DE102016214862A1 - Fahrzeugantrieb - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugantrieb (1), umfassend mindestens eine Elektromaschine (2) und einen elektrischen Energiespeicher, der als Li-Ionen-Batterie (3) ausgebildet ist, wobei der Fahrzeugantrieb (1) derart ausgebildet ist, dass die Elektromaschine (2) motorisch betrieben werden kann als auch generatorisch, um ein rekuperatives Bremsmoment aufzubringen, wobei der Li-Ionen-Batterie (3) ein unterer Grenzwert SOCg,u und ein oberer Grenzwert SOCg,o zugeordnet ist, wobei der obere Grenzwert SOCg,o kleiner als ein Ladezustand 100 % und der untere Grenzwert SOCg,u größer als ein Ladezustand 0% ist, wobei ein Steuergerät (8) den Ladezustand der Li-Ionen-Batterie (3) überwacht, der Fahrzeugantrieb (1) derart ausgebildet ist, dass im Fall eines rekuperativen Bremsens die Li-Konen-Batterie (3) bis zu einem Ladezustand von 100 % geladen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugantrieb, umfassend mindestens eine Elektromaschine und einen elektrischen Energiespeicher, der als Li-Ionen-Batterie ausgebildet ist.
  • Es sind verschiedene Fahrzeugantriebe umfassend mindestens eine Elektromaschine und einen elektrischen Energiespeicher bekannt. Die Fahrzeugantriebe können dabei als reine Elektroantriebe oder als Hybrid-Antriebe ausgebildet sein. Bei einem Serien-Hybridfahrzeug erfolgt der Antrieb immer über die Elektromaschine, die wahlweise von einer Brennkraftmaschine oder einem elektrischen Energiespeicher versorgt wird. Bei einem Parallel-Hybridantrieb kann der Antrieb hingegen durch die Brennkraftmaschine und/oder die Elektromaschine erfolgen.
  • Als Energiespeicher für elektrische Traktionsnetze werden überwiegend Li-Ionen-Batterien eingesetzt. Dabei ist es bekannt, dass es hinsichtlich der Lebensdauer der Li-Ionen-Batterie kritisch ist, diese über den vollen Ladezustandsbereich zu betreiben.
  • Beispielsweise wird in der DE 10 2012 003 046 A1 vorgeschlagen, den Ladezustand einer Li-Ionen-Batterie zwischen einem unteren Grenzwert des Ladezustandes von 50–55 % und einen oberen Grenzwert des Ladezustandes von ca. 75–80 % zu halten, wobei 100 % einer Vollladung entspricht (SOC = 100 %; state of charge). Dabei offenbart die Druckschrift weiter, dass es situativ vorteilhaft sein kann, die Batterie doch auf 100 % bzw. 90–95 % aufzuladen, beispielsweise um eine entsprechende Reichweite zu erzielen. In einem solchen Fall wird vorgeschlagen, den Ladevorgang an einer Ladestation zu unterteilen, wobei in einem ersten Schritt innerhalb der Grenzwerte geladen wird und die Vollladung erst kurz vor Fahrantritt erfolgt, um nur temporär oberhalb des lebensdauerkritischen oberen Grenzwertes zu bleiben.
  • Aus der DE 10 2012 212 869 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines Ladezustandes einer Traktionsbatterie bekannt. Dabei wird der Traktionsbatterie, die beispielsweise als Li-Ionen-Batterie ausgebildet ist, eine untere weiche Grenze und eine obere weiche Grenze zugeordnet. Des Weiteren wird der Batterie eine harte untere Grenze und eine harte obere Grenze zugeordnet, wobei weiche und harte Grenze auch zusammentreffen können. Dabei wird angegeben, dass die harte obere Grenze beispielsweise bei 80–85 % des Ladezustandes sein kann. Die harte untere Grenze liegt beispielsweise bei 25 %. Eine weiche obere Grenze liegt beispielsweise bei 75 %. Weiter wird vorgeschlagen, dass Auflade- und/oder Entladeereignisse durch die weichen Grenzen begrenzt werden, wobei ein Aufladen durch rekuperatives Bremsen nicht durch die weiche Grenze, sondern durch die harte obere Grenze begrenzt ist.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Fahrzeugantrieb hinsichtlich Lebensdauer der Batterie und Energieeffizienz zu verbessern.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch einen Fahrzeugantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Der Fahrzeugantrieb umfasst mindestens eine Elektromaschine und einen elektrischen Energiespeicher, der als Li-Ionen-Batterie ausgebildet ist. Dabei ist der Fahrzeugantrieb derart ausgebildet, dass die Elektromaschine motorisch betrieben werden kann als auch generatorisch, um ein rekuperatives Bremsmoment aufzubringen. Dabei ist der Li-Ionen-Batterie ein unterer Grenzwert und ein oberer Grenzwert zugeordnet, wobei der obere Grenzwert kleiner als ein Ladezustand 100 % (SOC = 100 %) ist und der untere Grenzwert größer als ein Ladezustand 0 % (SOC = 0 %) ist, wobei ein Steuergerät den Ladezustand der Li-Ionen-Batterie überwacht. Dabei ist der Fahrzeugantrieb derart ausgebildet, dass im Fall eines rekuperativen Bremsens die Li-Ionen-Batterie bis zu einem Ladezustand von 100 % geladen wird. Hierdurch wird effektiv die Bremsenergie zurückgewonnen, wobei aufgrund des temporären Überschreitens die Lebensdauerbeeinträchtigung vernachlässigbar ist.
  • Unter Li-Ionen-Batterien sind Akkumulatoren auf Basis von Lithium-Verbindungen in allen drei Phasen der elektrochemischen Zelle zu verstehen.
  • In einer Ausführungsform wird der obere Grenzwert ausschließlich beim rekuperativen Bremsen überschritten, wobei hingegen bei anderen externen Ladevorgängen der obere Grenzwert nicht überschritten werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform liegt der untere Grenzwert für den Ladezustand zwischen 5 % bis 25 % und/oder der obere Grenzwert für den Ladezustand zwischen 40 % bis 60 %. Weiter vorzugsweise liegt der untere Grenzwert zwischen 15 % bis 20 % und/oder der obere Grenzwert zwischen 45 % bis 55 %.
  • In einer weiteren Ausführungsform liegt der untere Grenzwert für den Ladezustand bei 15 % und/oder der obere Grenzwert für den Ladezustand bei 50 %. Dies hat sich bezüglich der Lebensdauer als ein besonders geeignetes Bereichsfenster herausgestellt. Insbesondere der obere Grenzwert wird daher weit unterhalb der im Stand der Technik bekannten oberen Grenzwerte gehalten, was sich bezüglich der Lebensdauer sehr positiv bemerkbar macht.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die Gesamtkapazität und der obere Grenzwert derart ausgelegt, dass die Li-Ionen-Batterie die rekuperative Bremsenergie einer Dauerbremsfunktion vollständig aufnehmen kann. Dabei wird unter Dauerbremsfunktion verstanden, dass mindestens ein vollbeladenes Fahrzeug auf einer Strecke von 6 km und einem Gefälle von 7 % bei einer Fahrgeschwindigkeit von 30 km/h gehalten werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist der Fahrzeugantrieb einen elektrischen Energieerzeuger für die Grundlast des Antriebes auf. Der Vorteil ist, dass der elektrische Energieerzeuger in einem optimierten Arbeitsbereich betrieben werden kann, wobei nur die Lastspitzen aus der Li-Ionen-Batterie abgedeckt werden, sodass auch der geringe obere Grenzwert kein Reichweitenproblem aufwirft.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der elektrische Energieerzeuger eine Brennstoffzelle (gegebenenfalls mit DC/DC-Wandler) oder ein verbrennungsmotorisch angetriebener Generator.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Fahrzeugantrieb derart ausgebildet, dass nach einem rekuperativen Ladevorgang mit einem Ladezustand oberhalb des oberen Grenzwertes eine Betriebsstrategie eingestellt wird, den Ladezustand der Li-Ionen-Batterie unter den oberen Grenzwert abzusenken. Hierdurch wird der Zeitraum, in dem die Li-Ionen-Batterie in einem lebensdauer-suboptimalen Ladezustand sich befindet, aktiv minimiert.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Fahrantrieb derart ausgebildet, dass der elektrische Energieerzeuger abgeschaltet wird und die Li-Ionen-Batterie die elektrische Energieversorgung der Elektromaschine übernimmt.
  • Alternativ oder aber ergänzend können elektrische Verbraucher wie beispielsweise eine Heizung oder eine Klimaanlage aktiviert werden, um den Ladezustand abzusenken.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Fahrzeugantriebs.
  • Der Fahrzeugantrieb 1 umfasst eine Elektromaschine 2, die mit Rädern 10 des Fahrzeugs gekoppelt ist, um diese im motorischen Betrieb anzutreiben bzw. um von dieser im rekuperativen Bremsbetrieb angetrieben zu werden. Weiter umfasst der Fahrzeugantrieb eine Li-Ionen-Batterie 3, eine Leistungselektronik 4, einen elektrischen Energieerzeuger 5 mit einer Brennkraftmaschine 6 und einen Generator 7, ein Steuergerät 8 und ein Steuergerät 9, das die Brennkraftmaschine 6 steuert.
  • Die Brennkraftmaschine 6 ist mit dem Generator 7 verbunden und treibt diesen an, damit der Generator 7 eine elektrische Spannung erzeugt. Diese Spannung wird über die Leistungselektronik 4 in eine Antriebsspannung für die Elektromaschine 2 aufbereitet. Die Leistungselektronik 4 ist weiter mit der Li-Ionen-Batterie 3 verbunden, die von dem Steuergerät 8 überwacht wird. Der Li-Ionen-Batterie 3 ist ein unterer Grenzwert SOCg,u und ein oberer Grenzwert SOCg,o für den Ladezustand zugeordnet. Beispielsweise liegt der untere Grenzwert SOCg,u bei 15 % oder 20 % der Vollladung (= 100 %) und der obere Grenzwert SOCg,o bei 50 %. Das Steuergerät 8 steuert auch die Leistungselektronik 4 und mindestens einen Schalter 11 zu einem direkt mit der Li-Ionen-Batterie 3 verbundenen Verbraucher 12, der beispielsweise als Klimaanlage oder Heizung ausgebildet ist. Dabei dient die Li-Ionen-Batterie 3 vorzugsweise auch zum Starten der Brennkraftmaschine 7. Weiter weist die Leistungselektronik 4 einen Ladeanschluss 13 auf, über den die Li-Ionen-Batterie 3 von einer externen Ladestation geladen werden kann. Dabei verhindert das Steuergerät 8, dass die Li-Ionen-Batterie 3 über den oberen Grenzwert SOCg,o hinaus geladen werden kann.
  • Im Fahrbetrieb liefert der Generator 6 die elektrische Energie für die Elektromaschine 2 für eine Grundlast, wobei hierzu Brennkraftmaschine 7 und Generator 6 hinsichtlich des Wirkungsgrades in optimierten Arbeitspunkten betrieben werden. Zusätzliche Energie oberhalb der Grundlast (beispielsweise bei Beschleunigungsvorgängen) wird durch die Li-Ionen-Batterie 3 zur Verfügung gestellt. Weiter stellt die Li-Ionen-Batterie 3 die Energie für die Elektromaschine 2 zur Verfügung, wenn die Elektromaschine weit unterhalb der Grundlast betrieben werden soll (z.B. sehr langsame Fahrt). In diesen Fällen ist es energieeffizienter, Brennkraftmaschine 7 und Generator 6 abzuschalten. Dabei wird aber die Li-Ionen-Batterie 3 in ihrem lebensdaueroptimierten SOC-Bereich zwischen SOCg,u und SOCg,o gehalten, wobei gegebenenfalls während des Fahrbetriebes die Li-Ionen-Batterie 3 durch den Generator 6 über die Leistungselektronik 4 nachgeladen werden kann.
  • Im Fall des rekuperativen Bremsens wird die Elektromaschine 2 generatorisch betrieben und die Leistungselektronik 4 derart vom Steuergerät 8 angesteuert, dass die Li-Ionen-Batterie 3 geladen wird. Dabei wird für diesen Fall der obere Grenzwert SOCg,o außer Kraft gesetzt und die Li-Ionen-Batterie bis zu 100 % aufgeladen. Dabei ist die Gesamtkapazität der Li-Ionen-Batterie 3 derart dimensioniert, dass die 50 %-Reserve bis zu 100 % ausreichend groß ist, um die gesamte anfallende Energie bei einer Dauerbremsfunktion aufzunehmen. Anschließend wird dann der SOC der Li-Ionen-Batterie 3 gezielt abgebaut, indem beispielsweise die gesamte elektrische Energie für den Fahrbetrieb (motorischer Betrieb der Elektromaschine 2) ausschließlich von der Li-Ionen-Batterie 3 aufgebracht wird. Alternativ oder zusätzlich wird der Schalter 11 geschlossen und elektrische Energie elektrischen Verbrauchern 12 zugeführt.
  • Somit wird die Li-Ionen-Batterie 3 fast ausschließlich in einem lebensdaueroptimierten SOC-Bereich gehalten, der nur temporär überschritten wird, wobei gleichzeitig eine Dauerbremsfunktion ohne ohmsche Verbraucher gewährleistet ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012003046 A1 [0004]
    • DE 102012212869 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Fahrzeugantrieb (1), umfassend mindestens eine Elektromaschine (2) und einen elektrischen Energiespeicher, der als Li-Ionen-Batterie (3) ausgebildet ist, wobei der Fahrzeugantrieb (1) derart ausgebildet ist, dass die Elektromaschine (2) motorisch betrieben werden kann als auch generatorisch, um ein rekuperatives Bremsmoment aufzubringen, wobei der Li-Ionen-Batterie (3) ein unterer Grenzwert SOCg,u und ein oberer Grenzwert SOCg,o zugeordnet ist, wobei der obere Grenzwert SOCg,o kleiner als ein Ladezustand 100 % und der untere Grenzwert SOCg,u größer als ein Ladezustand 0% ist, wobei ein Steuergerät (8) den Ladezustand der Li-Ionen-Batterie (3) überwacht, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugantrieb (1) derart ausgebildet ist, dass im Fall eines rekuperativen Bremsens die Li-Ionen-Batterie (3) bis zu einem Ladezustand von 100 % geladen wird.
  2. Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Grenzwert SOCg,o ausschließlich beim rekuperativen Bremsen überschritten wird.
  3. Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert SOCg,u für den Ladezustand zwischen 5 % bis 25 % und/oder der obere Grenzwert SOCg,o für den Ladezustand zwischen 40 % bis 60 % liegt.
  4. Fahrzeugantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert SOCg,u für den Ladezustand 15 % und/oder der obere Grenzwert SOCg,o für den Ladezustand 50 % beträgt.
  5. Fahrzeugantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtkapazität und der obere Grenzwert SOCg,o derart ausgelegt sind, dass die Li-Ionen-Batterie (3) die rekuperative Bremsenergie einer Dauerbremsfunktion vollständig aufnehmen kann.
  6. Fahrzeugantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugantrieb (1) einen elektrischen Energieerzeuger (5) für eine Grundlast des Antriebes aufweist.
  7. Fahrzeugantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energieerzeuger (5) eine Brennstoffzelle oder ein verbrennungsmotorisch angetriebener Generator (6) ist.
  8. Fahrzeugantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugantrieb (1) derart ausgebildet ist, dass nach einem rekuperativen Ladevorgang mit einem Ladezustand oberhalb des oberen Grenzwertes SOCg,o eine Betriebsstrategie eingestellt wird, den Ladezustand der Li-Ionen-Batterie (3) unter den oberen Grenzwert SOCg,o abzusenken.
  9. Fahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugantrieb (1) derart ausgebildet ist, dass der elektrische Energieerzeuger (5) abgeschaltet wird und die Li-Ionen-Batterie (3) die elektrische Energieversorgung der Elektromaschine (2) übernimmt.
  10. Fahrzeugantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugantrieb (1) derart ausgebildet ist, dass elektrische Verbraucher (12) aktiviert werden.
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