DE102017206209A1

DE102017206209A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs mit Elektroantrieb

Info

Publication number: DE102017206209A1
Application number: DE102017206209.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Bürger; Christoph Hildebrandt; Thomas Salcher
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebssystems für ein Hybridfahrzeug, wobei das Hybridantriebssystem einen durch einen elektrischen Energiespeicher versorgten Elektromotor und einen Verbrennungsmotor aufweist, mit folgenden Schritten:- Durchführen einer ersten Optimierung abhängig von einem Verlauf von benötigter Antriebsleistung über eine bereitgestellte vorausliegende Fahrstrecke gemäß einem ersten Rechenraster, um einen ersten Soll-Energiebedarfsverlauf über die vorausliegende Fahrstrecke zu erhalten;- Durchführen einer zweiten Optimierung über eine vorausliegende Wegstrecke, die gleich oder kürzer ist als die vorausliegende Fahrstrecke, gemäß einem zweiten kürzeren Rechenraster, wobei die zweite Optimierung abhängig von einer Energiezuweisung für die vorausliegende Wegstrecke (W), die sich aus dem ersten Soll-Energiebedarfsverlauf ergibt, durchgeführt wird, um einen zweiten Soll-Energiebedarfsverlauf über die vorausliegende Wegstrecke zu erhalten;- Betreiben des Hybridantriebssystems basierend auf einer Lastaufteilung, die sich abhängig von dem zweiten Soll-Energiebedarfsverlauf über die vorausliegende Wegstrecke ergibt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Hybridfahrzeuge, und insbesondere Strategien zum vorausschauenden Betreiben von Hybridfahrzeugen mithilfe eines Energiemanagements.
Technischer Hintergrund
Hybridfahrzeuge weisen ein Hybridantriebssystem auf, das häufig einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor aufweist, die zum Fahrbetrieb gemeinsam ein Antriebsmoment bereitstellen. Der Betrieb von Hybridantriebssystemen weist einen Freiheitsgrad auf, der eine Lastverteilung zwischen den durch den Verbrennungsmotor und durch den Elektromotor bereitzustellenden Teilantriebsmomenten angibt. Diese Lastverteilung ist für den Kraftstoffverbrauch und den Verbrauch elektrischer Energie maßgeblich.
Basierend auf einem Fahrstreckenprofil einer vorausliegenden Fahrstrecke eines Kraftfahrzeugs kann der Verlauf des Leistungsbedarfs zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs ermittelt werden. Dazu sind vielfältige Verfahren bekannt, die prädiktiv den Verbrauch elektrischer Energie über die zu fahrende Fahrstrecke zu ermitteln. Insbesondere kann aus Fahrstreckenparametern eines bekannten vorausliegenden Fahrstreckenverlaufs, wie z.B. Fahrbahnneigungen, Verkehrsbedingungen, Wetterverhältnissen und dergleichen sowie einer gegebenen Soll-Geschwindigkeitstrajektorie ein Leistungsverlauf bzw. ein Momentenverlauf bestimmt werden, der den für das Abfahren der vorausliegenden Fahrstrecke benötigten Antriebsleistungsbedarf angibt. Bei Hybridfahrzeugen kann daraus gemäß einer vorgegebenen Kostenfunktion und durch Vorgabe einer Optimierungsrandbedingung, wie beispielsweise einem niedrigen vorgegebenen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers (d.h. z.B. der Traktionsbatterie), ein Soll-Ladezustandsverlauf über die vorausliegende Fahrstrecke mithilfe eines Optimierungsverfahrens ermittelt werden.
Weiterhin ist aus der Druckschrift DE 10 2014 219 216 A1 bekannt, den Verlauf von Soll-Fahrzeuggeschwindigkeiten über eine vorausliegende Fahrstrecke zu ermitteln und im Rahmen eines Optimierungsverfahrens die Lastverteilung zwischen Antriebseinheiten eines hybriden Antriebssystems zum energieverbrauchsoptimierten Befahren der vorausliegenden Fahrstrecke entsprechend des Verlaufs der Soll-Fahrzeuggeschwindigkeiten durchzuführen.
Ein Nachteil des obigen Verfahrens besteht darin, dass das Rechenraster für das Optimierungsverfahren sehr groß gewählt werden muss, um eine Optimierung mit den üblicherweise in einem Kraftfahrzeug vorhandenen Rechenkapazitäten online ausführen zu können. Ein solches großes Rechenraster trägt den tatsächlichen Gegebenheiten von Streckenabschnitten der vorausliegenden Fahrstrecke nur ungenügend Rechnung, und eine zufriedenstellende Optimierungsgüte kann nicht erreicht werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum vorausschauenden Bestimmen einer Betriebsstrategie für ein Hybridfahrzeug zur Verfügung zu stellen, mit dem es möglich ist, die Optimierung online, d. h. unter Nutzung der im Kraftfahrzeug befindlichen Berechnungskapazitäten, mit hoher Optimierungsgüte durchzuführen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebssystems in einem Hybridfahrzeug gemäß Anspruch 1 sowie durch das Hybridsteuergerät, das Hybridantriebssystem und das Hybridfahrzeug gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebssystems für ein Hybridfahrzeug vorgesehen, wobei das Hybridantriebssystem einen aus einem elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Leistung versorgten Elektromotor und eine nicht elektrisch betriebene Antriebseinheit, insbesondere einen Verbrennungsmotor, aufweist, mit folgenden Schritten:

- Durchführen einer ersten Optimierung, insbesondere basierend auf einer vorgegebenen Kostenfunktion, abhängig von einem Verlauf von benötigter Antriebsleistung über eine bereitgestellte vorausliegende Fahrstrecke gemäß einem ersten Rechenraster, um einen ersten Soll-Energiebedarfsverlauf über die vorausliegende Fahrstrecke zu erhalten;
- Durchführen einer zweiten Optimierung über eine vorausliegende Wegstrecke, die gleich oder kürzer ist als die vorausliegende Fahrstrecke, gemäß einem zweiten kürzeren Rechenraster, wobei die zweite Optimierung, insbesondere basierend auf der vorgegebenen Kostenfunktion, abhängig von einer Energiezuweisung für die vorausliegende Wegstrecke, die sich aus dem ersten Soll-energiebedarfsverlauf ergibt, und insbesondere einem Verlauf der Streckenparameter über die vorausliegende Wegstrecke durchgeführt wird, um einen zweiten Soll-Energiebedarfsverlauf über die vorausliegende Wegstrecke zu erhalten;
- Betreiben des Hybridantriebssystems abhängig von dem zweiten Soll-Energiebedarfsverlauf über die vorausliegende Wegstrecke.

Der Soll-Energiebedarfsverlauf gibt einen Verlauf einer zugewiesenen Soll-Energiemenge über der Fahrstrecke an, die als elektrische Energie, insbesondere aus dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellt bzw. verbraucht werden soll. Der Soll- Energiebedarfsverlauf ermöglicht so einen Energiebedarf bzw. eine Energiezuweisung über Teilabschnitte (Wegstrecken) der Fahrstrecke zu ermitteln. Die sich so ergebende Energiezuweisung dient als Soll-Vorgabe für die zweite Optimierung. Basierend auf der jeweils für einen zu fahrenden Streckenabschnitt angegebenen Soll-Energiemenge (Energiezuweisung) bestimmt das Betriebsverfahren des Kraftfahrzeugs die elektromotorisch bereitzustellende Antriebsleistung.
Der Soll-Energiebedarfsverlauf kann in integrierter/kumulierter Weise über die gesamte Fahrstrecke z.B. als Soll-Ladezustandsverlauf des elektrischen Energiespeichers, als kumulierter Energiebedarf (inverser Soll-Ladezustandsverlauf) oder als Verlauf von Energiebedarfen über Fahrstreckeninkremente der Fahrstrecke angegeben werden (z.B. als Gradient des Soll-Ladezustandsverlaufs).
Weiterhin kann die Energiezuweisung durch einen Unterschied zwischen einem aktuellen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers und einem Endladezustand angegeben werden, der sich direkt aus dem ersten Soll-Energiebedarfsverlauf ergibt oder aus diesem z.B. durch Integration bestimmt werden kann. Entspricht der Energiebedarfsverlauf einem Ladezustandsverlauf, so ergibt sich der Endladezustand als Wert des Energiebedarfsverlaufs an dem Streckenpunkt des Endes der vorausliegenden Wegstrecke. Entspricht der Energiebedarfsverlauf einem Energiebedarf für ein Fahrstreckeninkrement, so ergibt sich der Endladezustand aus den kumulierten /integrierten Energiebedarfen zwischen der aktuellen Fahrzeugposition und dem Streckenpunkt des Endes der vorausliegenden Wegstrecke.
Eine Idee des obigen Betriebsverfahrens besteht in einer Durchführung der Optimierung der Betriebsstrategie in mindestens zwei Optimierungsschritten. Der Kern des Optimierungsverfahrens besteht darin, einen optimierten Betrieb des Hybridantriebsystems des Hybridfahrzeugs vorzusehen, indem über die gesamte vorausliegende Fahrstrecke in einer ersten Optimierung ein erster Soll- Energiebedarfsverlauf des elektrischen Energiespeichers gemäß einem ersten Rechenraster bestimmt wird, aus dem sich eine Lastverteilung zwischen verbrennungsmotorisch und elektromotorisch bereitzustellender Antriebsleistung ergibt. In dem ersten Optimierungsschritt wird dazu über eine vorausliegende Fahrstrecke und Streckenparameter, wie einem vorgegebenen Verlauf der Durchschnittsgeschwindigkeit des Hybridfahrzeugs auf der vorausliegenden Fahrstrecke, ein erster Soll- Energiebedarfsverlauf als Referenz-Energiebedarfstrajektorie durch die erste Optimierung ermittelt.
Die erste Optimierung erfolgt durch Unterteilung der Fahrstrecke gemäß dem ersten Rechenraster. Das Rechenraster entspricht einer Unterteilung der Fahrstrecke bzw. Wegstrecke in Teilzeitabschnitte oder Teilwegabschnitte, wobei die Berechnung der Kostenfunktion für die erste Optimierung an den durch die Unterteilung vorgegebenen Wegpunkten erfolgt.
Das Optimierungsverfahren basiert auf einer bezüglich eines Optimierungsziels definierten Kostenfunktion, die Gesamtkosten als Funktion einer Lastaufteilung zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor angibt, und auf einem Ziel-Ladezustand eines elektrischen Energiespeichers am Fahrziel, d. h. am Ende der vorausliegenden Fahrstrecke, als eine Optimierungsrandbedingung. Als Ergebnis der ersten Optimierung ergibt sich ein erster Soll- Energiebedarfsverlauf des elektrischen Energiespeichers über die vorausliegende Fahrstrecke.
Nachfolgend wird für eine vorausliegende Wegstrecke, die kürzer sein kann als die vorausliegende Fahrstrecke und sich unmittelbar an die aktuelle Fahrzeugposition anschließt, eine weitere Optimierung durchgeführt, wobei eine Energiezuweisung z.B. mithilfe eines Endladezustands an dem Ende der vorausliegenden Wegstrecke vorgegeben wird, der sich an der entsprechenden Streckenposition des Endes der vorausliegenden Wegstrecke aus der durch die erste Optimierung ermittelten Referenz-Energiebedarfstrajektorie ergibt.
Die zweite Optimierung erfolgt durch Unterteilung der Wegstrecke gemäß dem zweiten Rechenraster. Die Kostenfunktion für die zweite Optimierung wird somit zwischen den durch die entsprechende Unterteilung vorgegebenen Wegpunkten angewendet.
Dieses Verfahren ermöglicht eine Optimierung bezüglich des durch die Kostenfunktion angegebenen Optimierungsziels über die gesamte vorausliegende Fahrstrecke, wobei kurzfristige Einflüsse durch Streckenparameter und Fahrverhalten durch die in kürzeren zeitlichen Abständen oder in kürzeren Streckenabschnitten durchgeführte zweite Optimierung berücksichtigt werden können. Zusätzlich können in der zweiten Optimierung insbesondere aggregatspezifische Eigenschaften, die hoher Dynamik unterliegen können, berücksichtigt werden (z.B. Drehzahlen des Antriebs).
Durch das zyklische Ausführen der ersten und zweiten Optimierung ergeben sich Performanzvorteile und eine hohe Verbindlichkeit des Soll-Energiebedarfsverlaufs, da neue Informationen unmittelbar berücksichtigt werden können. Durch die Berücksichtigung des Ziel-Ladezustands als eine Randbedingung der ersten Optimierung kann der Ziel-Ladezustand am Ende der Strecke mit hoher Genauigkeit erreicht werden.
Die Lastaufteilung kann weiterhin angeben, dass die nicht elektrisch betriebene Antriebseinheit abgeschaltet wird und die Antriebsleistung rein elektromotorisch bereitgestellt wird.
Weiterhin kann durch die Trennung der Berechnung des ersten Soll-Energiebedarfsverlaufs durch die erste Optimierung und der durch die zweite Optimierung realisierten Folgeregelung die Komplexität verringert werden und dadurch eine Online-Berechnung des zweiten Soll- Energiebedarfsverlaufs für die unmittelbar vorausliegende Wegstrecke ermöglicht werden.
Auch kann die Berechnung des ersten Soll-Energiebedarfsverlaufs durch die erste Optimierung außerhalb des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden. Eine getrennte Berechnung der beiden Optimierungskaskaden ist ebenfalls möglich, sodass für die Optimierung des Soll-Energiebedarfsverlaufs auch fahrzeugexterne Berechnungskapazitäten genutzt werden können, die weitere fahrumgebungsspezifische Randbedingungen berücksichtigen (z.B. Metadaten über voraussichtliche Staus; dynamische Geschwindigkeitslimits in größerer Entfernung, Wetter, ...).
Weiterhin kann das Optimierungsziel der ersten und der zweiten Optimierung einer Minimierung des Kraftstoffverbrauchs oder einer Minimierung des Schadstoffausstoßes für den Verbrennungsmotor entsprechen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Rechenraster als Zeitraster oder Streckenraster vorgegeben werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Optimierung abhängig einem Verlauf mindestens eines Streckenparameters über die vorausliegende Wegstrecke durchgeführt wird, wobei die Fahrstrecke aufeinanderfolgende Streckenabschnitte aufweist, wobei den Streckenabschnitten die Streckenparameter zugeordnet sind, die für jede der Streckenabschnitte eine Steigung oder ein Gefälle und eine Durchschnittsgeschwindigkeit angeben.
Insbesondere kann die erste Optimierung als Optimierungsrandbedingungen einen Gesamtenergiebedarf des elektrischen Energiespeichers am Ende der vorausliegenden Fahrstrecke verwenden. Der Gesamtenergiebedarf kann beispielsweise durch einen Ziel-Ladezustand des elektrischen Energiespeichers am Ende der vorausliegenden Fahrstrecke angegeben werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste und/oder die zweite Optimierung als ein Optimierungsverfahren eine dynamische Programmierung oder eine modellprädiktive Regelung verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform kann der erste Soll-Energiebedarfsverlauf über die vorausliegende Fahrstrecke durch die erste Optimierung extern des Hybridfahrzeugs oder innerhalb des Hybridantriebssystems berechnet werden.
Die erste Optimierung kann einen Verlauf einer benötigten Antriebsleistung annehmen, der sich aus einem Befahren der vorausliegenden Fahrstrecke mit den für Streckenabschnitte der Fahrstrecke vorgegebenen Durchschnittsgeschwindigkeiten ergibt.
Die erste Optimierung kann alternativ einen Verlauf einer benötigten Antriebsleistung annehmen, der mithilfe eines übergeordneten Optimierungsverfahrens die Freiheitsgrade der Geschwindigkeiten des Befahrens der einzelnen Abschnitte der Fahrstrecke nutzt.
Weiterhin kann der Verlauf der benötigten Antriebsleistung über die bereitgestellte vorausliegende Fahrstrecke basierend auf einem Verlauf von Streckenparametern der vorausliegenden Fahrstrecke bestimmt werden.
Alternativ kann die erste Optimierung als den Verlauf der benötigten Antriebsleistung einen Verlauf annehmen, der sich aus einem zusätzlichen Optimierungsverfahren unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Freiheitsgrads für die Geschwindigkeit des Befahrens der einzelnen Streckenabschnitte der Fahrstrecke ergibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Hybridantriebssystems für ein Hybridfahrzeug vorgesehen, wobei das Hybridantriebssystem einen aus einem elektrischen Energiespeicher versorgten Elektromotor und eine nicht elektrisch betriebene Antriebseinheit, insbesondere ein Verbrennungsmotor, aufweist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:

- eine erste Optimierung abhängig von einem Verlauf von benötigter Antriebsleistung über eine bereitgestellte vorausliegende Fahrstrecke gemäß einem ersten Rechenraster durchzuführen, um einen ersten Soll-Energiebedarfsverlauf über die vorausliegende Fahrstrecke zu erhalten;
- eine zweite Optimierung über eine vorausliegende Wegstrecke, die gleich oder kürzer ist als die vorausliegende Fahrstrecke, gemäß einem zweiten kürzeren Rechenraster durchzuführen, wobei die zweite Optimierung, insbesondere basierend auf der vorgegebenen Kostenfunktion, abhängig von einer Energiezuweisung für die vorausliegende Wegstrecke, die sich aus dem ersten Soll-energiebedarfsverlauf ergibt, und insbesondere einem Verlauf der Streckenparameter über die vorausliegende Wegstrecke durchgeführt wird, um einen zweiten Soll-Energiebedarfsverlauf des elektrischen Energiespeichers über die vorausliegende Wegstrecke zu erhalten; und
- das Hybridantriebssystem abhängig von dem zweiten Soll-Energiebedarfsverlauf über die vorausliegende Wegstrecke zu betreiben.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Hybridantriebssystem für ein Hybridfahrzeug vorgesehen, wobei das Hybridantriebssystem einen aus einem elektrischen Energiespeicher versorgten Elektromotor und eine nicht elektrisch betriebene Antriebseinheit, insbesondere einen Verbrennungsmotor, und weiterhin die obige Vorrichtung aufweist.
Figurenliste
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung einer Draufsicht auf ein Hybridfahrzeug mit einem Hybridantriebssystem; und
2 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Verfahrensablaufs zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs; und
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verläufe des Soll-Ladezustands nach der ersten und der zweiten Optimierung sowie der entsprechenden Lastaufteilungen.

Beschreibung von Ausführungsformen
In 1 ist schematisch eine Schnittansicht eines Hybridfahrzeugs 1 mit einem Hybridantriebssystem 2 gezeigt. Das Hybridantriebssystem 2 weist einen Elektromotor 3 und einen Verbrennungsmotor 4 als eine nicht elektrisch betriebene Antriebseinheit auf, die im Hybridbetrieb gemeinsam ein Gesamtantriebsmoment zum Vortrieb des Hybridfahrzeugs 1 bereitstellen können.
Im Verbrennungsmotor 4 wird im Betrieb Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 5 als chemischer Energieträger bereitgestellt, so dass der Verbrennungsmotor 4 unter Verwendung von Kraftstoff ein Teilantriebsmoment bereitstellen kann. Der Elektromotor 3 kann unter Verwendung von elektrischer Energie aus einem elektrischen Energiespeicher 6, insbesondere einer wiederaufladbaren Traktionsbatterie 6, betrieben werden.
Das Hybridantriebssystem 2 umfasst weiterhin eine Hybridsteuereinheit 7, mit der der Verbrennungsmotor 4 und der Elektromotor 3 angesteuert werden, um durch Bereitstellen von jeweiligen Teilantriebsmomenten kumulativ das Gesamtantriebsmoment bereitzustellen. Die Teilantriebsmomente, die durch den Verbrennungsmotor 4 und den Elektromotor 3 bereitgestellt werden, werden durch das aktuell angeforderte Gesamtantriebsmoment und eine zu ermittelnde Lastaufteilung in der Hybridsteuereinheit 7 bestimmt.
Die Hybridsteuereinheit 7 umfasst eine Optimierungseinheit, der von der Fahrstrecken-Bereitstellungseinrichtung 8 die Angaben über die Streckenabschnitte der vorausliegenden Fahrstrecke einschließlich der diesen zugeordneten Streckenparameter, den Verlauf des Momentenbedarfs bzw. des Bedarfs an Antriebsleistung zum Befahren der Fahrstrecke mit der durch die Streckenparameter vorgegebenen Durchschnittsgeschwindigkeit, einen vorgegebenen Ziel-Ladezustand SOC_Ziel am Ende der vorausliegenden Fahrstrecke und einen aktuellen Ladezustand SOC_aktuell des elektrischen Energiespeichers 6 bereitgestellt wird.
Es kann eine Fahrstrecken-Bereitstellungseinrichtung 8 vorgesehen sein, die in einem Navigationssystem vorgesehen sein kann und die Informationen über die am wahrscheinlichsten zu befahrende Fahrstrecke als die vorausliegende Fahrstrecke FS angeben kann.
In Verbindung mit dem Flussdiagramm der 2 wird ein Verfahren zum Betreiben des Hybridfahrzeugs 1 entlang der vorausliegenden Fahrstrecke FS beschrieben.
Zum Ansteuern des Verbrennungsmotors 4 und des Elektromotors 3 führt die Hybridsteuereinheit 7 eine vorausschauende Betrachtung der Fahrstrecke, die durch das Hybridfahrzeug 1 wahrscheinlich befahren wird, durch. Die vorausliegende Fahrstrecke FS wird in Schritt S1 beispielsweise durch die Fahrstrecken-Bereitstellungseinrichtung 8 bereitgestellt, die in einem Navigationssystem vorgesehen sein kann und die Informationen über die am wahrscheinlichsten zu befahrende Fahrstrecke FS bereitstellt. Die am wahrscheinlichsten zu befahrende Fahrstrecke kann basierend auf zum Beispiel vom Fahrer bereitgestellten Navigationsdaten (wie zum Beispiel eine nach einer Eingabe eines Zielorts durch das Navigationssystem ermittelte Routenempfehlung) oder aus historischen Fahrdaten über bereits befahrene Fahrstrecken bestimmt werden.
Die vorausliegende Fahrstrecke FS kann mithilfe von Kartendaten, die beispielsweise aus einem Kartenspeicher 9 abgerufen werden können, durch aneinanderhängende Streckenabschnitte gebildet und parameterisiert sein. Dazu können Streckenabschnitten der Fahrstrecke jeweils Streckenparameter zugeordnet sein, die insbesondere für jeden der Streckenabschnitte der vorausliegenden Fahrstrecke FS eine Durchschnittsgeschwindigkeit und deren Steigung und Gefälle sowie optional Wetterbedingungen, Verkehrsbedingungen und dergleichen angeben.
Die Hybridsteuereinheit 7 ist nun in der Lage, in Schritt S2 basierend auf den Streckenparametern für die vorausliegende Fahrstrecke FS und unter Bereitstellung einer Kostenfunktion entsprechend einem Optimierungsziel und einer Optimierungsrandbedingung, wie beispielsweise einem Ziel-Ladezustand SOC_Ziel am Ende der vorausliegenden Fahrstrecke, einen ersten Soll-Ladezustandsverlauf über die vorausliegende Fahrstrecke FS als eine Soll-Ladezustandstrajektorie mithilfe eines geeigneten Optimierungsverfahren zu bestimmen. Der Soll-Ladezustandsverlauf entspricht einem Energiebedarfsverlauf, aus dem ein Energiebedarf/eine Energiezuweisung für eine vorausliegende Wegstrecke bestimmt werden kann.
Weiterhin kann dabei von einem Verlauf der benötigten Antriebsleistung ausgegangen werden, der sich aus einem Befahren der Streckenabschnitte mit der für die Streckenabschnitte vorgegebenen Durchschnittsgeschwindigkeit ergibt. Alternativ kann mithilfe eines übergeordneten Optimierungsverfahrens ein Verlauf der Antriebsleistung über die vorausliegende Fahrstrecke FS ermittelt werden, der Freiheitsgrade der Geschwindigkeit des Befahrens der einzelnen Streckenabschnitte nutzt. So kann für jeden Streckenabschnitt ein Geschwindigkeitsbereich vorgegeben werden. Durch Vorgabe eines geeigneten Optimierungsziels und einer geeigneten Randbedingung, wie z. B. einer maximalen Fahrzeit oder einer maximalen Abweichung von der Durchschnittsgeschwindigkeit für jeden Streckenabschnitt, kann durch das übergeordnete Optimierungsverfahren ein optimierter Verlauf der Antriebsleistung über die vorausliegende Fahrstrecke FS bestimmt werden.
Die Soll-Ladezustandstrajektorie kann über die vorausliegende Fahrstrecke FS oder über die Fahrzeit gemäß einem ersten Rechenraster ermittelt werden. Die Kostenfunktion lautet wie folgt: $G K = \sum_{n = 1}^{k} g [L V (n) * G L (n), D Z (n)]$
wobei LV(n) der Lastverteilung an einem bestimmten Streckenpunkt n und GL(n) der Gesamtantriebsleistung an dem bestimmten Streckenpunkt, der aus dem zuvor ermittelten oder vorgegebenen Verlauf der Antriebsleistung bestimmt wird, entsprechen. g entspricht der Energiekostenfunktion abhängig von den Leistungsanforderungen und z. B. der Drehzahl DZ(n) des Antriebs. Als Nebenbedingung der Optimierung wird in jedem Zeitschritt n der dynamische Soll-Ladezustandsverlauf verwendet (als Prädiktionsgleichung). Eine Anforderung einer Lastpunktverschiebung führt dabei zu einer Änderung des Soll-Ladezustands von Prädiktionsschritt n zu Prädiktionsschritt n+1 über die Funktion GK: $S O C (n + 1) = S O C (n) + g [L V (n) * G L (n), D Z (n)]$
Weiterhin kann die Optimierungsrandbedingung SOC(k)=const betragen, d. h. einen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 6 vorgeben.
Die Berechnung kann die vorausliegende Fahrstrecke in Rasterabschnitte unterteilen, die durch einen Index bezeichnet sind. Der Index kann als Streckenpunkte Punkte angeben, die durch die Endpunkte von konstanten Zeitabschnitten Δt1 oder konstanten Wegabschnitten Δs1 vorgegeben sind. Die Zeitabschnitte können 1 bis 20 min bzw. die Wegabschnitte 0,5 bis 10 km betragen. Sie können auch variabel abhängig von der Länge der vorausliegenden Fahrstrecke FS gewählt sein, insbesondere durch Vorgabe der Anzahl k von Streckenabschnitten zur Unterteilung.
Die Optimierungsfunktion ergibt sich: $F=Min (GK (LV (n=0 \dots k))$
In 3 ist ein Diagramm über einen beispielhaften Verlauf der sich aus dem ersten Soll-Ladezustandsverlauf SOC1 ergebenden Lastverteilung LV1 über die vorausliegende Fahrstrecke FS mit fünf Streckenabschnitten beispielhaft dargestellt, wobei höhere Werte einem größeren Anteil an elektromotorisch bereitgestellter Antriebsleistung entsprechen. Weiterhin ist der entsprechende erste Soll-Ladezustandsverlauf SOC1 des elektrischen Energiespeichers 6 über die vorausliegende Fahrstrecke dargestellt, der sich aus der ersten Optimierung des Schritts S2 ergibt.
Ausgehend von dem ersten Soll-Ladezustandsverlauf SOC1 des elektrischen Energiespeichers 6 wird in Schritt S3 eine vorausliegende Wegstrecke W gewählt, die deutlich kürzer ist als die vorausliegende Fahrstrecke, wie z. B. 500 m bis 10000 m.
In Schritt S4 wird für die kürzeren Wegstrecken eine zweite Optimierung in einem kleineren Zeit- oder Streckenraster (Rechenraster) vorgenommen, wie z. B. von Δt2= 0.1-1 Sekunden bzw. Δs2 =1 - 10m.
Die zweite Optimierung entspricht im Wesentlichen dem Optimierungsverfahren des Schritts S2. Es werden dazu die obige Kostenfunktion und eine Energiezuweisung vorgegeben. Die Energiezuweisung kann als Unterschied zwischen einem aktuellen Ladezustand des elektrischen Energiespeicher 6 und einem Soll-Ladezustand am Ende der ausgewählten Wegstrecke W bestimmt werden, wobei der Soll-Ladezustand am Ende der ausgewählten Wegstrecke als eine Optimierungsrandbedingung durch den entsprechenden Streckenpunkt aus dem ersten Soll-Ladezustandsverlauf SOC1 der ersten Optimierung des Schritts S2 an der Position am Ende der ausgewählten Wegstrecke W bestimmt ist. Als Ergebnis erhält man für die ausgewählte Wegstrecke W einen verfeinerten zweiten Soll-Ladezustandsverlauf SOC2, der in einem entsprechenden Verlauf der Lastaufteilung LV2 resultiert.
In Schritt S5 wird das Hybridantriebssystem 2 entsprechend dem zweiten Soll-Ladezustandsverlauf SOC2 als Ergebnis der zweiten Optimierung betrieben. Der dadurch für die jeweilige aktuelle Fahrzeugposition vorgegebene Soll-Ladezustand führt über die Angabe über die aus dem elektrischen Energiespeicher 6 entnehmbare Energiemenge zu der entsprechenden Lastaufteilung. Die Angabe über die aus dem elektrischen Energiespeicher 6 entnehmbare Energiemenge ergibt sich aus dem Unterschied zwischen dem aktuellen Ladezustand und dem Soll-Ladezustand für die aktuelle Fahrzeugposition. Die Lastaufteilung ergibt sich folglich durch die durch den Elektromotor bereitzustellende Teilantriebsleistung und die bezüglich des angeforderten Gesamtantriebsleistung zusätzlich von dem Verbrennungsmotor bereitzustellenden Teilantriebsleistung.
Die Ermittlung des ersten Soll-Ladezustandsverlaufs SOC1 über die gesamte vorausliegende Fahrstrecke FS ermöglicht eine grundsätzliche Optimierung des Energieverbrauchsprofils, wobei die Optimierung über die kürzere Wegstrecke W gemäß einem kleineren Rechenraster die Anpassung an tatsächliche Streckenverhältnisse und aktuelle Fahrzeug- und Fahrzustandsbedingungen sowie an den aktuellen Ladezustand ermöglicht. Das Ergebnis der zweiten Optimierung hat das Ziel, eine Lastverteilung LV2 so vorzugeben, dass am Ende der Wegstrecke W der durch die erste Optimierung ermittelte Soll-Ladezustand an dem betreffenden Streckenpunkt erreicht wird.
Die Berechnungen der ersten und/oder zweiten Optimierung werden zyklisch durchgeführt, wobei die erste Optimierung zumindest zu Beginn des Befahrens der Fahrstrecke FS durchgeführt wird. Diese kann im Hybridfahrzeug oder auch extern des Hybridfahrzeugs vorgenommen werden. Die zweite Optimierung kann am Ende der Wegstrecken oder zu regelmäßigen oder vorbestimmten Zeitpunkten vor Erreichen des Endpunkts der zuletzt berechneten Wegstrecke W erneut berechnet werden.
Bezugszeichenliste

1: Hybridfahrzeug
2: Hybridantriebssystem
3: Elektromotor
4: Verbrennungsmotor
5: Kraftstofftank
6: elektrischer Energiespeicher
7: Hybridsteuereinheit
8: Fahrstrecken-Bereitstellungseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014219216 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebssystems (2) für ein Hybridfahrzeug (1), wobei das Hybridantriebssystem einen durch einen elektrischen Energiespeicher (6) versorgten Elektromotor (3) und eine nicht elektrisch betriebene Antriebseinheit (4), insbesondere einen Verbrennungsmotor, aufweist, mit folgenden Schritten: - Durchführen (S2) einer ersten Optimierung abhängig von einem Verlauf von benötigter Antriebsleistung über eine bereitgestellte vorausliegende Fahrstrecke (FS) gemäß einem ersten Rechenraster, um einen ersten Soll-Energiebedarfsverlauf (SOC1) über die vorausliegende Fahrstrecke (FS) zu erhalten; - Durchführen (S4) einer zweiten Optimierung über eine vorausliegende Wegstrecke (W), die kürzer ist als die vorausliegende Fahrstrecke, gemäß einem zweiten kürzeren Rechenraster, wobei die zweite Optimierung abhängig von einer Energiezuweisung für die vorausliegende Wegstrecke (W), die sich aus dem ersten Soll-Energiebedarfsverlauf ergibt, durchgeführt wird, um einen zweiten Soll-Energiebedarfsverlauf (SOC2) über die vorausliegende Wegstrecke (W) zu erhalten; - Betreiben (S5) des Hybridantriebssystems (2) abhängig von dem zweiten Soll-Energiebedarfsverlauf (SOC2) .
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Soll-Energiebedarfsverlauf jeweils einen Verlauf einer zugewiesenen Soll-Energiemenge über die Fahrstrecke bzw. der Wegstrecke angeben, so dass der jeweilige Soll- Energiebedarfsverlauf eine Ermittlung der Energiezuweisung über Teilabschnitte der Fahrstrecke ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Energiezuweisung durch einen Unterschied zwischen einem aktuellen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers und einem Endladezustand angegeben werden, der sich aus dem ersten Soll-Energiebedarfsverlauf ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Optimierungsziel der ersten und der zweiten Optimierung einer Minimierung des Kraftstoffverbrauchs für die nicht elektrisch betriebene Antriebseinheit (4) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Rechenraster als Zeitraster oder Streckenraster vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zweite Optimierung abhängig einem Verlauf mindestens eines Streckenparameters über die vorausliegende Wegstrecke durchgeführt wird, wobei die Fahrstrecke aufeinanderfolgende Streckenabschnitte aufweist, wobei den Streckenabschnitten die Streckenparameter zugeordnet sind, die für jede der Streckenabschnitte eine Steigung oder ein Gefälle und eine Durchschnittsgeschwindigkeit angeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Optimierung als Optimierungsrandbedingungen einen vorgegebenen Soll-Ladezustand des elektrischen Energiespeichers (6) am Ende der vorausliegenden Fahrstrecke (FS) nutzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste und/oder die zweite Optimierung jeweils als Optimierungsverfahren eine dynamische Programmierung oder eine modellprädiktive Regelung verwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Soll-Energiebedarfsverlauf (SOC1) extern des Hybridfahrzeugs (1) oder innerhalb des Hybridantriebssystems (2) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Optimierung einen Verlauf der benötigten Antriebsleistung annimmt, der sich aus einem Befahren der vorausliegenden Fahrstrecke (FS) mit den für Abschnitte der Fahrstrecke (FS) vorgegebenen Durchschnittsgeschwindigkeiten ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Optimierung als den Verlauf der benötigten Antriebsleistung einen Verlauf annimmt, der sich aus einem zusätzlichen Optimierungsverfahren unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Freiheitsgrads für die Geschwindigkeit des Befahrens der einzelnen Streckenabschnitte der Fahrstrecke ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Verlauf an benötigter Antriebsleistung über die bereitgestellte vorausliegende Fahrstrecke (FS) basierend auf einem Verlauf von Streckenparametern der vorausliegenden Fahrstrecke (FS) bestimmt wird.
Vorrichtung zum Betreiben eines Hybridantriebssystems (2) für ein Hybridfahrzeug (1), wobei das Hybridantriebssystem einen durch einen elektrischen Energiespeicher (6) versorgten Elektromotor (3) und eine nicht elektrisch betriebene Antriebseinheit (4), insbesondere einen Verbrennungsmotor, aufweist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um: - eine erste Optimierung abhängig von einem Verlauf von benötigter Antriebsleistung über eine bereitgestellte vorausliegende Fahrstrecke (FS) gemäß einem ersten Rechenraster durchzuführen, um einen ersten Soll-Energiebedarfsverlauf (SOC1) über die vorausliegende Fahrstrecke (FS) zu erhalten; - eine zweite Optimierung über eine vorausliegende Wegstrecke (W), die kürzer ist als die vorausliegende Fahrstrecke (FS), gemäß einem zweiten kürzeren Rechenraster durchzuführen, wobei die zweite Optimierung basierend auf einem Endladezustand, der dem in der ersten Optimierung bestimmten Soll-Ladezustand an der Position des Endes der vorausliegenden Wegstrecke (W) entspricht, durchgeführt wird, um einen zweiten Soll-Energiebedarfsverlauf (SOC2) über die vorausliegende Wegstrecke zu erhalten; - das Hybridantriebssystem (2) abhängig von dem zweiten Soll-Energiebedarfsverlauf (SOC2) über die vorausliegende Wegstrecke (W) zu betreiben.
Hybridantriebssystem (2) für ein Hybridfahrzeug (1), wobei das Hybridantriebssystem (2) einen durch einen elektrischen Energiespeicher (6) versorgten Elektromotor (3) und eine nicht elektrisch betriebene Antriebseinheit (4), insbesondere einen Verbrennungsmotor, und weiterhin eine Vorrichtung nach Anspruch 13 aufweist.