DE102018132785A1

DE102018132785A1 - Steuersystem für ein Nutzfahrzeug, Steuersystem für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zur Ladesteuerung eines Energiespeichers

Info

Publication number: DE102018132785A1
Application number: DE102018132785.4A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schmutz-Eggert
Original assignee: Koegel Trailer GmbH and Co KG
Current assignee: Koegel Trailer GmbH and Co KG
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuersystem (10) für ein Nutzfahrzeug (11) mit einer Steuereinheit (12), wenigstens einem Elektromotor (13) und wenigstens einem Energiespeicher (14), insbesondere Akkumulator, der mit dem Elektromotor (13) elektrisch gekoppelt ist, wobei der Elektromotor (13) in einem Fahrbetrieb zu einem Verbrennungsmotor (15) zur Antriebsunterstützung zuschaltbar oder zugeschaltet ist, und wobei die Steuereinheit (12) mit einem Navigationssystem (16) datenübertragend koppelbar oder gekoppelt ist und derart konfiguriert ist, dass Streckendaten, insbesondere eine Topografie, einer zu fahrenden Fahrtstrecke aus dem Navigationssystem (16) ausgelesen werden, ein Ist-Ladezustand des Energiespeichers (14) erfasst wird, auf Basis der Streckendaten ein Soll-Ladezustand des Energiespeichers (14) berechnet wird und der Soll-Ladezustand mit dem Ist-Ladezustand des Energiespeichers (14) abgeglichen wird, wobei der Elektromotor (13) bei zu niedrigem Ist-Ladezustand als Generator schaltbar ist derart, dass der Energiespeicher (14) zumindest auf den Soll-Ladezustand aufladbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem für ein Nutzfahrzeug und ein Verfahren zur Ladesteuerung eines Energiespeichers.
Nutzfahrzeuggespanne bestehend aus einem Lastkraftwagen und einem Fahrzeuganhänger, insbesondere einem Sattelauflieger, weisen im beladenen und unbeladenen Zustand ein hohes Gewicht auf. Damit dennoch während einer Fahrt ansteigende Streckenabschnitte überwunden werden können, weisen diese dazu eine dementsprechende große Motorisierung auf. Dies bringt nachteilig ein erhöhtes Gewicht sowie eine erhöhte Schadstoffemission mit sich.
Um Schadstoffemissionen zu reduzieren bzw. eine Reichweite des Nutzfahrzeugs zu erhöhen, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Konzepte bekannt, bei denen unter Heranziehung von Streckendaten der geplanten Fahrtstrecke der erforderliche Energiebedarf für die zu fahrende Fahrtstrecke ermittelt wird.
Aus der DE 10 2017 211 548 A1 ist beispielsweise ein Hybridfahrzeug bekannt, bei dem in das Antriebssystem ein Verbrennungsmotor als Generator integriert ist. Ferner weist das Hybridfahrzeug eine Planungseinrichtung zur Fahrtstreckenplanung und eine Steuereinrichtung auf, die den Verbrennungsmotor auf Basis einer geplanten Fahrtstrecke ansteuert. Durch den Verbrennungsmotor wird ein elektrischer Energiespeicher bedarfsweise aufgeladen, sodass ein Elektromotor zur Traktion des Hybridfahrzeugs betrieben werden kann. Nachteilig ist hierbei, dass der Elektromotor als Hauptantrieb eines Lastkraftwagens sowie der Energiespeicher ein hohes Gewicht aufweisen, da bei einer Bergauffahrt eine hohe Motorleistung bzw. eine große Speicherkapazität des Energiespeichers benötigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Steuersystem für ein Nutzfahrzeug anzugeben, durch das kleiner dimensionierte Verbrennungsmotoren in Nutzfahrzeugen einsetzbar sind, wodurch Gewicht und Kosten eingespart werden. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein Steuersystem für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zur Ladesteuerung eines Energiespeichers für Nutzfahrzeuge anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf das Steuersystem durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Mit Blick auf das Verfahren zur Ladesteuerung eines Energiespeichers wird die vorstehend genannte Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 11 gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein Steuersystem für ein Nutzfahrzeug mit einer Steuereinheit, wenigstens einem Elektromotor und wenigstens einem Energiespeicher, insbesondere Akkumulator, anzugeben. Der Energiespeicher ist mit dem Elektromotor elektrisch gekoppelt. Der Elektromotor ist in einem Fahrbetrieb zu einem Verbrennungsmotor zur Antriebsunterstützung zuschaltbar oder zugeschaltet. Die Steuereinheit ist mit einem Navigationssystem datenübertragend koppelbar oder gekoppelt und derart konfiguriert, dass Streckendaten, insbesondere eine Topografie, einer zu fahrenden Fahrtstrecke aus dem Navigationssystem ausgelesen werden, ein Ist-Ladezustand des Energiespeichers erfasst wird, auf Basis der Streckendaten ein Soll-Ladezustand des Energiespeichers berechnet wird und der Soll-Ladezustand mit dem Ist-Ladezustand des Energiespeichers abgeglichen wird. Der Elektromotor ist bei zu niedrigem Ist-Ladezustand als Generator derart schaltbar, dass der Energiespeicher zumindest auf den Soll-Ladezustand aufladbar ist.
Die Erfindung hat verschiedene Vorteile. Durch den zuschaltbaren Elektromotor wird der Verbrennungsmotor eines Nutzfahrzeugs in entsprechenden Fahrsituationen, bspw. bei einer Beschleunigung und/oder bei einer Bergauffahrt, unterstützt. Vorteilhaft wird dadurch der Verbrennungsmotor entlastet und kann somit kleiner dimensioniert bzw. mit geringerer Motorleistung ausgelegt werden. Dies hat den Vorteil, dass Gewicht und Kosten eingespart werden. Ferner ist vorteilhaft, dass Schadstoffemissionen reduziert und eine Reichweite des Nutzfahrzeugs erhöht werden.
Durch die elektrische Kopplung des Energiespeichers mit dem Elektromotor kann der Elektromotor vorteilhaft im Falle einer erforderlichen Zuschaltung zum Verbrennungsmotor mit elektrischer Energie versorgt werden. Des Weiteren kann durch die elektrische Kopplung der Energiespeicher vorteilhaft durch den Elektromotor in Generatorschaltung aufgeladen werden. Der Elektromotor weist somit vorteilhaft eine Doppelfunktion auf, wodurch weitere Komponenten bzw. ein zusätzlicher Generator zur Rekuperation entfällt.
Die Steuereinheit hat den Vorteil, dass unter Berücksichtigung der Streckendaten, ausgelesen aus dem Navigationssystem, ein Energiebedarf zur Bewältigung der zu fahrenden Fahrtstrecke ermittelt wird. Die Steuereinheit kann derart konfiguriert sein, dass der Energiebedarf bzw. der erforderliche Soll-Ladezustand des Energiespeichers für die gesamte Fahrtstrecke vor Fahrtbeginn vorausgeplant wird. Die Steuereinheit kann auch derart konfiguriert sein, dass der Soll-Ladezustand des Energiespeichers während der Fahrt für wenigstens einen bevorstehenden Streckenabschnitt berechnet wird. Hierbei wird der Soll-Ladezustand in kurzfristiger Vorausplanung während der Fahrt berechnet. Es ist auch eine Kombination der beiden vorstehend genannten Streckenplanungsarten, d.h. Planung vor Fahrtbeginn und Planung während der Fahrt, denkbar.
Bei zu niedrigem Ist-Ladezustand des Energiespeichers ist der Elektromotor als Generator schaltbar. Dies hat den Vorteil, dass der Energiespeicher, bspw. vor einer bevorstehenden Bergauffahrt, während der Fahrt durch Rekuperation auf den berechneten Soll-Ladezustand aufgeladen wird. Soll der Verbrennungsmotor unterstützt werden, wird der Elektromotor in Antriebsschaltung zugeschaltet. Das Nutzfahrzeug, kann dadurch vorteilhaft den entsprechenden Streckenabschnitt ohne Perfomanceeinbußen bewältigen.
Das Nutzfahrzeug kann beispielsweise ein Lastkraftwagen (LKW) ohne Fahrzeuganhänger, ein Fahrzeuganhänger, insbesondere ein Sattelauflieger, oder ein Zuggespann aus Lastkraftwagen (LKW) und Fahrzeuganhänger sein.
Zur Berechnung des Soll-Ladezustands des Energiespeichers kann die Steuereinheit folgende Streckendaten der zu fahrenden Fahrtstrecke aus dem Navigationssystem auslesen: Topografie (ansteigende Streckenabschnitte, abfallende Streckenabschnitte und ebene Streckenabschnitte), Geschwindigkeitsbegrenzungen, Kreuzungen und Kurven. Ferner können auch Stauinformationen ausgelesen werden, um einen erforderlichen Soll-Ladezustand des Energiespeichers für eine Staufahrt zu berechnen. Dies hat den Vorteil, dass der Energiespeicher vor der Staufahrt aufgeladen werden kann, um ein unzulässiges Entladen des Energiespeichers während der Staufahrt zu verhindern.
Des Weiteren kann durch das Auslesen der Stauinformationen ein Soll-Ladezustand für einen schadstoffminimierten Stop-and-Go-Betrieb berechnet werden. Der Verbrennungsmotor kann dabei im Leerlauf betrieben werden oder abgestellt sein. In dieser Fahrsituation kann ausschließlich der Elektromotor das Nutzfahrzeug antreiben. Ferner können weitere nicht genannte Streckendaten durch die Steuereinheit aus dem Navigationssystem ausgelesen werden.
Um den erforderlichen Soll-Ladezustand für die zu fahrende Fahrtstrecke zu berechnen, ist denkbar, dass die Steuereinheit derart konfiguriert ist, dass zusätzlich ein Fahrstil des aktuellen Fahrers ermittelt wird. Der Fahrstil kann aus einem Geschwindigkeitsverhalten, wie bspw. konstante Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung und/oder Bremsung, und/oder einem Schaltverhalten ermittelt werden.
Des Weiteren kann zur Berechnung des Soll-Ladezustands des Energiespeichers zusätzlich das Nutzfahrzeuggewicht berücksichtigt werden. Die Steuereinheit kann dazu mit wenigstens einem Sensor signalübertragend gekoppelt oder koppelbar sein und derart konfiguriert sein, dass auf Basis des übertragenen Signals ein Nutzfahrzeuggewicht berechnet wird. Das Nutzfahrzeuggewicht kann auch durch manuelle Eingabe des Fahrers zur weiteren Verarbeitung der Steuereinheit zur Verfügung gestellt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit derart konfiguriert, dass der Energiespeicher zum Betrieben des Elektromotors vor einem ansteigenden Streckenabschnitt, insbesondere einer Bergauffahrt, auf einen entsprechenden Soll-Ladezustand aufgeladen wird. Dies hat den Vorteil, dass der Elektromotor mit ausreichend elektrischer Energie versorgt werden kann und somit den Verbrennungsmotor bei der Bergauffahrt ausfallsicher unterstützt.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit derart konfiguriert, dass auf Basis der Streckendaten der zu fahrenden Fahrtstrecke die ansteigenden Streckenabschnitte, die abfallenden Streckenabschnitte und die ebenen Streckenabschnitte ermittelt werden. Dies kann vor Fahrtbeginn oder während der Fahrt erfolgen. Während der Fahrt können die bevorstehenden Streckenabschnitte kontinuierlich oder in Zeitintervallen ermittelt werden. Hierbei ist vorteilhaft, dass bei einer Routenänderung, bspw. aufgrund eines bevorstehenden Staus, der für die geänderte Fahrtstrecke erforderliche Soll-Ladezustand des Energiespeichers berechnet und bei Bedarf der Ist-Ladezustand dementsprechend angepasst werden kann. Ferner ist vorteilhaft, dass im Falle eines unerwartet niedrigen Ist-Ladezustands dieser rechtzeitig erkannt wird. Es werden somit kurze Reaktionszeiten zur Anpassung des Ist-Ladezustands ermöglicht.
Steht während einer Fahrt ein ansteigender Streckenabschnitt bevor, steuert die Steuereinheit den Elektromotor derart an, dass dieser in Generatorschaltung den Energiespeicher vollständig oder auf den berechneten Soll-Ladezustand auflädt.
Vorzugsweise wird bei der Ermittlung der Streckenabschnitte der Fahrtstrecke vor Fahrtbeginn durch die Steuereinheit abhängig von der erforderlichen Rekuperationsdauer und abhängig von den ermittelten Streckenabschnitten wenigstens ein Rekuperations-Streckenabschnitt festgelegt, in dem der Elektromotor während der Fahrt rekuperiert. Ferner kann während der Fahrt durch die Steuereinheit die aktuelle Position des Nutzfahrzeugs aus dem Navigationssystem ausgelesen und mit der Position des vorausgeplanten Rekuperations-Streckenabschnitts abgeglichen werden. Befindet sich das Nutzfahrzeug am Beginn des Rekuperations-Streckenabschnitts steuert die Steuereinheit den Elektromotor derart an, dass dieser in Generatorschaltung umschaltet. Der Elektromotor rekuperiert bis der Energiespeicher vollständig oder auf den berechneten Soll-Ladezustand aufgeladen ist. Anschließend kann die Steuereinheit den Elektromotor derart ansteuern, dass dieser in Antriebschaltung oder in einen Leerlauf umschaltet.
Generell ist denkbar, dass der Elektromotor zusätzlich manuell in Generatorschaltung schaltbar ist. Mit anderen Worten kann der Fahrer bedarfsweise den Elektromotor manuell als Generator schalten, um den Energiespeicher auf einen Soll-Ladezustand durch Rekuperation aufzuladen. Dem Fahrer kann dazu ein Signal vorliegen, das ein erforderliches Laden des Energiespeichers anzeigt. Hierbei ist vorteilhaft, dass eine Flexibilität des Gesamtsystems erhöht wird.
Durch die Aufladung des Energiespeichers auf den erforderlichen Soll-Ladezustand wird vorteilhaft eine Antriebsunterstützung des Verbrennungsmotors durch den Elektromotor während einer Bergauffahrt über den gesamten ansteigenden Streckenabschnitt ermöglicht. Der Verbrennungsmotor wird dadurch entlastet und kann somit kleiner dimensioniert sein.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform lädt der Elektromotor in Generatorschaltung den Energiespeicher bei zu niedrigem Ist-Ladezustand während einer Fahrt auf einem ebenen Streckenabschnitt, insbesondere einem Streckenabschnitt annähernd ohne Steigung, durch Rekuperation einer Bremsenergie auf. Bei einer Rekuperation auf einem ebenen Streckenabschnitt wird das Nutzfahrzeug durch den Elektromotor gebremst. Um hierbei nicht an Geschwindigkeit zu verlieren, kann die Steuereinheit derart konfiguriert sein, dass der Fahrer optisch und/oder akustisch und/oder haptisch über die stattfindende Rekuperation informiert wird. Der Fahrer kann dann durch eine entsprechende manuelle Betätigung des Gaspedals und somit durch eine Erhöhung der Motorleistung des Verbrennungsmotors der Bremswirkung aufgrund der Rekuperation entgegenwirken.
Alternativ kann die Steuereinheit derart konfiguriert sein, dass bei einer Rekuperation auf einem ebenen Streckenabschnitt die Steuereinheit mit einer Motorsteuerung des Verbrennungsmotors zur Erhöhung der Motorleistung kommuniziert. Dazu kann die Steuereinheit mit der Motorsteuerung signalübertragend gekoppelt oder koppelbar sein. Bei dieser Variante würde der Fahrer lediglich ein erhöhtes Motorgeräusch wahrnehmen. Zusätzlich kann dem Fahrer rein informativ die stattfindende Rekuperation angezeigt werden.
Durch die Rekuperation der Bremsenergie auf dem ebenen Streckenabschnitt wird vorteilhaft ein Aufladen des Energiespeichers bei zu niedrigem Ist-Ladezustand vor einem ansteigenden Streckenabschnitt ermöglicht. Der Verbrennungsmotor kann dadurch somit durch den Elektromotor ausfallssicher unterstützt bzw. entlastet werden. Ferner ist dadurch vorteilhaft ein externes Aufladen des Energiespeichers nicht erforderlich, wodurch Zeit und Kosten eingespart werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform lädt der Elektromotor in Generatorschaltung den Energiespeicher bei einem abfallenden Streckenabschnitt, insbesondere bei einer Bergabfahrt, abhängig von einer Länge des Streckenabschnitts durch Rekuperation einer Bremsenergie maximal auf. Bei einer Bergabfahrt kann der Energiespeicher anhängig von der Streckenlänge vollständig oder auf den erforderlichen Soll-Ladezustand aufgeladen werden. Vorzugsweise wird der Energiespeicher während der Bergabfahrt vollständig aufgeladen. Die Aufladung des Energiespeichers hängt von der Länge der Abfahrtsstrecke ab. Ist nach der Bergabfahrt der erforderlichen Soll-Ladezustand nicht erreicht, kann der Energiespeicher während der Fahrt auf einem ebenen Streckenabschnitt, wie vorstehend beschrieben, aufgeladen werden. Die Rekupertation der Bremsenergie während der Bergabfahrt hat den Vorteil, dass das Nutzfahrzeug beim Bremsen unterstützt und somit ein Bremsverschleiß minimiert wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor an wenigstens einem Fahrzeugrad des Nutzfahrzeugs zur Antriebsunterstützung des Verbrennungsmotors und/oder zur Rekuperation einer Bremsenergie vorgesehen. Soll der Verbrennungsmotor während der Fahrt durch den Elektromotor, bspw. bei der Beschleunigung und/oder der Bergauffahrt des Nutzfahrzeugs, unterstützt werden, wird der Elektromotor am Fahrzeugrad zugeschaltet. Dabei kann an jedem Fahrzeugrad wenigstens ein Elektromotor vorgesehen sein. Ist der Ist-Ladezustand des Energiespeichers zu niedrig, wird der Elektromotor am Fahrzeugrad als Generator geschaltet. Dadurch wird während der Fahrt, bevorzugt während einer Bergabfahrt und/oder während der Fahrt auf einem ebenen Streckenabschnitt, durch Rekuperation der Energiespeicher aufgeladen.
Generell ist auch denkbar, dass jeweils ein Elektromotor an jeweils einer Fahrzeugachse zur Antriebsunterstützung des Verbrennungsmotors und Rekuperation von Bremsenergie vorgesehen ist. Aus der Anordnung des Elektromotors am Fahrzeugrad resultiert vorteilhaft ein kompakter Aufbau. Ferner können dadurch zusätzliche Übertragungseinrichtung zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Fahrzeugrad und dem Elektromotor entfallen.
Vorzugsweise ist der Energiespeicher zur Aufladung zusätzlich mit wenigstens einer Solareinheit, insbesondere einer Solarzelle, des Nutzfahrzeugs elektrisch koppelbar oder gekoppelt. Durch die Solareinheit ist der Energiespeicher zusätzlich zur Rekuperation durch den Elektromotor in Generatorschaltung aufladbar. Es ist denkbar, dass der Energiespeicher durch die Solareinheit ständig, insbesondere kontinuierlich aufgeladen wird. Mit anderen Worten kann der Energiespeicher durch die Solareinheit während der Fahrt und/oder auch bei Stillstand des Nutzfahrzeugs den Energiespeicher aufgeladen werden. Hierbei ist vorteilhaft, dass erforderliche Rekuperationszeiten reduziert werden. Insbesondere kann eine erforderliche Rekuperation auf einem ebenen Streckenabschnitt dadurch vorteilhaft reduziert oder im besten Fall vermieden werden. Dies hat den Vorteil, dass eine Reichweite des Nutzfahrzeugs erhöht und Schadstoffemissionen reduziert werden.
Weiter vorzugsweise ist die Steuereinheit in eine Steuereinrichtung des Nutzfahrzeugs integriert. Vorzugsweise ist die Steuereinheit in einer Steuereinrichtung des Lastkraftwagens (LKW) und/oder in einer Steuereinrichtung des Fahrzeuganhängers, insbesondere des Sattelaufliegers, integriert. Bei einer ersten Variante des Nutzfahrzeugs als Zuggespann, bei der die Steuereinheit ausschließlich in die Steuereinrichtung des Fahrzeuganhängers integriert ist, ist vorteilhaft, dass die Steuereinheit von einer Steuereinrichtung des Lastkraftwagens (LKWs) autark arbeiten kann. Hierbei erfolgt kein Eingriff in die serienmäßige Steuereinrichtung des Lastkraftwagens.
Bei einer zweiten Variante des Zuggespanns, bei der die Steuereinheit in die Steuereinrichtung des Lastkraftwagens (LKWs) integriert ist, ist die Steuereinrichtung des LKWs über eine Schnittstelle mit der Steuereinrichtung des Fahrzeuganhängers und/oder mit dem Elektromotor des Fahrzeuganhängers elektrisch gekoppelt oder koppelbar. Hierbei wird vorteilhaft kein Eingriff in die serienmäßige Steuereinrichtung des Fahrzeuganhängers vorgenommen, wodurch die Steuereinrichtung einfach und kostengünstig gehalten wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit mit dem Navigationssystem des Nutzfahrzeugs datenübertragend koppelbar oder gekoppelt. Die Steuereinheit kann mit dem Navigationssystem des Lastkraftwagens und/oder mit einem separaten Navigationssystem des Fahrzeuganhängers koppelbar oder gekoppelt sein. Ferner kann die Steuereinheit zusätzlich oder alternativ mit einem mobilen Navigationssystem, insbesondere eines Handys, datenübertragend koppelbar oder gekoppelt sein. Hierbei fallen vorteilhaft keine zusätzlichen Kosten für ein separates Navigationssystem an. Die Steuereinheit kann mit dem Navigationssystem kabelgebunden oder kabellos gekoppelt oder koppelbar sein.
Die Kopplung der Steuereinheit mit dem Navigationssystem des LKWs hat den Vorteil, dass kein zusätzliches, insbesondere separates, Navigationssystem vorgesehen werden muss, um die Fahrtstrecke zu planen bzw. die Streckendaten auszulesen. Das Navigationssystem kann über eine Schnittstelle mit der Steuereinheit unabhängig von einer Position der Steuereinheit kommunizieren.
Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuersystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Steuereinheit, wenigstens einem Elektromotor und wenigstens einem Energiespeicher, insbesondere Akkumulator, der mit dem Elektromotor elektrisch gekoppelt ist. Der Elektromotor ist in einem Fahrbetrieb zu einem Verbrennungsmotor zur Antriebsunterstützung zuschaltbar oder zugeschaltet. Die Steuereinheit ist mit einem Navigationssystem datenübertragend koppelbar oder gekoppelt und derart konfiguriert, dass Streckendaten, insbesondere eine Topografie, einer zu fahrenden Fahrtstrecke aus dem Navigationssystem ausgelesen werden, ein Ist-Ladezustand des Energiespeichers erfasst wird, auf Basis der Streckendaten ein Soll-Ladezustand des Energiespeichers berechnet wird und der Soll-Ladezustand mit dem Ist-Ladezustand des Energiespeichers abgeglichen wird. Der Elektromotor ist bei zu niedrigem Ist-Ladezustand als Generator schaltbar derart, dass der Energiespeicher zumindest auf den Soll-Ladezustand aufladbar ist. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um einen PKW, einen Bus, ein Wohnmobil oder ein Motorrad handeln.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ladesteuerung eines Energiespeichers eines Nutzfahrzeugs ist ein Steuersystem mit einer Steuereinheit, wenigstens einem Elektromotor und wenigstens einem Energiespeicher, insbesondere Akkumulator, vorgesehen. Der Energiespeicher ist mit dem Elektromotor elektrisch gekoppelt, wobei der Elektromotor in einem Fahrbetrieb zu einem Verbrennungsmotor zur Antriebsunterstützung zugeschaltet wird. Die Steuereinheit ist mit einem Navigationssystem datenübertragend gekoppelt ist und derart konfiguriert, dass Streckendaten, insbesondere eine Topografie, einer zu fahrenden Fahrtstrecke aus dem Navigationssystem ausgelesen werden, ein Ist-Ladezustand des Energiespeichers erfasst wird, auf Basis der Streckendaten einen Soll-Ladezustand des Energiespeichers berechnet wird und der Soll-Ladezustand mit dem Ist-Ladezustand des Energiespeichers abgeglichen wird. Der Elektromotor wird bei zu niedrigem Ist-Ladezustand als Generator geschaltet und lädt den Energiespeicher zumindest auf den Soll-Ladezustand auf. Das erfindungsgemäße Verfahren kann generell bei Kraftfahrzeugen zur Ladesteuerung des Energiespeichers angewendet werden.
Zu den Vorteilen des Verfahrens zur Ladesteuerung eines Energiespeichers wird auf die im Zusammenhang mit dem Steuersystem erläuterten Vorteile verwiesen. Darüber hinaus kann das Verfahren alternativ oder zusätzlich einzelne oder eine Kombination mehrerer zuvor in Bezug auf das Steuersystem genannte Merkmale aufweisen.
Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die dargestellte Ausführungsform stellt ein Beispiel dar, wie das erfindungsgemäße Steuersystem ausgestaltet sein kann.
In dieser zeigt,

1 eine schematische Darstellung eines Nutzfahrzeugs in Form eines Zuggespanns, insbesondere eines Lastkraftwagens und eines Sattelaufliegers, mit einem Steuersystem nach einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.

In 1 ist eine schematische Darstellung eines Nutzfahrzeugs 11 in Form eines Zuggespanns 20 mit einem Lastkraftwagen 21 (LKW), insbesondere einer Zugmaschine, und einem Fahrzeuganhänger 22, insbesondere einem Sattelauflieger gezeigt. In der nachfolgenden Beschreibung wird der Lastkraftwagen 21 als LKW und der Fahrzeuganhänger 22 als Sattelauflieger bezeichnet.
Der LKW 21 umfasst im Wesentlichen eine Fahrzeugkabine 23, ein Fahrwerk 24, einen Verbrennungsmotor 15 und vier Fahrzeugräder 25. Dabei liegen zwei vordere, insbesondere lenkbare, Fahrzeugräder 25a und zwei hintere Fahrzeugräder 25b jeweils auf einer Achse. Dies entspricht einer Zweiachsausführung des LKWs 21. Es ist auch denkbar, dass der LKW 21 in Dreiachsausführung ausgebildet ist. Der LKW 21 kann auch mehr als drei Achsen aufweisen. Ferner umfasst der LKW 21 eine Sattelkupplung zur Aufnahme eines Königzapfens 26 des Sattelaufliegers 22.
Der Sattelauflieger 22 weist einen geschlossenen Fahrzeugaufbau 27 auf, der auf einem Fahrzeugrahmen 28 vorgesehen ist. Der Fahrzeugaufbau 27 kann durch einen Kofferaufbau oder durch einen Planenaufbau gebildet sein. Der Fahrzeugaufbau 27 weist im Wesentlichen einen Ladeboden 32, ein Dach 33, zwei Seitenwände 34, eine Vorderwand 35 und ein Heckportal 36 mit wenigstens einer Hecktüre auf. Wie in 1 ersichtlich, sind auf dem Dach 33 mehrere Solareinheiten 17, insbesondere Solarpaneele, angeordnet, auf die später näher eingegangen wird. Ferner umfasst der Sattelauflieger 22 drei Hängerachsen 29, wobei auf jeweils einer Achse 29 wenigstens zwei Fahrzeugräder 31 vorgesehen sind.
Gemäß 1 umfasst das Zuggespann 20 ein Steuersystem 10 mit einer Steuereinheit 12, mehreren Elektromotoren 13 und einem Energiespeicher 14, insbesondere einem Akkumulator. Auf die Steuereinheit 12 wird später näher eingegangen.
Die Elektromotoren 13 sind im Bereich der Fahrzeugräder 31 vorgesehen. Wie in 1 gezeigt, ist an den drei Hängerachsen 29 bzw. den Fahrzeugrädern 31 des Sattelauflieger 22 jeweils wenigstens ein Elektromotor 13 zur Antriebsunterstützung des Verbrennungsmotors 15 und/oder zur Rekuperation von Bremsenergie vorgesehen. Des Weiteren ist an der hinteren Fahrzeugachse 25 bzw. an den hinteren Fahrzeugrädern 25b des LKWs 21 ebenso wenigstens ein Elektromotor 13 zur Antriebsunterstützung und/oder Rekupertation vorgesehen. Der jeweilige Elektromotor 13 ist als Zusatzantrieb oder als Generator betreibbar. Der Elektromotor 13 ist mit dem Fahrzeugrad 25b, 31 derart gekoppelt, dass ein Drehmoment zwischen dem Fahrzeugrad 25b, 31 und dem Elektromotor 13 übertragbar ist.
Der jeweilige Elektromotor 13 ist in einem Fahrbetrieb zu dem Verbrennungsmotor 15 zuschaltbar. Der Elektromotor 13 wird während der Fahrt bspw. bei einer Beschleunigung und/oder auf einem ansteigenden Streckenabschnitt dem Verbrennungsmotor 15 zur Antriebsunterstützung zugeschaltet. Das jeweilige Fahrzeugrad 25a, 31 wird hierbei durch den Elektromotor 13 angetrieben, wodurch der Verbrennungsmotor 15 unterstützt bzw. entlastet wird. Der Elektromotor 13 befindet sich dabei in der Antriebsschaltung.
Ist während der Fahrt ein Aufladen des Energiespeichers 14 erforderlich, wird der Elektromotor 13 in Generatorschaltung betrieben. Dabei wird durch Rekuperation (Energierückgewinnung), bspw. auf einem abfallenden Streckenabschnitt und/oder auf einem ebenen Streckenabschnitt, der Energiespeicher 14 aufgeladen. Ein ebener Streckenabschnitt ist als Streckenabschnitt anzusehen, der eine sehr geringe Steigung oder keine Steigung aufweist. Als Steigung wird ein Anstieg oder ein Gefälle verstanden.
Zur Versorgung des Elektromotors 13 bzw. zur Rekuperation ist der Energiespeicher 14 mit dem jeweiligen Elektromotor 13 elektrisch gekoppelt. Durch die elektrische Kopplung des Energiespeichers 14 mit dem Elektromotor 13 ist der Elektromotor 13 im Falle einer erforderlichen Zuschaltung (Antriebsschaltung) zum Verbrennungsmotor 15 mit elektrischer Energie versorgbar. Des Weiteren ist durch die elektrische Kopplung der Energiespeicher 14 durch den Elektromotor 13 in Generatorschaltung aufladbar. Ferner ist der Energiespeicher 14 mit den Solareinheiten 17 zur Aufladung elektrisch gekoppelt.
Die Steuereinheit 12 kann in einer nicht dargestellten Steuereinrichtung des LKWs 21 oder in einer nicht dargestellten Steuereinrichtung des Sattelaufliegers 22 integriert sein. Dabei kann die Steuereinheit 12 in einer Steuerelektronik der jeweiligen Steuereinrichtung integriert vorgesehen sein. Es ist auch denkbar, dass die Steuereinheit 12 über eine Schnittstelle mit den jeweiligen Steuereinrichtungen kommuniziert. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit 12 über eine Schnittstelle mit den jeweiligen Steuereinrichtungen signalübertragend und/oder datenübertragend verbindbar oder verbunden sein.
Die Steuereinheit 12 ist mit einem Navigationssystem 16 datenübertragend gekoppelt. Das Navigationssystem 16 kann das Navigationssystem des LKWs 21 und/oder ein separates Navigationssystem des Sattelaufliegers 22 sein. Ferner kann das Navigationssystem 16 auch ein mobiles Navigationssystem, insbesondere eines Handys sein, mit dem die Steuereinheit 12 datenübertragend koppelbar oder gekoppelt ist. Die Steuereinheit 12 kann mit dem Navigationssystem 16 kabelgebunden oder kabellos koppelbar oder gekoppelt sein.
Die Steuereinheit 12 ist derart konfiguriert, dass

- Streckendaten, insbesondere eine Topografie, einer zu fahrenden Fahrtstrecke aus dem Navigationssystem 16 ausgelesen werden;
- ein Ist-Ladezustand des Energiespeichers 14 erfasst wird;
- auf Basis der Streckendaten ein Soll-Ladezustand des Energiespeichers 14 berechnet wird; und
- der Soll-Ladezustand mit dem Ist-Ladezustand des Energiespeichers 14 abgeglichen wird.

Ferner ist die Steuereinheit 12 derart konfiguriert, dass die zu fahrende, insbesondere geplante, Fahrtstrecke auf Basis der ausgelesenen Streckendaten des Navigationssystems 16 in ebene Streckenabschnitte und/oder ansteigenden Streckenabschnitte und/oder abfallende Streckenabschnitte aufgeteilt wird. Die Steuereinheit 12 ist ferner derart konfiguriert, dass auf der zu fahrenden Fahrtstrecke Rekuperations-Streckenabschnitte, bevorzugt auf Bergabfahrtpassagen, festgelegt werden.
Die Steuereinheit 12 ist mit den jeweiligen Elektromotoren 13 zur Umschaltung zwischen den einzelnen Betriebsmodi, insbesondere Antrieb- oder Generatorschaltung, sowie zur Zuschaltung bzw. Abschaltung des Elektromotors 13 zum/vom Verbrennungsmotor 15 signalübertragend verbunden. Ferner ist die Steuereinheit 12 ist mit dem Energiespeicher 14 zur Erfassung des Ist-Ladezustands signalübertragend verbunden.
Die Steuereinheit 12 ist des Weiteren derart konfiguriert, dass der Energiespeicher 14 zum Betreiben des Elektromotors 13 vor dem ansteigenden Streckenabschnitt, insbesondere einer Bergauffahrt, auf den berechneten Soll-Ladezustand aufgeladen wird. Dazu wird der Elektromotor 13 bei zu niedrigem Ist-Ladezustand während einer Fahrt in Generatorschaltung betrieben, um den Energiespeicher 14 zumindest auf den Soll-Ladezustand aufzuladen. Bevorzugt wird der Energiespeicher 14 durch den Elektromotor 12 in Generatorschaltung bei einer Bergabfahrt bzw. einer Fahrt auf einem abfallenden Streckenabschnitt durch Rekuperation der Bremsenergie auf den Soll-Ladezustand oder über den Soll-Ladezustand hinaus maximal möglich aufgeladen.
Befindet sich das Zuggespann 20 auf der Fahrtstrecke vor einem ansteigenden Streckenanschnitt mit einem zu niedrigem Ist-Ladezustand des Energiespeichers 14 auf einem ebenen Streckenabschnitt, wird der Elektromotor 13 als Generator geschaltet und lädt somit den Energiespeicher 14 auf den erforderlichen Soll-Ladezustand auf. Dazu ist die Steuereinheit 12 derart konfiguriert, dass dem Fahrer in der Fahrzeugkabine 23 eine stattfindende Rekuperation angezeigt wird, um durch manuelle Betätigung des Gaspedals eine aktuelle Motorleistung zu erhöhen. Dadurch wird dem Bremseffekt durch die Rekuperation entgegengewirkt. Die Steuereinheit 12 kann auch derart konfiguriert sein, dass die Erhöhung der Motorleistung des Verbrennungsmotors 15 bei einer Rekuperation auf einem ebenen Streckenabschnitt automatisch erfolgt. Hierbei ist denkbar, dass dem Fahrer lediglich ein rein informatives Signal angezeigt wird und der Fahrer selbst keine Leistungsangleichung zur Entgegenwirkung der Bremswirkung durchführen muss. Der Energiespeicher 14 kann somit auch bei einer Fahrt auf einem ebenen Streckenabschnitt bei Bedarf aufgeladen werden.
Bezugszeichenliste

10: Steuersystem
11: Nutzfahrzeug
12: Steuereinheit
13: Elektromotor
14: Energiespeicher
15: Verbrennungsmotor
16: Navigationssystem
17: Solareinheit
20: Zuggespann
21: Lastkraftwagen
22: Fahrzeuganhänger
23: Fahrzeugkabine
24: Fahrwerk
25: Fahrzeugachsen
25a: vordere Fahrzeugachse
25b: hintere Fahrzeugachse
26: Königszapfen
27: Fahrzeugaufbau
28: Fahrzeugrahmen
29: Hängerachse
31: Fahrzeugrad
32: Ladeboden
33: Dach
34: Seitenwand
35: Vorderwand
36: Heckportal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017211548 A1 [0004]

Claims

Steuersystem (10) für ein Nutzfahrzeug (11) mit einer Steuereinheit (12), wenigstens einem Elektromotor (13) und wenigstens einem Energiespeicher (14), insbesondere Akkumulator, der mit dem Elektromotor (13) elektrisch gekoppelt ist, wobei der Elektromotor (13) in einem Fahrbetrieb zu einem Verbrennungsmotor (15) zur Antriebsunterstützung zuschaltbar oder zugeschaltet ist, und wobei die Steuereinheit (12) mit einem Navigationssystem (16) datenübertragend koppelbar oder gekoppelt ist und derart konfiguriert ist, dass Streckendaten, insbesondere eine Topografie, einer zu fahrenden Fahrtstrecke aus dem Navigationssystem (16) ausgelesen werden, ein Ist-Ladezustand des Energiespeichers (14) erfasst wird, auf Basis der Streckendaten ein Soll-Ladezustand des Energiespeichers (14) berechnet wird und der Soll-Ladezustand mit dem Ist-Ladezustand des Energiespeichers (14) abgeglichen wird, wobei der Elektromotor (13) bei zu niedrigem Ist-Ladezustand als Generator schaltbar ist derart, dass der Energiespeicher (14) zumindest auf den Soll-Ladezustand aufladbar ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) derart konfiguriert ist, dass der Energiespeicher (14) zum Betrieben des Elektromotors (13) vor einem ansteigenden Streckenabschnitt, insbesondere einer Bergauffahrt, auf einen entsprechenden Soll-Ladezustand aufgeladen wird.
Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (13) in Generatorschaltung den Energiespeicher (14) bei zu niedrigem Ist-Ladezustand während einer Fahrt auf einem ebenen Streckenabschnitt, insbesondere einem Streckenabschnitt annähernd ohne Steigung, durch Rekuperation einer Bremsenergie auflädt.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (13) in Generatorschaltung den Energiespeicher (14) bei einem abfallenden Streckenabschnitt, insbesondere bei einer Bergabfahrt, abhängig von einer Länge des Streckenabschnitts durch Rekuperation einer Bremsenergie maximal auflädt.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (13) an wenigstens einem Fahrzeugrad des Nutzfahrzeugs (11) zur Antriebsunterstützung des Verbrennungsmotors (15) und/oder zur Rekuperation einer Bremsenergie vorgesehen ist.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (14) zur Aufladung zusätzlich mit wenigstens einer Solareinheit (17), insbesondere einer Solarzelle, des Nutzfahrzeugs (11) elektrisch koppelbar oder gekoppelt ist.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) in eine Steuereinrichtung des Nutzfahrzeugs (11) integriert ist.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) mit dem Navigationssystem (16) des Nutzfahrzeugs (11) datenübertragend koppelbar oder gekoppelt ist.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) mit einem mobilen Navigationssystem (16), insbesondere eines Handys, datenübertragend koppelbar oder gekoppelt ist.
Steuersystem (10) für ein Kraftfahrzeug (11) mit einer Steuereinheit (12), wenigstens einem Elektromotor (13) und wenigstens einem Energiespeicher (14), insbesondere Akkumulator, der mit dem Elektromotor (13) elektrisch gekoppelt ist, wobei der Elektromotor (13) in einem Fahrbetrieb zu einem Verbrennungsmotor (15) zur Antriebsunterstützung zuschaltbar oder zugeschaltet ist, und wobei die Steuereinheit (12) mit einem Navigationssystem (16) datenübertragend koppelbar oder gekoppelt ist und derart konfiguriert ist, dass Streckendaten, insbesondere eine Topografie, einer zu fahrenden Fahrtstrecke aus dem Navigationssystem (16) ausgelesen werden, ein Ist-Ladezustand des Energiespeichers (14) erfasst wird, auf Basis der Streckendaten ein Soll-Ladezustand des Energiespeichers (14) berechnet wird und der Soll-Ladezustand mit dem Ist-Ladezustand des Energiespeichers (14) abgeglichen wird, wobei der Elektromotor (13) bei zu niedrigem Ist-Ladezustand als Generator schaltbar ist derart, dass der Energiespeicher (14) zumindest auf den Soll-Ladezustand aufladbar ist.
Verfahren zur Ladesteuerung eines Energiespeichers (14) eines Nutzfahrzeugs (11) bei dem ein Steuersystem (10) mit einer Steuereinheit (12), wenigstens einem Elektromotor (13) und wenigstens einem Energiespeicher (14), insbesondere Akkumulator, vorgesehen ist, der mit dem Elektromotor (13) elektrisch gekoppelt ist, wobei der Elektromotor (13) in einem Fahrbetrieb zu einem Verbrennungsmotor (15) zur Antriebsunterstützung zugeschaltet wird, und wobei die Steuereinheit (12) mit einem Navigationssystem (16) datenübertragend gekoppelt ist und derart konfiguriert ist, dass Streckendaten, insbesondere eine Topografie, einer zu fahrenden Fahrtstrecke aus dem Navigationssystem (16) ausgelesen werden, ein Ist-Ladezustand des Energiespeichers (14) erfasst wird, auf Basis der Streckendaten einen Soll-Ladezustand des Energiespeichers (14) berechnet wird und der Soll-Ladezustand mit dem Ist-Ladezustand des Energiespeichers (14) abgeglichen wird, wobei der Elektromotor (13) bei zu niedrigem Ist-Ladezustand als Generator geschaltet wird und den Energiespeicher (14) zumindest auf den Soll-Ladezustand auflädt.