System (BMS) der Batterie, in Abhängigkeit vom aktuellen Ladezustand, Strom- und Spannungswerte prädiziert. Die prädizierten Größen geben bspw. einem Energiemanagement eines übergeordneten Steuergerätes einen Anhaltspunkt, welche Leistung die Batterie aktuell aufnehmen oder abgeben kann. Für den Zeitraum, in dem die Prädiktionswerte gültig sind, sind sämtliche Varianten von Peak-Leistung bis Dauerleistung denkbar. Hat eine HV-Batterie beispielsweise einen Ladezustand von >= 70% erreicht, werden die maximal zulässigen prädizierten Strom- und Spannungswerte der HV-Batterie beispielsweise derart reduziert, dass eine Rekuperationsphase nicht zu einem Überladen der HV-Batterie führen kann. Über die prädizierten Strom- und Spannungswerte des BMS lässt sich dementsprechend die aktuelle maximale Ladeleistung P_HVB,Chrg,max abschätzen.
Da im Fall einer Lastabschaltung prinzipiell entweder der Strom oder die Spannung ihren zulässigen Maximalwert überschreiten können, ohne dass die sich ergebende Leistung ihren zulässigen Wert überschreitet, ist es vorteilhaft, auch Ladespannung und Ladestrom als entsprechende momentan maximale Ladeparameter zu betrachten. Ein Vorhalt wird immer dann berücksichtigt, sobald wenigstens eine der Größen aufgrund einer möglichen Lastabschaltung seine zulässige Grenze überschreitet.
Der durch eine mögliche Lastabschaltung nicht verkraftbare und demnach vorzuhaltende bzw. einzusparende Strom (I_Vorhalt) wird – analog zur vorgehaltenen Leistung – wie folgt ermittelt: I_Vorhalt = I_BRM,gen – (I_HVB,Chrg,max + I_GL); mit I_GL = P_GL/U_HVB,Chrg;
Der zu berücksichtigende Stromvorhalt ergibt sich aus dem von der elektrischen Maschine zur Versorgung von Bordnetz und HV-Energiespeicher aktuell (nicht-erfindungsgemäß) erzeugten Strom (I_BRM,gen) abzüglich der Summe aus maximalem Ladestrom des HV-Energiespeichers (I_HVB,Chrg,max) und des zur Bordnetzgrundlastversorgung benötigten Stromes (I_GL). Der zur Bordnetzgrundlastversorgung benötigte Strom (I_GL) errechnet sich dabei aus dem Quotient aus Grundlast (P_GL) und aktueller Klemmenspannung des HV-Energiespeichers (U_HVB,Chrg).
Der aktuell generatorisch erzeugte Strom der elektrischen Maschine (I_BRM,gen) lässt sich aus der zyklischen Stromermittlung der elektrischen Maschine ermitteln. Damit ein Energiemanagement eines übergeordneten Steuergerätes in der Lage ist, von den Stellern eines System die richtige Leistung zu fordern, müssen dem Energiemanagement die aktuellen Leistungsdaten (Strom und Spannung) der einzelnen Komponenten bekannt sein. Die Übertragung der von den Systemkomponenten gemessenen, aktuellen Strom- und Spannungswerte erfolgt zyklisch über ein Bussystem. Der maximale Ladestrom des HV-Energiespeichers (I_HVB,Chrg,max) entspricht der prädizierten Stromgrenze des HV-Energiespeichers. Die aktuelle Klemmenspannung des HV-Energiespeichers (U_HVB,Chrg) erhält man aus der zyklischen Spannungsmessung des HV-Energiespeichers.
Die durch eine mögliche Lastabschaltung nicht vekraftbare und demnach vorzuhaltende bzw. einzusparende Spannung (U_Vorhalt) wird wie folgt ermittelt: U_Vorhalt = U_HVB,Chrg + R_i,HVB,Chrg·(I_BN – P_GL/U_HVB,Chrg) – U_HVB,Chrg,max;
Der Spannungsvorhalt ergibt sich aus der aktuellen Klemmenspannung des HV-Energiespeichers (U_HVB,Chrg) zuzüglich des Spannungsabfalls, der sich aus dem abschaltbaren Strom zur Bordnetzversorgung (I_BN – P_GL/U_HVB,Chrg) einstellt und der maximalen Ladespannung des HV-Energiespeichers (U_HVB,Chrg,max). Der Spannungsabfall, der sich aus dem abschaltbaren Strom zur Bordnetzversorgung ergibt, kann über den Innenwiderstand des HV-Energiespeichers (R_i,HVB,Chrg) beispielsweise unter Annahme eines linearen Speicherverhaltens aus den prädizierten Strom- und Spannungswerten des HV-Energiespeichers berechnet werden. Der aktuelle Strom zur Bordnetzversorgung (I_BN) lässt sich beispielsweise aus der Differenz des erzeugten Stromes (I_BRM,gen) und des aktuellen Ladestromes des HV-Energiespeichers (I_HVB,Chrg) ermitteln.
In 3 ist dargestellt, wie die motorische Leistung der elektrischen Maschine anhand der aktuellen Leistungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bemessen wird. Dabei ist im oberen Teil zunächst ein herkömmlicher, nicht erfindungsgemäßer Fall dargestellt, bei dem die elektrische Maschine mit nicht geeigneter Leistung 301 betrieben wird. Diese ergibt zusammen mit der aktuellen Leistung 303 zum Versorgen des HV-Teilnetzes 10 und des LV-Teilnetzes 20 die aktuelle Entladeleistung 302 des Energiespeichers 13.
Kommt es nun zu einer Lastzuschaltung im LV-Teilnetz, angedeutet durch eine gestrichelte Linie, steigt der Leistungsanteil 303 zum Versorgen des HV-Teilnetzes 10 und des LV-Teilnetzes 20 auf einen Anteil 303'. Zwar kann die Entladeleistung 302 des Energiespeichers 13 in Abhängigkeit vom Zustand (Ladezustand, Temperatur usw.) etwas auf einen Betrag 302' erhöht werden. Dennoch ist die nun abgegriffene Leistung 301 + 303' größer als die abgegebene Leitung 302', hier um einen Betrag ∆. Wie erläutert, erfolgt eine Reaktion der elektrischen Maschine auf Stelleingriffe in Folge der Läuferzeitkonstanten nämlich relativ träge. Es kommt demnach zu einem Spannungs- und/oder Stromeinbruch zumindest im HV-Teilnetz 10.
Die Erfindung begegnet diesem Problem nun dadurch, dass die Energieaufnahme der elektrischen Maschine im motorischen Betrieb bereits so begrenzt wird, dass im Falle einer Lastzuschaltung fehlende Leistung vom Energiespeicher 13 abgegeben werden kann. Zu diesem Zweck werden eine momentan maximale Entladeleistung des Energiespeichers 13 als ein entsprechender momentan maximaler Entladeparameter und eine geeignet gewählte Bordnetzlast bestimmt und die motorische Leistung der elektrischen Maschine als ein die Motorleistung bestimmender Leistungsparameter wird auf die Differenz 301' dieser Leistungen begrenzt. Zweckmäßigerweise wird als Bordnetzlast eine momentane Last 303 in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs genommen.
Die nicht verkraftbare bzw. vorzuhaltende bzw. einzusparende Leistung (P_Vorhalt) im motorischen Betrieb entspricht dem Leistungsunterschied aus aktueller Entladeleistung P₃₀₂ (= P_HVB,Dcha) des HV-Energiespeicher 13 zuzüglich einer maximal zuschaltbaren Bordnetzleistung (P_{HVB,Dcha,Lzu,max}) und der maximalen Entladeleistung P_302' (= P_HVB,Dcha,max) des HV-Energiespeichers. P_Vorhalt = (P_HVB,Dcha + P_{HVB,Dcha,Lzu,max}) – P_HVB,Dcha,max;
Die aktuelle Entladeleistung (P_HVB,Dcha) kann – wie oben erläutert – über die zyklische Strom- und Spannungsmessung des HV-Energiespeichers ermittelt werden. Die maximal zuschaltbare Bordnetzleistung (P_{HVB,Dcha,Lzu,max}) ergibt sich aus der maximalen Bordnetzlast (P_BN,max) abzüglich der aktuellen Bordnetzlast (P_BN). Die aktuelle Bordnetzlast lässt sich beispielsweise aus der Differenz aus motorischer Leistung für die elektrische Maschine (P_BRM,mot) und aktueller Enladeleistung des HV-Energiespeichers (P_HVB,Dcha) berechnen. Die maximale Entladeleistung des HV-Energiespeichers 13 kann – wie oben im Zusammenhang mit der Ladeleistung erläutert – aus den prädizierten Strom- und Spannungsgrenzen des HV-Energiespeichers ermittelt werden.
Da im Fall einer Lastzuschaltung prinzipiell entweder der Strom oder die Spannung den zulässigen Wert über- bzw. unterschreiten können, ohne dass die sich ergebende Leistung jedoch ihren zulässigen Wert unterschreitet, ist es vorteilhaft, auch Entladespannung und Entladestrom als entsprechende momentan maximale Entladeparameter zu betrachten. Ein Vorhalt wird immer dann berücksichtigt, sobald eine der Größen aufgrund einer möglichen Lastzuschaltung seine zulässigen Grenzen über- bzw. unterschreitet.
Der durch eine mögliche Lastabschaltung nicht verkraftbare und demnach vorzuhaltende bzw. einzusparende Strom (I_Vorhalt) wird – analog zur vorgehaltenen Leistung – wie folgt ermittelt: I_Vorhalt = (I_HVB,Dcha + I_{HVB,Dcha,Lzu,max}) – I_HVB,Dcha,max;
Der zu berücksichtigende Stromvorhalt (I_Vorhalt) ergibt sich aus der Differenz der Summe aus aktuellem Entladestrom des HV-Energiespeichers und maximal zusätzlich erforderlichem Entladestrom durch Lastzuschaltung und der maximal zulässigen Entladeleistung des HV-Energiespeichers.
Der aktuelle Entladestrom (I_HVB,Dcha) lässt sich – wie oben im Zusammenhang mit dem Ladestrom erläutert – aus der zyklischen Strommessung des HV-Energiespeichers ermitteln. Der maximal zuschaltbare Entladestrom (I_{HVB,Dcha,Lzu,max}) ergibt sich aus dem Maximalstrom zur Bordnetzversorgung abzüglich des aktuellen Stromes zur Bordnetzversorgung. Der aktuell maximal mögliche Entladestrom des HV-Energiespeichers (I_HVB,Dcha,max) entspricht der prädizierten Stromgrenze des HV-Energiespeichers.
Die durch eine mögliche Lastabschaltung nicht verkraftbare und demnach vorzuhaltende bzw. einzusparende Spannung (U_Vorhalt) wird wie folgt ermittelt: U_Vorhalt = U_HVB,Dcha,min – (R_i,HVB,Dcha·I_{Dcha,Lzu,BN,max} + U_Dcha);
Der Spannungsvorhalt ergibt sich aus der Differenz von minimal zulässiger Entladespannung (U_HVB,Dcha,min) und der Summe von aktueller Entladespannung (U_Dcha) und dem Spannungsabfall durch den maximal zuschaltbaren Entladestrom (R_i,HVB,Dcha·I_{Dcha,Lzu,BN,max}). Der Spannungsabfall, der sich aus dem zuschaltbaren Strom zur Bordnetzversorgung ergibt, kann über den Innenwiderstand des HV-Energiespeichers (R_i,HVB,Dcha) beispielsweise unter Annahme eines linearen Speicherverhaltens aus den prädizierten Strom- und Spannungswerten des HV-Energiespeichers berechnet werden. Die minimal zulässige Entladespannung (U_HVB,Dcha,min) entspricht der aktuell prädizierten Entladespannungsgrenze des HV-Energiespeichers.

Claims

Verfahren zum generatorischen Betreiben einer elektrischen Maschine (11) in einem Kraftfahrzeug, die in einem Bordnetz (10, 20) des Kraftfahrzeugs elektrisch mit einem Energiespeicher (13) verbunden ist, wobei die elektrische Maschine (11) generatorisch mit wenigstens einem eine Generatorleistung bestimmenden Leistungsparameter betrieben wird, der in Abhängigkeit von wenigstens einem entsprechenden momentan maximalen Ladeparameter des Energiespeichers (13) und in Abhängigkeit von einer Bordnetzlast bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine die Generatorleistung bestimmende Leistungsparameter die Generatorleistung selbst und wobei der wenigstens eine entsprechende momentan maximale Ladeparameter eine momentan maximale Ladeleistung umfasst, und/oder wobei der wenigstens eine die Generatorleistung bestimmende Leistungsparameter einen Generatorstrom und wobei der wenigstens eine entsprechende momentan maximale Ladeparameter einen momentan maximalen Ladestrom umfasst, und/oder wobei der wenigstens eine die Generatorleistung bestimmende Leistungsparameter eine Generatorspannung und wobei der entsprechende momentan maximale Ladeparameter eine momentan maximale Ladespannung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als die Bordnetzlast eine Grundlast in dem Bordnetz (10, 20) des Kraftfahrzeugs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der momentan maximale Ladeparameter in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiespeichers (13) bestimmt wird.
Verfahren zum motorischen Betreiben einer elektrischen Maschine (13) in einem Kraftfahrzeug, die in einem Bordnetz (10, 20) des Kraftfahrzeugs elektrisch mit einem Energiespeicher (13) verbunden ist, wobei die elektrische Maschine motorisch mit wenigstens einem eine Motorleistung bestimmenden Leistungsparameter betrieben wird, der in Abhängigkeit von wenigstens einem entsprechenden momentan maximalen Entladeparameter des Energiespeichers (13) und in Abhängigkeit von einer Bordnetzlast bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der wenigstens einem die Motorleistung bestimmende Leistungsparameter die Motorleistung selbst und wobei der wenigstens eine entsprechende momentan maximale Entladeparameter eine momentan maximale Entladeleistung umfasst, und/oder wobei der wenigstens eine die Motorleistung bestimmende Leistungsparameter einen Motorstrom und wobei der wenigstens eine entsprechende momentan maximale Entladeparameter einen momentanen maximalen Entladestrom umfasst, und/oder wobei der wenigstens eine die Motorleistung bestimmende Leistungsparameter eine Motorspannung und wobei der wenigstens eine entsprechende momentan maximale Entladeparameter eine momentan maximale Entladespannung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei als die Bordnetzlast eine momentane Last in dem Bordnetz (10, 20) des Kraftfahrzeugs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der wenigstens eine momentan maximale Entladeparameter in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiespeichers (13) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bordnetz (10, 20) des Kraftfahrzeugs ein Mehrspannungsbordnetz mit zumindest einem Niedervoltnetz (20) und zumindest einem Hochvoltnetz (10) ist, wobei die elektrische Maschine (11) und/oder der Energiespeicher (13) Teil des Hochvoltnetzes (10) sind.
Recheneinheit (50), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 11.