DE102019118308A1 - Powertrain degradation system for vehicles with multiple power sources - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Antriebs-Degradationssystem für ein Fahrzeug mit mindestens einem Elektromotor, der durch Erzeugen einer elektromotorischen Leistung das Fahrzeug antreibt, mit mindestens zwei Leistungsquellen zur Erzeugung der elektromotorischen Leistung, wobei eine erste Leistungsquelle in Form einer Hochvoltbatterie und eine zweite Leistungsquelle in Form einer Brennstoffzelle vorgesehen sind, die alternativ oder gemeinsam zur Erzeugung der elektromotorischen Leistung einsetzbar sind, mit einem Degradationsmodul, das in Abhängigkeit von der aktuell maximal möglichen Leistung der Brennstoffzelle eine maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit für einen stationären Betrieb berechnet, und mit einem Momentenkoordinator, der die elektromotorische Soll-Leistung derart begrenzt, dass die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit im stationären Betrieb nicht überschritten wird, wobei die Hochvoltbatterie als Leistungsquelle zumindest bis zu einer Dynamikanforderung nicht für den Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt wird.The invention describes a drive degradation system for a vehicle with at least one electric motor, which drives the vehicle by generating an electromotive power, with at least two power sources for generating the electromotive power, a first power source in the form of a high-voltage battery and a second power source in the form of a Fuel cells are provided, which can be used alternatively or jointly to generate the electromotive power, with a degradation module that calculates a maximum fuel cell power-related vehicle speed for stationary operation depending on the current maximum possible power of the fuel cell, and with a torque coordinator that sets the electromotive target -Power limited in such a way that the maximum fuel cell power-related vehicle speed is not exceeded in stationary operation, at least the high-voltage battery as the power source est is not used to drive the vehicle until a dynamic demand is made.
Description
Stand der Technik:State of the art:
In Brennstoffzellenfahrzeugen wird Wasserstoff als Energieträger für den Antrieb eingesetzt. Die im Wasserstoff gebundene Energie wird über eine Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt und dient einer oder mehreren sogenannten E-Maschinen als Energiequelle für den elektromotorischen Antrieb des Fahrzeuges.In fuel cell vehicles, hydrogen is used as an energy carrier for propulsion. The energy bound in the hydrogen is converted into electrical energy via a fuel cell and is used by one or more so-called e-machines as an energy source for the electric motor drive of the vehicle.
Überdies enthalten Brennstoffzellenfahrzeuge elektrische Energiespeicher, z.B. Lithium-Ionen-Batterien - auch als HV-Batterie oder Hochvoltspeicher (HVS) bezeichnet. Diese werden zur Aufnahme und Speicherung der Bewegungsenergie während Verzögerungs- bzw. Bremsvorgängen (Rekuperation), zur Unterstützung der Brennstoffzelle bei Beschleunigungsvorgängen (Boosten) und zur Abdeckung von dynamischen Leistungsdifferenzen (Über- und Unterdeckungen) zwischen der Brennstoffzelle als Energiequelle und den E-Maschinen und Nebenverbrauchern als Energiesenken benötigt.In addition, fuel cell vehicles contain electrical energy storage devices, e.g. lithium-ion batteries - also known as HV batteries or high-voltage storage devices (HVS). These are used to absorb and store kinetic energy during deceleration or braking processes (recuperation), to support the fuel cell during acceleration processes (boosting) and to cover dynamic performance differences (excess and insufficient coverage) between the fuel cell as an energy source and the electric machines and Secondary consumers needed as energy sinks.
Abhängig von Fahrerbeschleunigungs- und Verzögerungswünschen erfolgt die Ansteuerung von E-Maschinen und Brennstoffzelle über eine Softwarefunktionalität. Aufgrund des typischerweise deutlich geringeren Energieinhalts des elektrischen Energiespeichers gegenüber dem Wasserstoffspeicher erfolgt die Abdeckung des für die Fahrzeugbewegung notwendigen Leistungsbedarfs (zumindest langfristig) über die Brennstoffzelle.Depending on the driver's acceleration and deceleration requirements, the electric machines and fuel cells are controlled via software functionality. Due to the typically significantly lower energy content of the electrical energy store compared to the hydrogen store, the power requirement necessary for the vehicle movement is covered (at least in the long term) by the fuel cell.
Sowohl die Brennstoffzelle als auch der elektrische Energiespeicher sind bezüglich ihrer Leistungsabgabe, je nach Ausführung, Auslegung und Betriebspunkt, mehr oder weniger stark (statisch) begrenzt.Both the fuel cell and the electrical energy storage device are more or less (statically) limited in terms of their power output, depending on the design, layout and operating point.
Im Betrieb kann durch bestimme Fahrprofile, Umwelteinflüsse und/oder Fehlerzustände eine zusätzliche Degradation der Brennstoffzelle bezüglich der Leistungsabgabe notwendig werden.During operation, certain driving profiles, environmental influences and / or error states may necessitate additional degradation of the fuel cell with regard to the power output.
Beim Stand der Technik führt die Begrenzung der Brennstoffzellenleistung zu einer stärkeren Entladung der HV-Batterie und darüber hinaus zu einer Begrenzung der verfügbaren, vom Fahrer mittels Fahrpedal abrufbaren Antriebsleistung (E-Maschinenleistung). Es ist Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu lösen.In the prior art, the limitation of the fuel cell output leads to a greater discharge of the HV battery and, moreover, to a limitation of the available drive output that can be called up by the driver using the accelerator pedal (electric machine output). It is the object of the invention to solve this problem.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen enthalten.This object is achieved by the features of
Die Erfindung beschreibt ein Antriebs-Degradationssystem für ein Fahrzeug mit mindestens einem Elektromotor, der durch Erzeugen einer elektromotorischen Leistung das Fahrzeug antreibt, mit mindestens zwei Leistungsquellen zur Erzeugung der elektromotorischen Leistung, wobei eine erste Leistungsquelle in Form einer Hochvoltbatterie und eine zweite Leistungsquelle in Form einer Brennstoffzelle vorgesehen sind, die alternativ oder gemeinsam zur Erzeugung der elektromotorischen Leistung einsetzbar sind, mit einem Degradationsmodul, das in Abhängigkeit von der aktuell maximal möglichen Leistung der Brennstoffzelle eine maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit für einen stationären Betrieb berechnet, und mit einem Momentenkoordinator, der die elektromotorische Soll-Leistung derart begrenzt, dass die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit im stationären Betrieb nicht überschritten wird, wobei die Hochvoltbatterie als Leistungsquelle zumindest bis zu einer Dynamikanforderung nicht für den Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt ist.The invention describes a drive degradation system for a vehicle with at least one electric motor, which drives the vehicle by generating an electromotive power, with at least two power sources for generating the electromotive power, a first power source in the form of a high-voltage battery and a second power source in the form of a Fuel cells are provided, which can be used alternatively or jointly to generate the electromotive power, with a degradation module that calculates a maximum fuel cell power-related vehicle speed for stationary operation depending on the current maximum possible power of the fuel cell, and with a torque coordinator that sets the electromotive target -Power limited in such a way that the maximum fuel cell power-related vehicle speed is not exceeded in stationary operation, at least the high-voltage battery as the power source est is not used to drive the vehicle until a dynamic demand is made.
Zusammengefasst stellt die Erfindung ein Antriebs-Degradationskonzept für Fahrzeuge mit mehreren Leistungsquellen ohne Dynamikverlust dar.In summary, the invention represents a drive degradation concept for vehicles with multiple power sources without any loss of dynamics.
Der Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde:
- Die Besonderheit bei einem Brennstoffzellenfahrzeug liegt darin, dass in den bekannten Konzepten die Brennstoffzelle im Vergleich zu einem Hybridfahrzeug mit Verbrennungsmotor nur einen geringen Anteil an der Gesamtantriebsleistung hat (siehe Stand der Technik). Gleichzeitig ist der Energieinhalt der HV-Batterie nicht darauf ausgelegt, die Hauptantriebsleistung langfristig zur Verfügung zu stellen, sie soll lediglich für die Dynamik des Fahrzeuges sorgen.
- The special feature of a fuel cell vehicle is that in the known concepts, the fuel cell has only a small share in the total drive power compared to a hybrid vehicle with an internal combustion engine (see prior art). At the same time, the energy content of the HV battery is not designed to provide the main drive power over the long term, it is only intended to ensure the dynamics of the vehicle.
Bedingt durch diese Verteilung der Antriebsleistungen, führt ein Betrieb des Fahrzeuges oberhalb der Brennstoffzellenleistung zu einer starken Entladung der HV-Batterie und infolge dessen schnell zum Wegfall des HV-Speichers als Energiequelle.
Dieser Betriebszustand tritt vermehrt bei degradierter Brennstoffzellenleistung, insbesondere nach einer längeren Bergfahrt und/oder nach einer Fahrt mit hoher Fahrgeschwindigkeit auf.
Der Fahrer nimmt dies als sehr starke Begrenzung der abrufbaren Antriebsleistung/Beschleunigungsdynamik wahr.As a result of this distribution of the drive power, operating the vehicle above the fuel cell power leads to a strong discharge of the HV battery and, as a result, quickly to the elimination of the HV store as an energy source.
This operating state occurs increasingly with degraded fuel cell power, in particular after a long journey uphill and / or after driving at high speed.
The driver perceives this as a very strong limitation of the drive power / acceleration dynamics that can be called up.
Die vorliegende Erfindung soll dies verhindern:
- Die Auslegung der Energieinhalte von H2-Tank und HV-Batterie, als auch die Leistungsdaten dieser Energiequellen führen dazu, dass dynamische Fahranteile verstärkt aus der HV-Batterie abgedeckt werden. Dagegen müssen die stationären Antriebsleistungsbedarfe (stationäre Fahrwiderstände, Leistungsbedarf für Bergfahrt und höhere Geschwindigkeiten) von der Brennstoffzelle abgedeckt werden.
- The design of the energy content of the H2 tank and HV battery, as well as the performance data of these energy sources mean that dynamic driving components are increasingly covered by the HV battery. In contrast, the stationary drive power requirements (stationary driving resistances, power requirements for uphill travel and higher speeds) must be covered by the fuel cell.
Um bei degradierter Leistung der Brennstoffzelle der stärkeren Entladung der HV-Batterie entgegenzuwirken, ist ein Betrieb des Fahrzeugs in Bereichen höherer stationärer Antriebsleistungsbedarfe zu vermeiden.In order to counteract the greater discharge of the HV battery when the performance of the fuel cell is degraded, operating the vehicle in areas with higher stationary drive power requirements must be avoided.
Übersteigt der stationäre Antriebsleistungsbedarf (stationäre Fahrwiderstände) die maximal verfügbare Brennstoffzellenleistung, so wird die HV-Batterie entladen. Die Erfindung soll dies verhindern.If the stationary drive power requirement (stationary driving resistances) exceeds the maximum available fuel cell power, the HV battery is discharged. The invention is intended to prevent this.
Die stationären Fahrwiderstände ergeben sich aus Einflussgrößen wie z.B. Rollwiderstand, Luftwiderstand und Steigungswiderstand. Diese Einflussgrößen wiederum ergeben sich aus konstanten, unveränderlichen Parametern wie z.B. Fahrzeugmasse, Luftwiderstandbeiwert und Fahrbahnneigung als auch der veränderbaren Fahrzeuggeschwindigkeit.The stationary driving resistances result from influencing variables such as rolling resistance, air resistance and gradient resistance. These influencing variables in turn result from constant, unchangeable parameters such as vehicle mass, aerodynamic drag coefficient and road inclination as well as the variable vehicle speed.
Aus dieser Überlegung ergibt sich, dass die einzig (sinnvoll) beeinflussbare Größe zur Reduktion des stationären Antriebsleistungsbedarfes die Fahrzeuggeschwindigkeit ist.From this consideration it follows that the only (meaningfully) influenceable variable for reducing the steady-state drive power requirement is the vehicle speed.
Deshalb wird aus der verfügbaren Brennstoffzellenleistung über ein Modell eine maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet und der Antrieb darauf begrenzt. Diese Vorgehensweise verhindert die Entladung der HV-Batterie bei in der Regel nur leicht reduzierter maximaler Fahrzeuggeschwindigkeit. Dadurch bleibt die volle Beschleunigungsdynamik erhalten. Die Fahrbarkeit wird deutlich verbessert.A model is therefore used to calculate a maximum fuel cell power-related vehicle speed from the available fuel cell power and the drive is limited to this. This procedure prevents the HV battery from discharging when the maximum vehicle speed is usually only slightly reduced. This means that the full acceleration dynamics are retained. The drivability is significantly improved.
Das Entladen der HV-Batterie kann über die reine Begrenzung auf eine maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit nicht in allen Fahrfällen vollständig unterbunden werden. Bei z.B. wiederholten Beschleunigungsmanövern, kann es auch hier zum Entladen der HV-Batterie kommen. Auch Fehler oder Ungenauigkeiten im Berechnungsmodell können zu einem schleichenden Entladen der Batterie führen.The discharge of the HV battery cannot be completely prevented in all driving situations simply by limiting it to a maximum fuel cell power-related vehicle speed. For example, repeated acceleration maneuvers can lead to the HV battery discharging. Errors or inaccuracies in the calculation model can also lead to a gradual discharge of the battery.
Um auch diese Fälle zu berücksichtigen, werden vorzugsweise zusätzlich folgende Funktionalitäten vorgesehen:
- - Vorhalt einer Mindest-Ladeleistung im Rahmen der Bestimmung der maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit zum Laden der HV-Batterie abhängig vom Batterieladezustand SOC.
- - Begrenzung auf eine maximale Gesamtantriebsleistung abhängig vom Verhältnis der Brennstoffzellenleistung zur Gesamtantriebsleistung.
- - Bestimmung der maximalen Gesamtantriebsleistung abhängig vom Batterieladezustand (SOC).
- - Bestimmte temporär wirkende Fahrwiderstände können über vorausschauende Datenerfassung (z.B. Navigationsdaten) erkannt und gezielt in der Berechnung der maximalen brennstoffzellenleistungsbezogenen Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt oder ausgeblendet werden (z.B. Vorausschau blendet einen „kleinen Berg“ über Manipulation des Neigungswinkels aus. Analog führt ein Gefälle zu einem Anstieg der maximalen brennstoffzellenleistungsbezogenen Fahrzeuggeschwindigkeit.
- - Ein „Überdrücken“ der Geschwindigkeitsbegrenzung auf die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit über Fahrpedal (z.B. Kickdown) kann in der Funktion enthalten sein.
- - Die Begrenzung auf eine maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit kann auch unabhängig von einer Degradation des Brennstoffzellensystems immer aktiv oder aktivierbar sein (Anwendungsbeispiel Bergfahrt oder manuelle Auswählbarkeit dieser Funktion durch den Fahrer über ein entsprechendes Bedienelement).
- - Übergänge von nicht degradiertem System zu den verschiedenen Degradationsniveaus sollen keine Sprünge in der Fahrzeuggeschwindigkeit zur Folge haben, sondern verschliffen ausgeführt werden. Gleiches gilt für die Begrenzung der Antriebsleistung. Dies führt zur Verbesserung der Fahrbarkeit.
- - Provision of a minimum charging power as part of the determination of the maximum fuel cell power-related vehicle speed for charging the HV battery depending on the battery state of charge SOC.
- - Limitation to a maximum total drive power depending on the ratio of the fuel cell power to the total drive power.
- - Determination of the maximum total drive power depending on the battery state of charge (SOC).
- - Certain temporarily acting driving resistances can be recognized via predictive data acquisition (e.g. navigation data) and specifically taken into account or hidden in the calculation of the maximum fuel cell performance-related vehicle speed (e.g. Prediction hides a "small mountain" by manipulating the angle of inclination. Similarly, a gradient leads to an increase in the maximum fuel cell performance related vehicle speed.
- - "Overpressing" the speed limit to the maximum fuel cell power-related vehicle speed using the accelerator pedal (eg kickdown) can be included in the function.
- The limitation to a maximum fuel cell power-related vehicle speed can also always be active or can be activated independently of a degradation of the fuel cell system (Application example uphill travel or manual selection of this function by the driver via a corresponding control element).
- - Transitions from the non-degraded system to the various degradation levels should not result in jumps in the vehicle speed, but should be smoothed out. The same applies to the limitation of the drive power. This leads to an improvement in drivability.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
-
1 einen schematischen Überblick über eine erfindungsgemäße Funktionsstruktur mit entsprechenden Signalflüssen und -
2 ein Fahrprofil-Beispiel unter Anwendung der erfindungsgemäßen Funktionsstruktur.
-
1 a schematic overview of a functional structure according to the invention with corresponding signal flows and -
2 a driving profile example using the functional structure according to the invention.
Einleitend folgt ein Überblick über die Leistungsaufteilung bei einem Konzept mit einer E-Maschine (Elektromotor), einem Bordnetz mit Nebenverbrauchern (BNNV), einer Brennstoffzelle (FCS) und einem Hochvoltspeicher (HVS):
- PEM
- Leistung E-Maschine (Fahrerwunsch; nicht durch Betriebsstrategie beeinflusst)
- PBNNV
- Leistung Bordnetz- und Nebenverbraucher (Speicherheizung oder -kühlung, Innraumheizung oder -kühlung, 12 V Verbraucher; teilweise durch Betriebsstrategie beeinflusst)
- PFCS
- Leistung Brennstoffzelle (kann variiert werden, muss mittelfristig PEM + PBNNV abdecken; durch Betriebsstrategie beeinflusst)
- PHVS
- Leistung HV-Speicher (= „Resultierende“, ergibt sich aus der Leistungsbilanz; durch Betriebsstrategie beeinflusst)
- P EM
- E-machine performance (driver request; not influenced by operating strategy)
- P BNNV
- Power on board electrical system and auxiliary consumers (storage heating or cooling, interior heating or cooling, 12 V consumers; partly influenced by operating strategy)
- P FCS
- Fuel cell performance (can be varied, must cover P EM + P BNNV in the medium term; influenced by operating strategy )
- P HVS
- HV storage capacity (= "resultant", results from the power balance; influenced by operating strategy)
PFCS => PHVS durch FCS-Leistungsanhebung oder -absenkung:
- → PFCS ≠ PEM + PBNNV
- → Laden / Entladen HV-Speicher
- → Erhöhung HV-Speichertemperatur
- → P FCS ≠ PEM + P BNNV
- → Charge / discharge HV storage
- → Increase in the HV storage tank temperature
Eine vorteilhafte erfindungsgemäße Funktionsstruktur wird im Folgenden anhand von
Erfindungswesentlich ist, dass die aktuell maximal möglichen Leistung PFCS_max der Brennstoffzelle
Das Fahrzeug wird im stationären Betrieb mit mindestens einem elektronisch steuerbaren Elektromotor
Der Momentenkoordinator
Die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit v_max kann zusätzlich auch von weiteren Fahrzeugparametern bestimmt werden, wie z. B. dem aktuellen Fahrwiderstand
Vorzugsweise wird eine Begrenzung auf die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit v_max nur bis zu einem vorgegebenen vergleichsweise niedrigen Geschwindigkeitsreduzierungsausmaß unterhalb der fahrerwunschbezogenen Soll-Leistung PEM_soll vorgenommen, damit der Fahrer eine nicht zu starke Leistungsbegrenzung empfindet.Preferably, a limitation to the maximum fuel cell power-related vehicle speed v_max is only made up to a predetermined, comparatively low amount of speed reduction below the driver's request-related target power P EM_soll so that the driver does not perceive an excessive power limitation.
Eine weitere Begrenzung der Fahrzeuggeschwindigkeit v wird beispielsweise durch das Zuschalten der Hochvoltbatterie
Auch kann die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit v_max abhängig von der maximal möglichen Leistung PHVS_max bzw. dem Ladezustand HVS_SOC der Hochvoltbatterie
Auch kann die Begrenzung auf die maximale brennstoffzellenleistungsbezogene Fahrzeuggeschwindigkeit v_max nur dann aktiviert werden, wenn die maximal möglichen Leistung PFCS_max der Brennstoffzelle
Schließlich wird die Erfindung noch anhand von 5 Phasen
- - Die obere Kurve beschreibt die Fahrzeuggeschwindigkeit v über der Zeit t.
- - Die mittlere Kurve beschreibt den Ladezustand der Hochvoltbatterie HVS_SOC über der Zeit t.
- - Die untere Kurve beschreibt den Fahrerwunsch bzw. den Fahrpedalwinkel FW über der Zeit t.
- - The upper curve describes the vehicle speed v over time t.
- - The middle curve describes the state of charge of the high-voltage battery HVS_SOC over time t.
- - The lower curve describes the driver's request or the accelerator pedal angle FW over time t.
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Legal Events
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R163 | Identified publications notified |