DE102018200910A1

DE102018200910A1 - Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems, Steuergerät, Antriebssystem

Info

Publication number: DE102018200910A1
Application number: DE102018200910.4A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Krein; Moritz Braeuchle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2019-07-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems (3) eines Kraftfahrzeugs (1), das zumindest eine elektrische Antriebsmaschine (4) und mindestens einen der Antriebsmaschine zugeordneten elektrischen Speicher (5) aufweist, sowie eine Induktionsladeeinrichtung (10), die zur berührungsfreien Energieübertragung während der Fahrt des Kraftfahrzeugs (1) ausgebildet ist. Dabei ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von dem Ladezustand und/oder der maximalen Ladeleistung des Energiespeichers (5) und von einem Bremswunschmoment Energie durch die Antriebsmaschine (4) rekuperiert und dem Energiespeicher (5) und/oder einer dynamisch arbeitenden Ladestation (11) zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems eines Kraftfahrzeugs, das zumindest eine elektrische Antriebsmaschine und mindestens einen der Antriebsmaschine zugeordneten elektrischen Speicher aufweist, sowie eine Induktionsladeeinrichtung, die zur berührungsfreien Energieübertragung während der Fahrt des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug sowie ein Energiesystem mit einem derartigen Steuergerät.
Stand der Technik
Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen wird auch das Thema der Energieübertragung von einer Ladestation auf das Kraftfahrzeug weiter an Bedeutung gewinnen. Die meisten Ladekonzepte verlangen dabei, dass eine Kabelverbindung zwischen dem Kraftfahrzeug und der Ladestation hergestellt wird. Beim sogenannten induktiven Laden wird die Energie jedoch berührungsfrei von der Ladestation zu dem Kraftfahrzeug übertragen. Hierzu werden Induktionsspulen in der Ladestation sowie in dem Kraftfahrzeug verwendet. Während die meisten Konzepte eine stationäre Ladestation vorsehen, wird bereits daran geforscht, dynamisch arbeitende Ladestationen zu realisieren, die ein Aufladen des Kraftfahrzeugs während der Fahrt erlauben. Derartige dynamische Ladestationen weisen beispielsweise mehrere in der Fahrbahn angeordnete Ladespulen/Induktionsspulen auf, über welche sich das Fahrzeug während der Fahrt entlang der Fahrbahn hinweg bewegt, so dass es nach und nach von den einzelnen Ladespulen Energie erhält. Fahrzeugseitig sind dazu keine zusätzlichen Komponenten im Vergleich zum stationären induktiven Laden notwendig, wodurch dynamische Ladestationen technisch verhältnismäßig einfach realisierbar sind.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass nicht nur das Kraftfahrzeug während der Fahrt aufgeladen werden kann, sondern dass vielmehr das Kraftfahrzeug während der Fahrt auch Energie zurück in das Energiesystem der Ladestation gibt. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in Abhängigkeit von dem Ladezustand und/oder einer maximalen Ladeleistung des Energiespeichers des Kraftfahrzeugs und von einem angeforderten Wunschbremsmoment Energie durch die Antriebsmaschine rekuperiert und dem Energiespeicher und/oder einer dynamisch arbeitenden Ladestation zugeführt wird. Die Erfindung sieht also vor, dass während der Rekuperation durch die elektrische Maschine entschieden wird, ob die Energie in den Energiespeicher des Kraftfahrzeugs und/oder in die dynamisch arbeitende Ladestation übertragen wird. Durch die Rückübertragung der Energie in die dynamische Ladestation wird erreicht, dass eine höhere Rekuperation stattfinden kann, als beispielsweise durch den aktuellen Ladezustand des Energiespeichers theoretisch möglich wäre, beziehungsweise die aktuellen Ladelimits zulassen würden. Hierdurch wird die Effizienz der Rekuperation erhöht und Energie nicht verschwendet. Als Kriterium für die Verteilung der elektrischen Energie wird dabei der Ladezustand und/oder die maximale Ladeleistung des Energiespeichers herangezogen. Erreicht der Ladezustand einen hohen Wert, nahe der maximalen Ladekapazität des Energiespeichers, ist ein weiteres Leiten von Energie in den Energiespeicher nur bedingt möglich. Insbesondere soll vermieden werden, dass der Energiespeicher überbeansprucht wird. Hierbei ist auch die maximale Ladeleistung beziehungsweise Rekuperationsleistung des Energiespeichers von Bedeutung, die insbesondere bei kurzzeitigen Ladevorgängen mit hoher Energiedichte begrenzt sein kann. Somit wird vorteilhafterweise die Energie in Abhängigkeit insbesondere auch von der maximalen Ladeleistung, die eine Überbeanspruchung des Energiespeichers verhindert, auf den Energiespeicher und/oder die Ladestation verteilt.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Vorhandensein einer Ladestation überwacht und bei Erfassen der Ladestation insbesondere überschüssige Energie an die Ladestation durch die Induktionseinrichtung berührungsfrei übertragen wird. Zunächst wird also geprüft, ob überhaupt die dynamisch arbeitende Ladestation verfügbar ist. Erst dann wird Energie von dem Kraftfahrzeug zu der Ladestation übertragen. Dabei wird insbesondere die Energie verwendet, die überschüssig ist, also beispielsweise zum Aufladen des Energiespeichers nicht benötigt wird, wenn dessen Ladezustand bereits ausreichend hoch ist, oder es wird die Energie verwendet, welche nicht dem Energiespeicher zugeführt werden kann, aufgrund dessen aktueller Begrenzung der maximalen Ladeleistung.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Ladezustand des Energiespeichers überwacht und die Energie an die Ladestation übertragen wird, wenn mehr Energie rekuperiert als in dem Energiespeicher gespeichert werden kann. Hierdurch ergibt sich, dass die Rekuperation maximiert und Reibverluste an der Reibbremse des Kraftfahrzeugs vermieden werden, wodurch Material geschont und Verschleiß verringert werden.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass in Abhängigkeit von einem Wunschbremsmoment die Antriebsmaschine und ein Reibbremssystem zum Verzögern des Kraftfahrzeugs angesteuert werden. Durch die Kombination durch Antriebsmaschine und Reibbremssystem wird erreicht, dass die Rekuperation auf einen optimalen Wert einstellbar ist, während das Kraftfahrzeug die vom Fahrer angeforderte Bremswunschverzögerung sicher erreicht.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Reibbremssystem in Abhängigkeit von der maximal möglichen Leistung der Antriebsmaschine beim Verzögern, also der Rekuperationsleistung, und von dem Ladezustand und/oder der maximalen Ladeleistung des Energiespeichers angesteuert wird. Hierdurch wird erreicht, dass die maximal mögliche Rekuperation zur Leistung der Antriebsmaschine ausgenutzt wird, und dass erst bei der maximalen Ausnutzung das noch fehlende Bremsmoment durch das Reibbremssystem zur Verfügung gestellt wird. Hierdurch wird unter anderem die Energieeffizienz maximiert.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Energie an die Ladestation in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs, ausgewählt aus einer Gruppe von Betriebszuständen, die zumindest einen verbrauchsoptimierten Betrieb und einen Energierückspeisungsbetrieb aufweist, übertragen wird. Der Benutzer kann somit beispielsweise zwischen mehreren Betriebszuständen auswählen. Bei dem verbrauchsoptimierten Betriebszustand wird möglichst viel Energie in den Energiespeicher des Kraftfahrzeugs geladen, um eine möglichst hohe Reichweite des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten. Bei dem Energierückspeisungsbetrieb wird bevorzugt eine maximale Energiemenge an die dynamisch arbeitende Ladestation übertragen, wodurch der Fahrer des Kraftfahrzeugs beispielsweise finanziell positiv partizipiert.
Das erfindungsgemäße Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 7 zeichnet sich dadurch aus, dass es speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, also im in das Kraftfahrzeug integrierten Zustand, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
Das erfindungsgemäße Energiesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich durch das erfindungsgemäße Steuergerät aus. Hierdurch ergeben sich die bereits genannten Vorteile.
Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dazu zeigen:

1 ein vorteilhaftes Ladesystem für ein Kraftfahrzeug in einer vereinfachten Darstellung,
2 ein Verfahren zum Betreiben des Kraftfahrzeugs, und
3 ein Diagramm zur Erläuterung des Verfahrens.

1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein Kraftfahrzeug 1, das sich auf einer Fahrbahn 2 entlang bewegt, wie durch einen Pfeil 3 angezeigt. Das Kraftfahrzeug 1 weist ein elektrisches Energiesystem 3 auf, das wenigstens eine elektrische Maschine 4 aufweist, die mit einem oder mehreren Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs 1 verbunden ist, um im motorischen Betrieb das Kraftfahrzeug 1 zu beschleunigen und im generatorischen Betrieb zu verzögern. Die elektrische Maschine 4 ist dabei direkt oder indirekt, beispielsweise durch ein schaltbares Getriebe, mit dem jeweiligen Antriebsrad gekoppelt oder koppelbar. Zum Versorgen der elektrischen Maschine 4 mit elektrischer Energie weist das Kraftfahrzeug 1 außerdem einen elektrischen Energiespeicher 5 auf, der durch eine von einem Steuergerät 6 ansteuerbare Leistungselektronik 7 mit der Antriebsmaschine 4 verbunden ist. Weiterhin weist das Kraftfahrzeug 1 ein Reibbremssystem 8 auf, das mehrere betätigbare Reibbremsen 9 aufweist, die jeweils einem Antriebsrad des Kraftfahrzeugs 1 zugeordnet sind. Die Radbremsen 9 sind beispielsweise hydraulisch oder elektromotorisch betätigbar.
Wird die Antriebsmaschine 4 generatorisch betrieben, so wird elektrische Energie erzeugt. In diesem Rekuperationsbetrieb wird diese Energie in den elektrischen Speicher 5 geladen, sodass sie für einen späteren motorischen Betrieb zur Verfügung steht.
Um den Energiespeicher 5 unabhängig von einem generatorischen Betrieb wieder aufladen zu können, weist das Kraftfahrzeug 1 außerdem eine Induktionsladeeinrichtung 10 auf, die dazu dient, berührungsfrei elektrische Energie zu empfangen und dem Energiespeicher 5 zuzuführen. Induktionsladeeinrichtungen sind grundsätzlich bekannt. Üblicherweise weisen diese eine in der Fahrbahn eingelassene Induktionsspule und eine im Kraftfahrzeug 1 angeordnete Induktionsspule auf, wobei durch Einstellen einer Wechselspannung an der der Fahrbahn zugeordneten Induktionsspule ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, welches von der Induktionsspule der Induktionsladeeinrichtung 10 des Kraftfahrzeugs 1 erfasst wird, wodurch ein Strom in die Empfangs- beziehungsweise Induktionsspule der Ladeeinrichtung 10 induziert und beispielsweise dem elektrischen Speicher 5 zugeführt wird. Üblicherweise sind derartige Ladestationen, die eine solche Sende- oder Induktionsspule aufweisen, als stationäre Ladestationen ausgebildet.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in die Fahrbahn 2 eine dynamisch arbeitende Ladestation 11 integriert. Dazu sind entlang der Fahrbahn 2 mehrere Induktionsspulen 12 insbesondere gleichmäßig verteilt angeordnet.
Vorzugsweise liegen die Induktionsspulen unterhalb der Fahrbahnoberfläche, so dass sie geschützt vor äußeren Einflüssen sind. Wird das Kraftfahrzeug 1 entlang der Fahrbahn 2 bewegt, so werden die Induktionsspulen 12 dazu angesteuert, Energie an die Ladeeinrichtung 10 zu übertragen, so dass während der Fahrt der Energiespeicher 5 aufgeladen und/oder die elektrische Maschine 4 durch die aufgenommene Energie angetrieben werden kann.
Vorliegend ist die Ladeeinrichtung 10 des Kraftfahrzeugs 1 außerdem dazu ausgebildet, elektrische Energie in die Ladestation 11 zurück zu speisen. In diesem Fall wird dann das Prinzip der induktiven Energieübertragung an der Ladestation 11 umgekehrt, so dass nunmehr die Induktionsspule der Induktionsladeeinrichtung 10 als Sendespule angesteuert wird und die Induktionsspulen 12 der Ladestation 11 durch das dadurch erzeugte magnetische Feld beaufschlagt werden, so dass ein Strom induziert und in das Stromnetz der Ladestation 11 geladen wird. Es erfolgt somit während der Fahrt eine Rückspeisung von beispielsweise im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 4 erzeugten Energie in das stationäre Stromnetz. Dadurch ist es möglich, in einem Rekuperationsbetrieb mehr elektrische Energie als bisher zurückzugewinnen, wodurch sich Vorteile in der Energieeffizienz sowie der CO2-Ersparnis ergeben. Insbesondere wird durch den erhöhten Energieanteil im Rekuperationsbetrieb auch ein mechanischer Bremsanteil reduziert, wodurch Verschleiß und Bremsabrieb verringert werden.
Anhand von 2 soll ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben des Kraftfahrzeugs 1 erläutert werden. Das Fahren beginnt in Schritt S1 mit der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs. Im Schritt S2 wird das Kraftfahrzeug darauf überwacht, ob ein Bremswunsch des Fahrers und/oder einer anderen Applikation des Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise eines Folgeautomaten oder dergleichen, vorliegt. Wird ein Bremswunschmoment erfasst, so wird in einem darauffolgenden Schritt S3 der aktuelle Ladezustand und/oder die aktuelle maximale Ladeleistung des Energiespeichers 5 ermittelt. Weiterhin wird in einem Schritt S4, der auch gleichzeitig mit Schritt S3 erfolgen kann, das Vorhandensein der Ladestation 11 erfasst. In einem darauffolgenden Schritt S5 wird in Abhängigkeit von dem Vorhandensein der Ladestation 11 und dem aktuellen Ladezustand und/oder der maximalen Ladeleistung ein maximales Rekuperationspotenzial bestimmt, das im generatorischen Betrieb der Antriebsmaschine 4 erreicht werden kann.
In Abhängigkeit von dem erfassten maximalen Rekuperationspotenzial wird das Bremswunschmoment auf das Reibbremssystem 8 in einem Schritt S6 und auf die elektrische Antriebsmaschine 4 in einem Schritt S7 aufgeteilt. Je größer das elektrische Rekuperationspotenzial ist, das im Schritt S5 ermittelt wurde, desto größer ist der Anteil der elektrischen Maschine S7 bei der Realisierung des gewünschten Bremsmoments und entsprechend kleiner der des Reibbremssystems 8. Die von der elektrischen Maschine 4 erzeugte elektrische Energie wird in einem Schritt S8 dem elektrischen Speicher 5 zugeführt, um diesen weiter aufzuladen, sofern der Ladezustand des Energiespeichers 5 noch nicht seinen maximalen Wert erreicht hat. Alternativ oder zusätzlich, wenn der Ladezustand 5 unterhalb des maximal erreichbaren Wertes liegt, wird die von der elektrischen Maschine 4 erzeugte Energie durch die Induktionsladeeinrichtung 10 in einem Schritt S9 an die Ladestation 12 übertragen.
3 zeigt hierzu bildlich die Aufteilung der im Rekuperationsbetrieb des Kraftfahrzeugs 1 verteilten Rekuperationsenergie E_G . Diese wird aufgeteilt in die Energie E₅ zum Aufladen des Energiespeichers 5, die Energie E₁₁ , die an die Ladestation 11 zurückgespeist wird, und die Wärmeverluste Es, die beim Betätigen der Reibbremsen 9 entstehen.
Desto höher der Ladezustand des Energiespeichers 5 bereits ist, desto größer wird der Energieanteil, der der Ladestation 11 zugeführt wird. Reicht dabei das Verzögerungsmoment der elektrischen Maschine 4 bereits aus, den Bremswunsch zu erfüllen, so wird das Reibbremssystem 8 nicht betätigt, um die Effizienz zu maximieren. Erreicht der Ladezustand den maximalen Wert, so wird vorzugsweise der maximale mögliche Anteil der Energie an die Ladestation 11 zurückgespeist und falls dadurch der Bremswunsch noch nicht voll erfüllt werden kann, das Reibbremssystem 8 angesteuert, um das Kraftfahrzeug stärker zu verzögern.
Bevorzugt kann der Fahrer des Kraftfahrzeugs zwischen mehreren Betriebsmodi wählen, um das Energieverhalten des Kraftfahrzeugs zu beeinflussen. In einem verbrauchsoptimierten Betriebsmodus speist dabei das Kraftfahrzeug 1 möglichst viel Energie in den Energiespeicher 5, um eine möglichst große Reichweite des Kraftfahrzeugs 1 zu gewährleisten. In einem Rückspeisebetrieb wird ein größerer Anteil elektrischer Energie in das Stromnetz beziehungsweise die Ladestation 11 zurückgespeist, wodurch beispielsweise der Fahrer des Kraftfahrzeugs 1 finanziell für die Stromgewinnung vergütet wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems (3) eines Kraftfahrzeugs (1), das zumindest eine elektrische Antriebsmaschine (4) und mindestens einen der Antriebsmaschine zugeordneten elektrischen Speicher (5) aufweist, sowie eine Induktionsladeeinrichtung (10), die zur berührungsfreien Energieübertragung während der Fahrt des Kraftfahrzeugs (1) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Ladezustand und/oder der maximalen Ladeleistung des Energiespeichers (5) und von einem Bremswunschmoment Energie durch die Antriebsmaschine (4) rekuperiert und dem Energiespeicher (5) und/oder einer dynamisch arbeitenden Ladestation (11) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorhandensein der Ladestation (11) überwacht und bei Erfassen der Ladestation (11) insbesondere überschüssige Energie an die Ladestation (11) durch die Induktionsladeeinrichtung (10) berührungsfrei übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand und/oder die maximale Ladeleistung des Energiespeichers (5) überwacht und Energie an die Ladestation (11) übertragen wird, wenn mehr Energie rekuperiert als in dem Energiespeicher (5) gespeichert werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Wunschbremsmoment die Antriebsmaschine (4) und ein Reibbremssystem (8) zum Verzögern des Kraftfahrzeugs (1) angesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibbremssystem (8) in Abhängigkeit von der maximal möglichen Rekuperationsleistung der Antriebsmaschine (4) und von dem Ladezustand und/oder der maximalen Ladeleistung des Energiespeichers (5) angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie an die Ladestation (11) in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs (1), ausgewählt aus einer Gruppe von Betriebszuständen, die zumindest einen verbrauchsoptimierten Betrieb und einen Energiezurückspeisungsbetrieb aufweisen, übertragen wird.
Steuergerät (6) für ein Energiesystem (3) eines Kraftfahrzeugs (1), wobei das Energiesystem (3) das zumindest eine elektrische Antriebsmaschine (4) und mindestens einen der Antriebsmaschine (4) zugeordneten elektrischen Speicher (5) aufweist, sowie eine Induktionsladeeinrichtung (10), die zur berührungsfreien Energieübertragung während der Fahrt des Kraftfahrzeugs (1) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (6) speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Energiesystem (3) für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer elektrischen Antriebsmaschine (4) und mit zumindest einem elektrischen der Antriebsmaschine (4) zugeordneten Speicher (5), sowie mit einer Induktionsladeeinrichtung (10), die zur berührungsfreien Energieübertragung ausgebildet ist, um Energie von einer Ladestation (11) aufzunehmen oder an eine Ladestation (11) zu übertragen, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (6) nach Anspruch 7.