DE102017107778A1

DE102017107778A1 - Struktur zum Optimieren der Elektrizitätserzeugung in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102017107778A1
Application number: DE102017107778.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Charles Kurple
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2017-10-19
Also published as: GB201706085D0; US20170297436A1; US10202043B2; CN107303804A; CN107303804B; MX2017004960A; GB2551616A; RU2017113093A

Abstract

Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen ein System zum Optimieren der Elektrizitätserzeugung in einem Fahrzeug durch Steuern der Temperatur in der Fahrzeugkraftmaschine und verschiedenen Komponenten bereit, um die Effizienz der Kraftmaschine und der verschiedener Komponenten zu erhöhen. In einer Ausführungsform enthält das Elektrizitätsmanagementsystem einen Generator, der mit einer Hochleistungsspeichervorrichtung, wie etwa einer Batterie oder einem Kondensator, verbunden ist, und einen Gleichspannungswandler, der mehrere Spannungssollwerte enthält.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Optimieren der Elektrizitätserzeugung in einem Fahrzeug durch Nutzen einer einzigartigen elektrischen Struktur mit einer erhöhten Anzahl von Spannungssollwerten, die die Temperatur der Fahrzeugkraftmaschine und anderer Fahrzeugkomponenten überwacht und steuert, um deren Effizienz zu erhöhen.
HINTERGRUND
Die Elektrizitätserzeugung in Fahrzeugen wird von den Temperaturgrenzen verschiedener Komponenten wie zum Beispiel der Lichtmaschine und der Batterie eingeschränkt. Diese Einschränkungen senken die Effizienz der Komponenten und verringern die Effizienz der Elektrizitätserzeugung und -verteilung. Zum Beispiel sinkt die Effizienz der Kraftmaschine, während sie in dem Fahrzeug aufwärmt.
Dementsprechend gibt es einen anhaltenden Bedarf für neue und verbesserte Systeme zum Steuern der Temperatur der Kraftmaschine und der verschiedenen Komponenten zum Optimieren der Elektrizitätserzeugung eines Fahrzeugs.
KURZDARSTELLUNG
Die angehängten Ansprüche definieren diese Anmeldung. Die Beschreibung fasst Aspekte der Ausführungsformen zusammen und sollte nicht verwendet werden, um die Ansprüche einzuschränken. Andere Umsetzungen werden gemäß den hier beschriebenen Techniken erwogen, wie einem Durchschnittsfachmann bei der Durchsicht der folgenden Zeichnungen und ausführlichen Beschreibung deutlich werden wird, und diese Umsetzungen sollen im Schutzbereich dieser Anmeldung liegen.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen ein System zum Optimieren der Elektrizitätserzeugung in einem Fahrzeug durch Nutzen einer einzigartigen elektrischen Struktur mit einer erhöhten Anzahl von Spannungssollwerten bereit, das die Temperatur der Fahrzeugkraftmaschine und anderer Fahrzeugkomponenten überwacht und steuert, um deren Effizienz zu erhöhen. In einer Ausführungsform enthält das Elektrizitätsmanagementsystem einen Generator, der mit einer Hochleistungsspeichervorrichtung, wie etwa einer Batterie oder einem Kondensator, verbunden ist, und einen Gleichspannungswandler, der mehrere Spannungssollwerte enthält. Die Spannungssollwerte werden verwendet, um mehrere Lasten, die unterschiedliche Spannungswerte erfordern, zu verbinden. Eine Hochenergiespeichervorrichtung ist ebenfalls mit dem Wandler verbunden, um die unterschiedlichen Lasten mit Energie zu versorgen. Diese mehreren Spannungssollwerte ermöglichen eine effiziente Verteilung der Leistung und stellen eine optimale Spannung für jede Komponente bereit.
In bestimmten Ausführungsformen enthält der Gleichspannungswandler ferner ein Temperatursteuermodul zum Überwachen und Steuern der Temperatur von verschiedenen Komponenten des Fahrzeugs. Die Steuereinheit steht in Kommunikation mit dem Fahrzeugheiz- und -kühlsystem und ist in der Lage, für jegliche Komponenten nach Bedarf Wärme und/oder Kühlung bereitzustellen, um eine optimale Temperatur für ein effizientes Elektrizitätsmanagement aufrechtzuerhalten.
Solch eine Konfiguration stellt ein optimiertes Elektrizitätserzeugungssystem für das Fahrzeug bereit.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein besseres Verständnis der Erfindung kann auf in den folgenden Zeichnungen gezeigte Ausführungsformen Bezug genommen werden. Die Komponenten in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und zugehörige Elemente können weggelassen sein, um die hier beschriebenen neuen Merkmale hervorzuheben und deutlich darzustellen. Darüber hinaus können, wie im Fachgebiet bekannt, Systemkomponenten verschieden angeordnet sein. In den Figuren können sich gleiche Referenznummern in den verschiedenen Figuren auf gleiche Teile beziehen, sofern nichts anderes angegeben ist.
1A stellt ein Blockdiagramm dar, das Komponenten einer Ausführungsform des Elektrizitätsoptimierungssystems der vorliegenden Offenbarung enthält.
1B stellt ein Blockdiagramm dar, das Komponenten eines Gleichspannungswandlers einer Ausführungsform des Elektrizitätsoptimierungssystems der vorliegenden Offenbarung enthält.
2 stellt ein Blockdiagramm dar, das Komponenten einer Ausführungsform eines Fahrzeugsteuersystems enthält, das das Elektrizitätsoptimierungssystems der vorliegenden Offenbarung enthält.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Während das Elektrizitätsoptimierungssystem der vorliegenden Offenbarung in verschiedenen Formen ausgeführt sein kann, zeigen die Figuren und beschreibt diese Beschreibung einige beispielhafte und nicht einschränkende Ausführungsformen des Elektrizitätsoptimierungssystems. Die vorliegende Offenbarung ist eine Veranschaulichung des Elektrizitätsoptimierungssystems und schränkt das Elektrizitätsoptimierungssystem nicht auf die spezifischen dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen ein. Möglicherweise sind nicht alle der dargestellten oder beschriebenen Komponenten erforderlich, und einige Ausführungsformen können zusätzliche, andere oder weniger Komponenten enthalten. Die Anordnung und die Art der Komponenten kann variieren, ohne vom Geist oder Schutzbereich der hier dargelegten Ansprüche abzuweichen.
Bestehende elektrische Systeme von Fahrzeugen nutzen verschiedene Aufwärts- oder Abwärtsmechanismen, um die für jede Fahrzeugkomponente bereitgestellte Spannung zu steuern und anzupassen. Solche Mechanismen sind ineffizient, und solch ein System führt zu verschwendeter Elektrizität. Anstatt für jede Komponente die gleiche Menge an Leistung zu senden und dann die Spannung einzeln an jeder Komponente anzupassen, stellen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein effizientes System zum Bereitstellen der optimalen Spannung an jede Fahrzeugkomponente bereit, um dadurch die Elektrizitätserzeugung und -nutzung zu optimieren.
Insbesondere stellen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein System und ein Verfahren zum Optimieren der Elektrizitätserzeugung durch Nutzen mehrerer Spannungssollwerte zum Betreiben von Fahrzeugkomponenten auf dem optimalen Spannungsniveau basierend auf deren Lasten und zum Einstellen, Überwachen und Regulieren der Temperatur zum Betrieb jeder Komponente bereit.
Durch Bereitstellen mehrerer Spannungssollwerte für jede Fahrzeugkomponente am Gleichspannungswandler stellt das Elektrizitätsoptimierungssystem der vorliegenden Offenbarung ohne Verwendung eines Aufwärts- oder Abwärtsmechanismus die optimale Spannung für jede Komponente bereit. Der Gleichspannungswandler ist eine effizientere Quelle zum Steuern des Leistungsausgabe für jede Komponente. Der Gleichspannungswandler kann die optimale Spannung durch die Spannungssollwerte direkt an jede Komponente senden. Weiterhin, weil die gesamte Leistung durch den Gleichspannungswandler an die verschiedenen Komponenten ausgegeben wird, kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, die optimale Leistungsausgabe für den Generator zu bestimmen. Insbesondere, anstatt dass der Generator dazu ausgelegt ist, eine Standardspannung und einen Standardstrom auszugeben, kann der Gleichspannungswandler bestimmen, dass für ein bestimmtes System die optimale Ausgabe höher oder niedriger sein kann, so dass die Leistung effizienter an jede der Komponenten ausgegeben werden kann. Solch eine Konfiguration ermöglicht es dem Elektrizitätsoptimierungssystem, die verschiedenen Komponenten des Fahrzeugs effizient zu versorgen.
In einer Ausführungsform enthält das Elektrizitätsoptimierungssystem und -verfahren das Erhöhen der Anzahl von Spannungssollwerten im Fahrzeug zum Maximieren der Effizienz des Leistungsverbrauchs. Die Spannungssollwerte stellen ein optimiertes Spannungsniveau bereit, auf dem die angeschlossene Komponente arbeiten sollte. Das Erhöhen der Anzahl der Spannungssollwerte im Fahrzeug stellt ein optimiertes Spannungsniveau für mehrere Komponenten bereit und ermöglicht es dem Elektrizitätsmanagementsystem, Leistung zu verteilen, um jede Komponente in der leistungseffizientesten Weise zu betreiben.
Wie in 1 dargestellt, enthält das Elektrizitätsoptimierungssystem 100 in dieser Ausführungsform einen Generator 102, eine Hochleistungsspeichervorrichtung 104, einen Gleichspannungswandler 106 mit mehreren Spannungssollwerten 108a, 108b, 108c, 108d, und eine Hochenergiespeichervorrichtung 110.
Der Generator 102 erzeugt Leistung für verschiedene Lasten in dem Fahrzeug. Eine Last bezieht sich auf ein System oder eine Komponente in dem Fahrzeug, das/die Strom zieht. Ein Fahrzeug enthält verschiedene Hochleistungslasten 114 und Lasten niedrigerer Leistung 116. In bestimmten Ausführungsformen kann dieser Generator 102 eine Lichtmaschine oder ein Solarpanel oder eine andere Maschine sein, die Elektrizität produziert. In bestimmten Ausführungsformen kann der Generator auch in Umkehrung als ein Motor arbeiten, um die Kraftmaschine zu starten oder das Fahrzeug zu bewegen. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine elektrische 12-Volt-Standardstruktur des Fahrzeugs durch einen Generator 102 ersetzt, der mit 19 Volt arbeitet. Der Generator 102 ist mit der Hochleistungsspeichervorrichtung 104 verbunden.
Die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 empfängt und speichert die Spannungsausgabe des Generators und reguliert die Ausgabespannung vom Generator 102, um jegliche Transienten in der Energieerzeugung des Fahrzeugs zu entfernen. In bestimmten Ausführungsformen ist diese Hochleistungsspeichervorrichtung 104 eine Batterie. In bestimmten Ausführungsformen ist die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 ein Kondensator. In bestimmten Ausführungsformen ist die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 in der Lage, bis zu 20 Volt zu empfangen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 mit verschiedenen Steuerungen 112 verbunden, die die Hochleistungslasten 114 des Fahrzeugs mit der Hochleistungsspeichervorrichtung 104 verbinden. Durch diese Steuerungen 112 stellt die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 den Hochleistungslasten 114 Leistung hoher Spannung zur Verfügung. Zum Beispiel erfordern Hochleistungslasten 114, wie etwa elektrische Kompressoren, elektrische Heizungen, Servolenkungssysteme und elektrische Pumpen hohe Leistungsausgaben von der Hochleistungsspeichervorrichtung 104.
Die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 kann auch verwendet werden, um verschiedene Komponenten in dem Fahrzeug zu versorgen, die keine hohe Leistung erfordern. Insbesondere ist, in diesem Ausführungsbeispiel, die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 ebenfalls mit einem Gleichspannungswandler 106 verbunden. Ein Gleichspannungswandler 106 kann verwendet werden, um eine hohe Spannung von einer Hochspannungsleistungsquelle in eine niedrige Spannung für andere Fahrzeugkomponenten umzuwandeln, wie etwa die Lasten niedrigerer Leistung 116. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Spannung von der Hochleistungsspeichervorrichtung 104 über einen Gleichspannungswandler 106 an die Lasten niedrigerer Leistung 116 für derartige Fahrzeugkomponenten verteilt.
In diesem Ausführungsbeispiel enthält der Gleichspannungswandler mehrere Spannungssollwerte 108a, 108b, 108c, 108d im Fahrzeug. Durch Erhöhen der Anzahl der Spannungssollwerte 108a, 108b, 108c, 108d in einem Fahrzeug optimiert das Elektrizitätsoptimierungssystem 100 die Verteilung von Leistung an diese Komponenten niedrigerer Leistung 116. Insbesondere ist der Gleichspannungswandler 106 mit verschiedenen Lasten 116 im Fahrzeug verbunden und der Gleichspannungswandler 106 enthält verschiedene Spannungssollwerte 108 für jede Komponente. Jeder Spannungssollwert 108 ist auf die optimale Spannung für die Komponente eingestellt.
Der Gleichspannungswandler 106 enthält eine Steuerung 120 zum Versorgen der einzelnen Lasten mit der effizientesten Spannung im Fahrzeug. Insbesondere stellt 1B ein auseinandergezogenes Blockdiagramm des Gleichspannungswandlers 106 dar. Wie in 1B dargestellt, enthält der Gleichspannungswandler 106 eine Steuerung 120 mit mindestens einem Prozessor 122, der mit einem Hauptspeicher 124 in Kommunikation steht, der einen Satz von Anweisungen 126 speichert. Der Prozessor 122 ist dazu ausgelegt, mit dem Hauptspeicher 124 zu kommunizieren, auf den Satz von Anweisungen 126 zuzugreifen, und den Satz von Anweisungen 126 auszuführen, um zu bewirken, dass der Gleichspannungswandler jegliche der hier beschriebenen Verfahren, Prozesse und Merkmale ausführt.
Der Prozessor 122 kann jegliche(r) geeignete Verarbeitungsvorrichtung oder Satz von Verarbeitungsvorrichtungen sein, wie etwa unter anderem: ein Mikroprozessor, eine Plattform auf Mikrocontrollerbasis, eine geeignete integrierte Schaltung, oder eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs). Der Hauptspeicher 124 kann jegliche geeignete Speichervorrichtung sein, wie etwa unter anderem: flüchtiger Speicher (z. B. RAM, der nicht flüchtigen RAM, magnetischen RAM, ferroelektrischen RAM und jegliche anderen geeigneten Formen enthalten kann); nicht flüchtiger Speicher (z. B. Plattenspeicher, FLASH-Speicher, EPROMs, EEPROMs, nicht flüchtiger Festkörperspeicher auf Memristorbasis usw.); unveränderlicher Speicher (z. B. EPROMs); oder Nur-Lese-Speicher.
In einer Ausführungsform ist der Prozessor 122 dazu ausgelegt, mit dem Speicher 124 zu kommunizieren, auf den Satz von Anweisungen 126 zuzugreifen, und den Satz von Anweisungen 126 auszuführen, um zu bewirken, dass der Gleichspannungswandler die einzelnen Lasten bestimmt und mit der effizientesten Spannung versorgt. In dieser Ausführungsform speichert der Speicher 124 Informationen bezüglich der optimalen Spannung für verschiedene Komponenten des Fahrzeugs, und der Speicher 124 speichert Anweisungen 126 zum Steuern der Leistung an jede der Komponenten zum Maximieren der Effizienz und Optimieren der Leistungsverteilung.
Wie oben beschrieben, enthält der Gleichspannungswandler 106 des Elektrizitätsoptimierungssystems 100 mehrere Spannungssollwerte, die einzelne Lasten des Fahrzeugs versorgen. In dieser Ausführungsform empfängt der Gleichspannungswandler 106 Befehle von einem Fahrzeugsteuersystem (wie etwa dem in Verbindung mit 2 unten beschriebenen Fahrzeugsteuersystem 200), um verschiedene Komponenten im Fahrzeug zu versorgen. Die Steuerung 120 des Gleichspannungswandlers registriert die Befehle vom Fahrzeugsteuersystem und die Steuerung 120 stellt Leistung mit dem optimalen Spannungsniveau für das geeignete Fahrzeugsystem und/oder die geeignete Komponente bereit.
Wieder Bezug nehmend auf 1, ist der Gleichspannungswandler 106 ebenfalls mit der Hochenergiespeichervorrichtung 110 des Fahrzeugs verbunden. Die Hochenergiequelle 110 kann ein Kondensator oder eine Batterie im Fahrzeug sein. Somit kann der Gleichspannungswandler Leistung von beiden ziehen.
Der Gleichspannungswandler 106 lädt auch die Hochleistungsspeichervorrichtung wieder auf, wenn dies für den Betrieb erforderlich ist. Insbesondere sind in bestimmten Ausführungsformen die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 und die Hochenergiespeichervorrichtung 110 dazu ausgelegt, einander zu laden und/oder zu entladen. Sowohl die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 als auch die Hochenergiespeichervorrichtung können Kondensatoren oder Batterien sein, die dazu ausgelegt sind, aufzuladen, Leistung zu speichern, Leistung zu entladen usw. In bestimmten Ausführungsformen ist die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 jedoch eine teurere, häufig größere Vorrichtung als die Hochenergiespeichervorrichtung 110. Die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 soll keine Ladung halten und aufrechterhalten, weil dies teuer und verschwenderisch wäre. Von daher ist es bei bestimmten Ausführungsformen kostengünstiger und effizienter, dass die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 Leistung von der Hochenergiespeichervorrichtung 110 erhält, um die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 bei einer minimalen Betriebslast aufzuladen.
Zum Beispiel zieht die Kraftmaschine beim Starten des Fahrzeugs Leistung von der Hochleistungsspeichervorrichtung 104. In diesem Beispiel, anstatt dass die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 vor dem Starten des Fahrzeugs vollständig geladen ist, lädt die Hochenergiespeichervorrichtung 110 die Hochleistungsspeichervorrichtung 104, um die für das Starten des Fahrzeugs benötigte Leistung bereitzustellen. Zum Beispiel enthalten bestehende Diesellastkraftwagenstartsysteme zwei Blei-Säure-Batterien, um ausreichend Leistung zum Starten des Lastkraftwagens bereitzustellen. Eine der Batterien wird genutzt, um die andere Batterie zu laden, um sicherzustellen, dass ausreichend Leistung zum Starten des Lastkraftwagens vorhanden ist. Nach dem Starten wird diese zweite Batterie für keinen anderen Zweck genutzt. Anstatt zwei Batterien zum Starten des Lastkraftwagens zu verwenden, stellt das Elektrizitätsoptimierungssystem 100 die Hochenergiespeichervorrichtung 110 bereit, die die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 mit ausreichend Leistung lädt, um den Lastkraftwagen zu starten. In diesem Beispiel fährt die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 nach dem Starten des Fahrzeugs mit dem Versorgen anderer Hochleistungslasten fort.
In bestimmten alternativen Ausführungsformen lädt die Hochenergiespeichervorrichtung 110 nicht die Hochleistungsspeichervorrichtung 104, sondern das Elektrizitätsoptimierungssystem 100 arbeitet in Umkehrung. Insbesondere lädt in bestimmten Ausführungsformen die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 die Hochenergiespeichervorrichtung für bestimmte Vorgänge. Ein Beispiel ist zum Rekuperationsbremsen. In diesem Beispiel sollte das Fahrzeug beim Verlangsamen so viel Energie wie möglich rückgewinnen. In diesem Ausführungsbeispiel würde die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 so viel Energie wie möglich rückgewinnen und dann den Überschuss in die Hochenergiespeichervorrichtung 110 entladen, so dass die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 fortfahren kann, die Last vom Bremssystem zu laden und zu steuern.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Hochleistungsspeichervorrichtung 104 ein großer Kondensator sein, oder eine Batterie wie etwa eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Blei-Säure-Batterie, die mit dünneren Platten modifiziert ist, die für ihre spezielle Nutzung konzipiert sind. In bestimmten Ausführungsformen kann die Hochenergiespeichervorrichtung 110 ein kleinerer Kondensator sein, oder eine Batterie wie etwa eine Blei-Säure-Batterie oder eine Lithium-Ionen-Batterie, die mit dickeren Platten modifiziert ist, die für die Energiespeichervorrichtung optimiert sind. Solch eine Konfiguration bietet ein(e) effizientere(s) Verteilung von Leistung und Management von Elektrizität.
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung optimiert der Gleichspannungswandler 106 des Elektrizitätsoptimierungssystems 100 auch die Elektrizitätserzeugung eines Fahrzeugs durch Überwachen und Steuern der Temperatur von jeder Komponente, die in ihrem Betrieb von der Temperatur beeinflusst wird. Insbesondere ist in dieser Ausführungsform das Elektrizitätsoptimierungssystem 100 ferner dazu ausgelegt, die Temperatur der Komponenten in einem Fahrzeug durch Steuern einer Heizung (nicht gezeigt) und einer Klimaanlage (nicht gezeigt) des Fahrzeugs zu steuern. In dieser Ausführungsform enthält der Gleichspannungswandler 106 ein Temperatursteuermodul 130.
Wie in 1B dargestellt, steht das Temperatursteuermodul 130 in Kommunikation mit der Steuerung 120 des Gleichspannungswandlers 106. In dieser Ausführungsform enthält der Gleichspannungswandler 106 eine Steuerung 120, die dazu ausgelegt ist, Heizungen und Lüftungen einzuschalten, um die Temperatur im Fahrzeug, Batterien im Fahrzeug, Kondensatoren, die Kraftmaschine und andere Komponenten zu steuern, um den Betrieb des Fahrzeugs durch Steuern der Temperatur der Komponente zu verbessern. Insbesondere enthält das Temperatursteuermodul 130 einen oder mehrere Sensoren 132 zum Überwachen der Temperatur von verschiedenen Komponenten im Fahrzeug. Das Temperatursteuermodul 130 enthält ferner einen Wärmeausgabe 134 und eine Wechselstromausgabe 136.
In dieser Ausführungsform nutzt das Elektrizitätsoptimierungssystem 100 die Sensoren 132, um die Temperatur von verschiedenen Komponenten im Fahrzeug zu detektieren und die Temperaturinformation bei der Steuerung 120 zu registrieren. In bestimmten Ausführungsformen bewirkt die Steuerung 120, dass der Prozessor 122 die mehreren Anweisungen 126 im Speicher 124 ausführt, um die Temperatur der Komponenten in einem Fahrzeug durch Steuern einer Klimaanlage (nicht gezeigt) des Fahrzeugs zu verringern. In bestimmten Ausführungsformen bewirkt die Steuerung 120, dass der Prozessor 122 die mehreren Anweisungen 126 im Speicher 124 ausführt, um die Temperatur von bestimmten Komponenten im Fahrzeug durch Steuern einer Heizung (nicht gezeigt) im Fahrzeug aufzuwärmen.
In einer weiteren Ausführungsform verteilt der Gleichspannungswandler 106 Leistung von der Hochleistungsspeichervorrichtung 104 und der Hochenergiespeichervorrichtung 110, um die Temperatur der verschiedenen Fahrzeugkomponenten zu steuern. Insbesondere bewirkt die Steuerung 120 des Gleichspannungswandlers 106 in einer Ausführungsform, dass der Prozessor 122 mehrere im Speicher 124 gespeicherte Anweisungen 126 ausführt, um die in der Hochleistungsspeichervorrichtung 104 und der Hochenergiespeichervorrichtung 110 verfügbare Energie zu berechnen. In dieser Ausführungsform kann der Gleichspannungswandler, am Ende jedes Zyklus, die erforderliche Leistung zum Laden der Hochleistungsspeichervorrichtung für den nächsten Zyklus bestimmen. Der Gleichspannungswandler 106 nimmt die Berechnung der verfügbaren Energie von den beiden Quellen und nutzt einen Teil der Energie zum Starten der Kraftmaschine und sendet die andere Energie zum Aufwärmen des Fahrzeugs, der Batterie oder der Kraftmaschine zum Verbessern der Leistung des Fahrzeugs. Die Wärme vom Gleichspannungswandler 106 und dem Generator 102 kann zum Rest des Fahrzeugs gesendet werden, um die Komponenten im Gleichspannungswandler 106 zu kühlen und den Betrieb zu verbessern.
Dementsprechend verteilt das Elektrizitätsoptimierungssystem durch solch eine Konfiguration die während des Ladens und/oder Startens des Systems erzeugte Wärme neu an die verschiedenen Fahrzeugkomponenten, um deren Leistung zu erhöhen.
Es versteht sich, dass in bestimmten Ausführungsformen das System so eingestellt sein kann, dass es andere Energieerzeuger, einschließlich hydraulischer Pumpen, Luftkompressoren, Wasserpumpen oder die Systeme, die Energie erzeugen und diese in Leistungslasten im Fahrzeug oder Gebäude speichern, enthält. Insbesondere die oben beschriebenen Ausführungsformen im Zusammenhang mit dem Management von elektrischer Energie, die vom Generator erzeugt wird. In bestimmten alternativen Ausführungsformen kann ein ähnliches System, das eine teure Hochleistungsspeichervorrichtung und eine preisgünstige Hochenergiespeichervorrichtung und einen Wandler enthält, genutzt werden, um andere Arten der Erzeugung zu steuern und zu optimieren. In bestimmten Ausführungsformen kann der Generator auch als ein Motor arbeiten, um das Fahrzeug bei Bedarf anzutreiben.
Es versteht sich, dass das Elektrizitätsoptimierungssystem der vorliegenden Offenbarung auch für das Elektrizitätsmanagement in anderen Vorrichtungen genutzt werden kann, die nicht im Zusammenhang mit einem Fahrzeug und/oder mit Gebäudeelektrizitätsmanagement stehen.
2 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugsteuersystems (VCS – Vehicle Control System) 200 dar, das in einem Fahrzeug enthalten sein kann, um das Verfahren 300 (unten in Verbindung mit 3 beschrieben) zum Betreiben des Elektrizitätsoptimierungssystems 208 der vorliegenden Offenbarung auszuführen. Das VCS 200 enthält verschiedene elektronische Steuereinheiten (ECUs – Electronic Control Units), die für das Überwachen und Steuern der elektrischen Systeme oder Untersysteme des Fahrzeugs zuständig sind, wie unten ausführlicher beschrieben. Jede ECU enthält verschiedenen Komponenten, die elektrische Leistung benötigen, um zu funktionieren. Dieses Ausführungsbeispiel eines VCS 200 enthält ein Ausführungsbeispiel des Elektrizitätsoptimierungssystems (EOS – Electricity Optimization System) 208 der vorliegenden Offenbarung. Andere Ausführungsformen des EOS 208 können andere, weniger oder zusätzliche Komponenten als die unten beschriebenen und in 2 gezeigten enthalten.
Wie in 2 gezeigt, kann das VCS 200 einen Datenprozessor 202 enthalten, der in Kommunikation mit einem Speicher 204 (hier auch bezeichnet als eine Datenspeichervorrichtung) und einem Fahrzeugdatenbus 206 steht. Der Speicher 204 speichert einen Satz von Anweisungen. Der Prozessor 202 ist dazu ausgelegt, mit dem Speicher 204 zu kommunizieren, auf den Satz von Anweisungen zuzugreifen, und den Satz von Anweisungen auszuführen, um zu bewirken, dass das Elektrizitätsoptimierungssystem eines/einen der hier beschriebenen Verfahren, Prozesse und Merkmale ausführt.
Der Prozessor 202 kann jegliche(r) geeignete Verarbeitungsvorrichtung oder Satz von Verarbeitungsvorrichtungen sein, wie etwa unter anderem: ein Mikroprozessor, eine Plattform auf Mikrocontrollerbasis, eine geeignete integrierte Schaltung, oder eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs). Der Speicher 204 kann jegliche geeignete Speichervorrichtung sein, wie etwa unter anderem: flüchtiger Speicher (z. B. RAM, der nicht flüchtigen RAM, magnetischen RAM, ferroelektrischen RAM und jegliche anderen geeigneten Formen umfassen kann); nicht flüchtiger Speicher (z. B. Plattenspeicher, FLASH-Speicher, EPROMs, EEPROMs, nicht flüchtiger Festkörperspeicher auf Memristorbasis usw.); unveränderlicher Speicher (z. B. EPROMs); oder Nur-Lese-Speicher.
In Ausführungsformen kann das VCS 200 einen Allzweckcomputer umfassen, der mit verschiedenen Programmieranweisungen oder in der Datenspeichervorrichtung 204 (z. B. elektronischer Speicher) oder woanders gespeicherten Modulen programmiert ist. Das VCS 200 enthält ferner verschiedene elektronische Steuereinheiten (ECUs), die für das Überwachen und Steuern der elektrischen Systeme oder Untersysteme des Fahrzeugs zuständig sind. Jede ECU kann beispielsweise einen oder mehrere Eingänge und Ausgänge zum Sammeln, Empfangen und/oder Übertragen von Daten, einen Speicher zum Speichern der Daten und einen Prozessor zum Verarbeiten der Daten und/oder Erzeugen neuer darauf basierten Informationen enthalten. In der dargestellten Ausführungsform enthalten die ECUs des VCS 200 ein Elektrizitätsoptimierungssystem (EOS) 208, eine Telematiksteuereinheit (TCM) 210, ein Karosseriesteuermodul (BCM) 212, eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) 214, ein Antriebsstrangsteuermodul (PCM) 216 und verschiedene andere ECUs 206.
Die ECUs des VCS 200 können durch den Fahrzeugbus 206 (wie z. B. einen Controller Area Network(CAN)-Bus) miteinander verbunden sein, der Daten zu und von den verschiedenen ECUs sowie anderen Fahrzeug- und/oder Zusatzkomponenten, die mit dem VCS 200 in Kommunikation stehen, leitet. Ferner kann der Datenprozessor 202 mit jeder der ECUs und der Datenspeichervorrichtung 204 über den Datenbus 206 kommunizieren, um eine oder mehrere Funktionen auszuführen, einschließlich der Funktionen im Zusammenhang mit hier beschriebenen Verfahren.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Elektrizitätsoptimierungssystem (EOS) 208 eine ECU, die dazu ausgelegt ist, elektrische Leistung, die an verschiedene Komponenten des Fahrzeugs verteilt wird, zu steuern und zu überwachen, und die Temperatur der verschiedenen Komponenten des Fahrzeugs zu überwachen und zu steuern. Ein Ausführungsbeispiel des EOS 208 ist das in Verbindung mit 1 beschriebene System 100. In diesem Ausführungsbeispiel enthält das EOS 208 einen Prozessor 220, in Kommunikation mit einem Speicher 222, der mehrere Anweisungen 224 speichert, ähnlich wie der Prozessor 202 und Speicher 204 des Fahrzeugsteuersystems 200 wie oben beschrieben. Dieser Prozessor 220 und Speicher 204 können in einem Gleichspannungswandler wie dem Gleichspannungswandler 106 des EOS-Systems 100 in Verbindung mit 1 enthalten sein, das einen Prozessor 122 und einen Speicher 124 enthält.
In einigen Ausführungsformen ist das EOS 208 eine separate, eigenständige ECU, die über den Fahrzeugbus 206 mit dem BCM 212, dem PCM 216, der TCU 210 und anderen ECUs des Fahrzeugs verbunden ist, um die Elektrizitätsoptimierungsvorgänge auszuführen. Insbesondere wandelt das EOS 208 eine Quelle von Gleichstrom (DC –Direct Current) von einem Spannungsniveau in ein niedrigeres Spannungsniveau um und verteilt Leistung an verschiedene Komponenten im VCS 200. Das EOS 208 kann zum Beispiel Befehle vom VCS-Prozessor 202 empfangen, um Leistung für eine bestimmte Komponente bereitzustellen. Das EOS 208 verarbeitet die Befehle, um die geeignete ECU für das Ausführen des Befehls zu identifizieren, und stellt das geeignete Leistungsniveau für die geeignete Komponente der geeigneten ECU bereit. In anderen Ausführungsformen kann das EOS 208 mehrere Segmente umfassen, die in verschiedene ECUs des VCS 200 integriert sind, wie zum Beispiel dem BCM 212, dem PCM 216 und/oder der TCU 210, um die bei jedem ECU empfangenen EOS-Befehle (zum Beispiel zum Versorgen bestimmter Komponenten) zu verarbeiten. In noch anderen Ausführungsformen kann das EOS 208 in einer ECU enthalten sein, wie z. B. der TCU 210, um Komponenten der TCU 210 zu versorgen.
Das Karosseriesteuermodul (BCM) 212 ist eine ECU zum Steuern und Überwachen verschiedener elektronischer Zubehörteile in einer Karosserie des Fahrzeugs. In Ausführungsformen ist das BCM 212 eine ECU, die die Türen des Fahrzeugs steuert, einschließlich Verriegeln, Entriegeln, Öffnen und/oder Schließen der Türen. In einigen Ausführungsformen steuert das BCM 212 auch die elektrischen Fenster, das elektrische Dach (z. B. Schiebedach, Sonnendach, Cabrioverdeck usw.) und die Innenraumbeleuchtung des Fahrzeugs. Das BCM 212 kann auch andere elektronisch angetriebene Komponenten in der Karosserie des Fahrzeugs steuern, wie zum Beispiel Klimaanlageneinheiten, elektrisch verstellbare Spiegel und elektrisch verstellbare Sitze. In Fällen, in denen das BCM 212 nur die Türen des Fahrzeugs steuert und überwacht, kann das BCM 212 als die Türsteuereinheit (DCU – Door Control Unit) bezeichnet werden, wie zu erkennen sein wird. Das BCM 212 kann dazu ausgelegt sein, von der EOS 208 empfangene Befehle, die auf die vom BCM 212 gesteuerten Türen, Fenstern oder andere Karosseriekomponenten bezogen sind, umzusetzen.
Das Antriebsstrangsteuermodul (PCM) 216 ist eine ECU zum Steuern und Überwachen der Kraftmaschine und des Getriebes des Fahrzeugs. In einigen Ausführungsformen kann das PCM 216 in zwei separate ECUs, speziell eine Kraftmaschinensteuereinheit und eine Getriebesteuereinheit, aufgeteilt sein. In beiden Fällen kann das PCM 216 dazu ausgelegt sein, das Starten und Stoppen der Kraftmaschine des Fahrzeugs zu steuern, und kann von der EOS 208 empfangene Befehle zum Starten der Kraftmaschine umsetzen.
Die Telematiksteuereinheit (TCU – Telematics Control Unit) 210 ist eine ECU, die das Fahrzeug in die Lage versetzt, sich mit verschiedenen drahtlosen Netzwerken zu verbinden, einschließlich, zum Beispiel ADSA, GPS, WiFi, Mobilfunk, Bluetooth, NFC, RFID, Satellit und/oder Infrarot. In Ausführungsformen enthält die TCU 210 (auch als „Fahrzeugtelematikeinheit“ bezeichnet) ein Modul zur kabellosen Kommunikation 218, das eine oder mehrere Antennen, Funkgeräte, Modems, Empfänger und/oder Sender (nicht gezeigt) für die Verbindung mit den verschiedenen drahtlosen Netzwerken umfasst. Beispielsweise kann das Modul zur kabellosen Kommunikation 218 eine Mobilfunkeinheit (nicht gezeigt) für drahtlose Kommunikation über ein Mobilfunknetz (z. B. GSM, GPRS, LTE, 3G, 4G, CDMA usw.), ein 802.11-Netzwerk (z. B. WiFi), ein WiMax-Netzwerk und/oder ein Satellitennetzwerk enthalten. Die TCU 210 kann auch dazu ausgelegt sein, die Verfolgung des Fahrzeugs mithilfe von Breiten- und Längenwerten, die von einem GPS-Satellit erhalten werden, zu steuern. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Modul zur kabellosen Kommunikation 218 einen Bluetooth- oder anderen Kurzstreckenempfänger (nicht gezeigt) zum Empfangen von Fahrzeugbefehlen und/oder vom EOS 208 empfangenen Daten, und einen Bluetooth- oder anderen Kurzstreckensender (nicht gezeigt) zum Senden von Daten zum EOS 208.
In Ausführungsformen empfängt die TCU 210 externe Daten über das Modul zur kabellosen Kommunikation 218 und liefert die externen Daten an eine geeignete ECU des VCS 200. Wenn die TCU 210 zum Beispiel einen Außenleuchtenausschaltbefehl von einem Bediener empfängt, sendet die TCU 210 den Befehl über den Fahrzeugbus 206 an das BCM 212. Gleichermaßen sendet die TCU 210 den Befehl über den Fahrzeugbus 206 zum PCM 216, wenn die TCU 210 einen Kraftmaschinenstartbefehl empfängt. In einigen Ausführungsformen empfängt die TCU 210 auch interne Daten von anderen ECUs des VCS 200 und/oder dem Datenprozessor 202 mit Anweisungen, die internen Daten zum Fahrzeug oder einer anderen Komponente des Charakterisierungssystems des schlüssellosen Fernbedienungssystems (RKS – Remote Keyless System) der vorliegenden Offenbarung zu senden.
Die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI – Human-Machine Interface) 214 (auch als eine „Bedienerschnittstelle“ bezeichnet) kann eine ECU sein, um eine Bedienerinteraktion mit dem Fahrzeug zu ermöglichen und dem Bediener oder Fahrer des Fahrzeugs Fahrzeuginformationen darzustellen. Obwohl nicht gezeigt, kann die HMI 214 eine Instrumententafel (IP – Instrument Panel), einen Medienanzeigebildschirm sowie eine oder mehrere Eingabevorrichtungen und/oder Ausgabevorrichtungen zum Einspeisen, Eingeben, Empfangen, Erfassen, Anzeigen oder Ausgeben von Daten umfassen, die mit dem Fahrzeugsteuersystem 200, dem in 1 gezeigten Verfahren 100 oder den hier offenbarten Techniken verbunden sind. Die HMI 214 kann dazu ausgelegt sein, über den Datenbus 206 mit den anderen ECUs des VCS 200 und/oder dem Datenprozessor 202 zu interagieren, um über die HMI 214 empfangene Informationen oder Eingaben an eine entsprechende Komponente des VCS 200 zu liefern und dem Bediener oder Fahrer des Fahrzeugs von den verschiedenen Komponenten des VCS 200 empfangene Interaktionen oder Ausgaben darzustellen.
Jegliche Prozessbeschreibungen oder Blöcke in den Figuren sollten so verstanden werden, dass sie Module, Segmente oder Teile von Code darstellen, die eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zum Umsetzen spezifischer logischer Funktionen oder Schritte im Prozess enthalten, und im Schutzbereich der hier beschriebenen Ausführungsformen sind alternative Umsetzungen enthalten, bei denen Funktionen in einer anderen als der hier gezeigten oder erörterten Reihenfolge ausgeführt werden können, einschließlich im Wesentlichen zeitgleich oder in umgekehrter Reihenfolge, abhängig von der jeweiligen Funktionalität, wie diese von Durchschnittsfachleuten verstanden würde.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere „bevorzugte“ Ausführungsformen, sind mögliche Beispiele für Implementierungen und werden lediglich zum eindeutigen Verständnis der Prinzipien der Erfindung dargelegt. An den/der oben beschriebenen Ausführungsform(en) können viele Variationen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne dabei wesentlich vom Geist und von den Prinzipien der hier beschriebenen Techniken abzuweichen. Alle Modifikationen sollen hier im Schutzbereich dieser Offenbarung eingeschlossen und durch die folgenden Ansprüche geschützt sein.

Claims

Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem, das Folgendes umfasst: einen Gleichspannungswandler, der dazu ausgelegt ist: Leistung von einer Hochleistungsspeichervorrichtung und einer Hochenergiespeichervorrichtung zu ziehen, und Leistung an jede von mehreren Fahrzeugkomponenten durch einen von mehreren Spannungssollwerten zu verteilen, wobei die Spannungssollwerte basierend auf einer optimalen Betriebsspannung jeder Komponente bestimmt werden.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 1, das ferner einen Generator umfasst, der dazu ausgelegt ist, Leistung an die Hochleistungsspeichervorrichtung auszugeben.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 1, wobei der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt ist, Ausgabeleistung von der Hochleistungsspeichervorrichtung in niedrigere Leistung für die mehreren Fahrzeugkomponenten umzuwandeln.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 1, wobei der Gleichspannungswandler ferner dazu ausgelegt ist, die von der Hochleistungsspeichervorrichtung und der Hochenergiespeichervorrichtung gezogene Leistung zu verteilen, um eine Fahrzeugkraftmaschine zu starten und die Temperatur von anderen Fahrzeugkomponenten zu steuern.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 1, wobei der Gleichspannungswandler ferner ein Temperaturmodul enthält, das dazu ausgelegt ist, eine Temperatur von jeder der Komponenten zu überwachen.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 5, wobei das Temperaturmodul in Kommunikation mit dem Fahrzeugkühl- und -heizsystem steht und das Temperaturmodul ferner dazu ausgelegt ist, das Fahrzeugkühl- und -heizsystem zu nutzen, um die Temperatur von verschiedenen Fahrzeugkomponenten zu steuern.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 1, wobei die Hochleistungsspeichervorrichtung in Kommunikation mit verschiedenen Steuerungen steht, die in Kommunikation mit verschiedenen Hochleistungslasten stehen.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 2, wobei der Generator ein Element aus der Gruppeenthält, die aus folgenden Elementen besteht: (a) einer Lichtmaschine, (b) einem Solarpanel, (c) einer hydraulischen Pumpe, (d) einem Luftkompressor und (e) einer Wasserpumpe.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 1, wobei die Hochleistungsspeichervorrichtung ein Element aus der Gruppe ist, die aus folgenden Elementen besteht: (a) einer Batterie und (b) einem Kondensator.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 1, wobei die Hochenergiespeichervorrichtung ein Element aus der Gruppe ist, die aus folgenden Elementen besteht: (a) einer Batterie und (b) einem Kondensator.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem, das Folgendes umfasst: einen Gleichspannungswandler, der dazu ausgelegt ist: Leistung von einer Hochleistungsspeichervorrichtung und einer Hochenergiespeichervorrichtung zu ziehen, Leistung an jede von mehreren Fahrzeugkomponenten durch einen von mehreren Spannungssollwerten zu verteilen, wobei die Spannungssollwerte basierend auf einer optimalen Betriebsspannung jeder Komponente bestimmt werden, und Steuern einer Temperatur von jeder Fahrzeugkomponente.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 11, das ferner einen Generator umfasst, der dazu ausgelegt ist, Leistung an die Hochleistungsspeichervorrichtung auszugeben.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 11, wobei der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt ist, Ausgabeleistung von der Hochleistungsspeichervorrichtung in niedrigere Leistung für die mehreren Fahrzeugkomponenten umzuwandeln.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 11, wobei der Gleichspannungswandler ferner dazu ausgelegt ist, die von der Hochleistungsspeichervorrichtung und der Hochenergiespeichervorrichtung gezogene Leistung zu verteilen, um eine Fahrzeugkraftmaschine zu starten und die Temperatur von anderen Fahrzeugkomponenten zu steuern.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 11, wobei der Gleichspannungswandler ferner ein Temperaturmodul enthält, das dazu ausgelegt ist, eine Temperatur von jeder der Komponenten zu überwachen.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 15, wobei das Temperaturmodul in Kommunikation mit dem Fahrzeugkühl- und -heizsystem steht und das Temperaturmodul ferner dazu ausgelegt ist, das Fahrzeugkühl- und -heizsystem zu nutzen, um die Temperatur von verschiedenen Fahrzeugkomponenten zu steuern.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 11, wobei die Hochleistungsspeichervorrichtung in Kommunikation mit verschiedenen Steuerungen steht, die in Kommunikation mit verschiedenen Hochleistungslasten stehen.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 12, wobei der Generator eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe enthält, die aus folgenden Elementen besteht: (a) einer Lichtmaschine, (b) einem Solarpanel, (c) einer hydraulischen Pumpe, (d) einem Luftkompressor und (e) einer Wasserpumpe.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 11, wobei die Hochleistungsspeichervorrichtung ein Element aus der Gruppe ist, die aus folgenden Elementen besteht: (a) einer Batterie und (b) einem Kondensator.
Fahrzeugelektrizitätsoptimierungssystem nach Anspruch 11, wobei die Hochenergiespeichervorrichtung ein Element aus der Gruppe ist, die aus folgenden Elementen besteht: (a) einer Batterie und (b) einem Kondensator.