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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Zusatzspeichers in einem Kraftfahrzeug. Ein solcher elektrischer Zusatzspeicher kann zur Unterstützung des eigentlichen elektrischen Hauptspeichers des Kraftfahrzeugs, beispielsweise der sogenannten Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs, vorgesehen sein, um einen Fahrantrieb des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen und/oder elektrische Energie von dem Fahrantrieb abzunehmen, wenn dieser in einem Generatorbetrieb elektrische Energie beim Abbremsen des Kraftfahrzeugs erzeugt. Um das Verfahren durchzuführen, ist durch die Erfindung auch eine Steuerschaltung zum Betreiben eines elektrischen Zusatzspeichers bereitgestellt. Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Steuerschaltung.
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Ein Kraftfahrzeug kann als Fahrantrieb zumindest eine elektrische Maschine aufweisen, wobei bei ausschließlicher Verwendung von zumindest einer elektrischen Maschine das Kraftfahrzeug als sogenanntes Elektrofahrzeug bezeichnet wird, während bei einer Kombination aus zumindest einer elektrischen Maschine und einem Verbrennungsmotor das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug bezeichnet wird. Um die zumindest eine elektrische Maschine eines solchen Fahrantriebs mit elektrischer Energie zu versorgen, kann eine elektrische Batterie (elektrochemischer Akkumulator) bereitgestellt sein, die auch als Traktionsbatterie bezeichnet wird. Es kann sich hierbei um eine Batterie mit Hochvolt-Spannung (größer als 60 Volt) oder beispielsweise auch um eine 48-Volt-Batterie handeln. Bei einem solchen Hauptspeicher kann gewünscht sein, die sogenannte Energie/Leistungsdichte zugunsten der Energiedichte auszulegen, um Energie für den Fahrbetrieb im Hauptspeicher speichern zu können. Dies kann damit einhergehen, dass der Energiefluss, das heißt die Leistung, die von einem solchen Hauptspeicher bereitgestellt werden kann, begrenzt ist.
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Aus der
DE 10 2016 013 251 A1 ist bekannt, in einem Kraftfahrzeug als elektrischen Zusatzspeicher einen Kondensator bereitzustellen, um für einen Beschleunigungsbetrieb des Kraftfahrzeugs, wenn dessen Fahrgeschwindigkeit vergrößert werden soll, zusätzliche elektrische Leistung auch dem Kondensator zur Verfügung stellen zu können.
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Damit stellt man aber in einem Kraftfahrzeug für die verhältnismäßig seltenen Beschleunigungsvorgänge zusätzliche Technologie bereit, die ansonsten nicht genutzt werden kann.
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Aus der
DE 10 2017 206 471 A1 und der
DE 10 2017 206 472 A1 ist bekannt, dass man während eines Betriebs eines Kraftfahrzeugs eine vorbereitende Ladestrategie für einen Zusatzspeicher in Form eines Kondensators vorsehen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Kraftfahrzeug mit elektrischem Hauptspeicher die Einsatzmöglichkeit eines zusätzlichen elektrischen Zusatzspeichers auf mehr als ein einzelnes Betriebsszenario oder Betriebsereignis auszuweiten.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist ein Verfahren bereitgestellt, um einen elektrischen Zusatzspeicher in einem Kraftfahrzeug zu betreiben. Ein solcher Zusatzspeicher kann beispielsweise einen Doppelschichtkondensator oder mehrere Doppelschichtkondensatoren umfassen. Eine andere Bezeichnung für einen solchen Doppelschichtkondensator ist auch Supercap. Für den Betrieb ist der Zusatzspeicher über einen DC-DC-Wandler (Gleichspannungswandler) mit einem elektrischen Hauptspeicher des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Zusätzlich ist vorgesehen, dass sowohl der Hauptspeicher als auch der Zusatzspeicher über ein elektrisches Bordnetz mit zumindest einer elektrischen Maschine des Fahrantriebs des Kraftfahrzeugs gekoppelt sind. Ein solches elektrisches Bordnetz kann beispielsweise auf der Grundlage von Kabeln und/oder Stromschienen realisiert sein. Der Begriff „elektrische Maschine“ soll hier auch den jeweiligen Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine umfassen.
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Das in dieser Konstellation vorgesehene erfindungsgemäße Verfahren kann durch eine Steuerschaltung durchgeführt werden, die beispielsweise als ein Steuergerät oder als ein Verbund mehrerer Steuergeräte realisiert sein kann. Durch die Steuerschaltung wird aus mehreren vorbestimmten Vorbereitungsstrategien eine aktuelle Vorbereitungsstrategie in Abhängigkeit von einem Auswahlkriterium ausgewählt. Durch jede Vorbereitungsstrategie wird hierbei jeweils für den Zusatzspeicher ein jeweiliger Zielladezustand vorgegeben, der vorliegen soll, wenn ein vorbestimmtes Betriebsereignis in dem Kraftfahrzeug eintritt. Von dem Zielladezustand aus muss also auf zumindest ein vorbestimmtes Betriebsereignis des Kraftfahrzeugs mittels des Zusatzspeichers reagiert werden, indem der Zusatzspeicher bei Eintreten des jeweiligen Betriebsereignisses mit einem vorbestimmten Kompensationsbetrieb dieses Betriebsereignis kompensiert oder auf dieses reagiert. Die Vorbereitungsstrategie bereitet also den Zusatzspeicher auf zumindest ein vorbestimmtes Betriebsereignis vor, indem ein Zielladezustand für den Zusatzspeicher vorgegeben wird, von dem aus dann auf das Betriebsereignis mittels des Kompensationsbetriebs für den Zusatzspeicher reagiert wird. In Abhängigkeit von der ausgewählten, aktuellen Vorbereitungsstrategie wird dann durch die Steuerschaltung durch Ansteuern des DC-DC-Wandlers elektrische Energie zwischen dem Zusatzspeicher einerseits und dem Hauptspeicher und/oder der elektrischen Maschine andererseits ausgetauscht. Der Zielladezustand wird also mittels des DC-DC-Wandlers eingestellt, wobei als elektrische Energiequelle und/oder elektrische Energiesenke zum Einstellen des Zielladezustands der Hauptspeicher und/oder die zumindest eine elektrische Maschine verwendet wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Zusatzspeicher seine Energie an einen Entladewiderstand abgibt, also die Energie mittels des Entladewiderstands in Wärme umgewandelt wird, ohne dass eine Zusatzfunktion bereitgestellt wird. Diese Vorbereitungsstrategie wird durchgeführt, bis der Zielzustand, der durch die aktuelle, ausgewählte Vorbereitungsstrategie vorgegeben ist, erreicht ist. Damit ist also der Zusatzspeicher auf zumindest ein Betriebsereignis vorbereitet.
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Durch die Steuerschaltung wird ein Ereignissignal empfangen, welches das zumindest Betriebsereignis signalisiert. Falls das Ereignissignal empfangen wird, wird in Abhängigkeit von dem durch das empfangene Ereignissignal signalisierten Betriebsereignis der Zusatzspeicher in dem besagten Kompensationsbetrieb, der für das signalisierte Betriebsereignis vorgesehen ist, betrieben. Der Kompensationsbetrieb sieht also die Reaktion auf das signalisierte Betriebsereignis vor. Handelt es sich bei dem Betriebsereignis beispielsweise um ein Beschleunigungsereignis, weil beispielsweise der Fahrer des Kraftfahrzeugs das Kraftfahrzeug schneller fahren möchte und dies beispielsweise durch Betätigen des Gaspedals signalisiert, so kann der Kompensationsbetrieb darin bestehen, dass mittels des Zusatzspeichers zusätzliche elektrische Energie an die zumindest eine elektrische Maschine des Fahrantriebs abgegeben wird.
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Da erfindungsgemäß mehrere Vorbereitungsstrategien bereitgestellt sind, ergibt sich der Vorteil, dass der Zusatzspeicher für unterschiedliche Betriebsereignisse jeweils mit einem angepassten oder zugehörigen Kompensationsbetrieb betrieben werden kann und dieser Kompensationsbetrieb dadurch garantiert oder vorbereitet wird, dass vor dem jeweiligen Betriebsereignis der Zusatzspeicher mittels einer Vorbereitungsstrategie auf einen Zielladezustand gebracht wird, der für den jeweiligen Kompensationsbetrieb vorgesehen oder nützlich sein kann.
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Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Mehrere Ausführungsformen betreffen die möglichen Betriebsereignisse, auf die mittels des Zusatzspeichers reagiert werden kann.
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In einer Ausführungsform ist eine Vorbereitungsstrategie für ein Bremsereignis als mögliches Betriebsereignis vorgesehen. Hierzu gibt der Zielladezustand einen Wert < 50%, insbesondere < 30%, der maximalen Speicherkapazität des Zusatzspeichers vor. Der Kompensationsbetrieb für das Bremsereignis umfasst dann, dass elektrische Energie, die durch einen Generatorbetrieb der zumindest einen elektrischen Maschine beim Abbremsen des Kraftfahrzeugs erzeugt wird, in dem Zusatzspeicher gespeichert wird. Der Zusatzspeicher wird also zum Aufnehmen der rekuperativ mittels des Generatorbetriebs gewonnenen Energie genutzt. Da der Zusatzspeicher eine größere Leistungsdichte als der Hauptspeicher aufweisen kann, kann während des Bremsereignisses oder Bremsbetriebs des Kraftfahrzeugs mehr Energie aufgenommen werden, als wenn ausschließlich der Hauptspeicher die gewonnene elektrische Energie aufnehmen sollte.
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In einer Ausführungsform wird dann nach dem Bremsereignis durch Ansteuern des DC-DC-Wandlers zumindest ein Teil der in dem Zusatzspeicher gespeicherten Energie aus dem Bremsereignis in den Hauptspeicher umgeladen. Somit kann also der Zielladezustand des Zusatzspeichers wieder erreicht werden (Senken des Ladezustands auf den Zielladezustand), ohne dass die beim vorangegangenen Bremsereignis gewonnene Bremsenergie verlorengeht.
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In einer Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug mit einer vorbestimmten Nennbremsleistung ausgestattet, wie sie beispielsweise in einer Spezifikation oder einer Produktbeschreibung des Kraftfahrzeugs angegeben sein kann. Hierbei muss aber diese Nennbremsleistung nicht vollständig durch eine Bremsanlage des Kraftfahrzeugs bereitgestellt sein, sondern die Bremsanlage des Kraftfahrzeugs kann eine maximale Bremsleistung aufweisen, die kleiner als die Nennbremsleistung ist. Mit anderen Worten weist das Kraftfahrzeug eine größere Nennbremsleistung auf, als durch die Bremsanlage bereitgestellt werden kann. Das Kraftfahrzeug kann also mit einer technisch einfacheren Bremsanlage ausgestattet sein als die Nennbremsleistung verlangt. Die Steuerschaltung stellt durch Ansteuern des DC-DC-Wandlers bei dem Bremsereignis einen bis zur Nennbremsleistung fehlenden Teil der für die Nennbremsleistung benötigten gesamten Bremsleistung durch Aufnehmen der Energie aus der zumindest einen elektrischen Maschine bereit. Mit anderen Worten wird also zusätzlich mittels der zumindest einen elektrischen Maschine gebremst, und die hierbei erzeugte elektrische Energie wird in den Zusatzspeicher durch Ansteuern des DC-DC-Wandlers geleitet. Somit kann in dem Kraftfahrzeug eine leichtere Bremsanlage bereitgestellt werden, als es für das Bereitstellen der Nennbremsleistung notwendig wäre, wenn ausschließlich eine hydraulische Bremsanlage verwendet würde. Die in den Zusatzspeicher abgeführte elektrische Energie kann dann in der beschriebenen Weise in den Hauptspeicher umgeladen werden und/oder über den beschriebenen Entladewiderstand abgebaut oder vernichtet (in Wärme umgewandelt) werden.
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Bisher wurde als mögliche Vorbereitungsstrategie die Vorbereitung auf ein Bremsereignis beschrieben.
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In einer Ausführungsform ist zusätzlich oder alternativ dazu eine Vorbereitungsstrategie für ein Beschleunigungsereignis vorgesehen, und hierzu gibt der Zielladezustand einen Wert von größer als 50%, insbesondere größer als 70%, der maximalen Speicherkapazität des Zusatzspeichers vor. Der dann bei Eintreten des Beschleunigungsereignisses, also bei dessen Signalisierung durch das Ereignissignal vorgesehene Kompensationsbetrieb sieht vor, dass aus dem Zusatzspeicher elektrische Energie in die zumindest eine elektrische Maschine, die durch einen Motorbetrieb die Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs vergrößert, ausgegeben wird. Dieser Vorgang wird auch als „Boosten“ bezeichnet, da es hier um zusätzliche Energie geht, die zusätzlich zur elektrischen Energie aus dem Hauptspeicher an die zumindest eine elektrische Maschine abgegeben wird.
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In einer Ausführungsform wird der benötigte Zielladezustand in einer der Vorbereitungsstrategien adaptiv festgelegt. Bei dieser Ausführungsform ist eine der Vorbereitungsstrategien für eine Fahreridentifikation eines Fahrers des Kraftfahrzeugs vorgesehen. Wird also durch eine Erkennungseinrichtung ein Fahrer erkannt und dessen Fahreridentifikation signalisiert, so wird diese Vorbereitungsstrategie für diesen Fahrer ausgewählt oder aktiviert. Bei dieser Vorbereitungsstrategie wird der Zielladezustand auf einen Wert eingestellt, der auf der Grundlage von historischen Fahrdaten dieses Fahrers mittels einer vorbestimmten Optimierungsvorschrift und/oder fest vorgegebenen Konfigurationsdaten ermittelt wird. Diese fahrerbezogene Vorbereitungsstrategie berücksichtigt also das Fahrverhalten des Fahrers. Der Kompensationsbetrieb sieht hierbei sowohl für Bremsereignisse eine Energieaufnahme aus der zumindest einen elektrischen Maschine (in der beschriebenen Weise) als auch für Beschleunigungsereignisse eine Energieabgabe an die zumindest eine elektrische Maschine (in der beschriebenen Weise) vor. Da diese beiden Ereignisse (Bremsereignis und Beschleunigungsereignis) dahingehend gegensätzlich sind, dass der Zielladezustand unterschiedlich ist, ist für die fahrerbezogene Vorbereitungsstrategie die Optimierungsvorschrift dahingehend vorgesehen, dass eine Energiemenge bei dem Kompensationsbetrieb insgesamt maximiert wird, also die Energiemenge der ausgetauschten Energie maximiert wird. Die Optimierungsvorschrift kann also berücksichtigen, wie häufig und wie stark der Fahrer beschleunigt und bremst. Hieraus kann die benötige Energieaufnahme und Energieabgabe berechnet werden und der Zielladezustand derart eingestellt werden, dass die Menge der ausgetauschten Energie maximiert wird, also der Zusatzspeicher maximal genutzt wird. Eine entsprechende Optimierungsvorschrift kann an sich dem Stand der Technik entnommen werden.
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Eine Erkennungseinrichtung zum Signalisieren einer Fahreridentifikation beim Erkennen eines Fahrers kann an sich dem Stand der Technik entnommen werden.
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Mehrere Ausführungsformen betreffen die Ausgestaltung des Auswahlkriteriums, anhand welchem aus den Vorbereitungsstrategien eine aktuelle Vorbereitungsstrategie ausgewählt wird. Die Auswahl kann beispielsweise jeweils bei einem Start oder Beginn einer Fahrt des Kraftfahrzeugs und/oder während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs getroffen werden oder stattfinden.
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In einer Ausführungsform umfasst das Auswahlkriterium, dass die Auswahl durch einen aktuell eingestellten Fahrmodus des Kraftfahrzeugs festgelegt wird. Typische Bezeichnungen für Fahrmodi sind: „Sport“, „Komfort“, „Eco“. Entsprechend dem aktuell eingestellten Fahrmodus kann dann auch die Vorbereitungsstrategie gewählt werden.
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Zusätzlich oder alternativ dazu ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Auswahlkriterium umfasst, dass die Auswahl nach Empfangen mehrerer Ereignissignale der beschriebenen Art mittels einer statistischen Mehrheitsauswertung und/oder Mittelwertsauswertung der durch die empfangenen Ereignissignale signalisierten Betriebsereignisse festgelegt wird. Mit anderen Worten wird anhand des Ereignissignals durch die Steuerschaltung beobachtet, ob beispielsweise mehr Bremsereignisse oder mehr Beschleunigungsereignisse vorliegen, für welche jeweils der Zusatzspeicher genutzt werden könnte. Beispielsweise können solche Betriebsereignisse erfasst oder berücksichtigt werden, für welche eine benötigte elektrische Leistung zum Bereitstellen und/oder Aufnehmen von elektrischer Energie oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt. Anhand der mehreren signalisierten Betriebsereignisse kann dann eine für die aktuelle Fahrt geeignete Vorbereitungsstrategie gewählt werden.
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In einer Ausführungsform umfasst das Auswahlkriterium, dass Situationsdaten betreffend eine aktuelle Fahrsituation des Fahrzeugs empfangen werden und mittels einer vorbestimmten Zuordnungsvorschrift den empfangenen Situationsdaten die auszuwählende aktuelle Vorbereitungsstrategie zugeordnet wird. Die Auswahl erfolgt also durch Beobachten oder Auswerten von Situationsdaten. Die Situationsdaten beschreiben dabei zumindest einen der folgenden Aspekte: eine Fahrgeschwindigkeit, ein beobachtetes Beschleunigungsverhalten, ein historisches Fahrprofil des Kraftfahrzeugs oder des erkannten Fahrers, eine geplante vorausliegende Fahrroute und zugehörige Beschreibungsdaten betreffend einen Straßenverlauf, eine Straßenbeschaffenheit, gesetzliche Geschwindigkeitsvorgaben und/oder die Geländetopografie. Je höher die Fahrgeschwindigkeit ist, desto größer ist beispielsweise die Wahrscheinlichkeit für ein Bremsereignis (im Vergleich zu einem Beschleunigungsereignis). Je niedriger die Fahrgeschwindigkeit ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für ein Beschleunigungsereignis (im Vergleich zu einem Bremsereignis). Anhand der Fahrroute kann ermittelt werden, ob beispielsweise eine kurvige Fahrt vorausliegt und entsprechend die Wahrscheinlichkeit für Bremsereignisse ermittelt werden. Anhand der Situationsdaten kann beispielsweise jeweils eine Wahrscheinlichkeit für Bremsereignisse und eine Wahrscheinlichkeit für Beschleunigungsereignisse ermittelt werden. Dann kann die Vorbereitungsstrategie entsprechend gewählt werden (beispielsweise Vorbereitungsstrategie für Bremsereignisse oder Beschleunigungsereignisse oder die beschriebene adaptive Vorbereitungsstrategie mit einem Zielladezustand, welcher den Wahrscheinlichkeiten für Bremsereignisse und Beschleunigungsereignisse entspricht.
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Um das erfindungsgemäße Verfahren in einem Kraftfahrzeug durchzuführen, ist eine Steuerschaltung für einen DC-DC-Wandler bereitgestellt, um einen Energieaustausch zwischen einem elektrischen Zusatzspeicher einerseits und einem elektrischen Hauptspeicher und/oder einem elektrischen Bordnetz eines Kraftfahrzeugs andererseits zu steuern. Erfindungsgemäß ist hierbei die Steuerschaltung dazu eingerichtet, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Hierzu kann die Steuerschaltung zumindest eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller aufweisen kann. Die Prozessoreinrichtung kann einen Datenspeicher aufweisen, der mit dem zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller gekoppelt sein kann und in welchem Programminstruktionen gespeichert sein können, die bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung diese veranlassen, die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Steuerschaltung kann in der beschriebenen Weise als ein Steuergerät oder als Eingabe Verbund aus mehreren Steuergeräten realisiert sein. Der besagte DC-DC-Wandler kann in an sich bekannter Weise aus dem Stand der Technik entnommen sein. Der Zusatzspeicher kann auch über mehr als einen DC-DC-Wandler verschaltet sein, beispielsweise kann über jeweils einen DC-DC-Wandler ein elektrischer Pfad einerseits zum Hauptspeicher und andererseits zum elektrischen Bordnetz hin bereitgestellt sein. Der Zusatzspeicher kann auch über das Bordnetz sowohl mit dem Hauptspeicher als auch mit der zumindest einen elektrischen Maschine verschaltet sein.
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Zu der Erfindung gehört schließlich auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Hauptspeicher, der über ein elektrisches Bordnetz mit zumindest einer elektrischen Maschine eines Fahrantriebs verschaltet ist. Erfindungsgemäß ist bei dem Kraftfahrzeug ein elektrischer Zusatzspeicher über zumindest einen DC-DC-Wandler mit dem elektrischen Hauptspeicher und/oder dem Bordnetz gekoppelt, wobei der Zusatzspeicher zumindest einen Kondensator (insbesondere zumindest einen Doppelschichtkondensator) und/oder ein Batteriesystem mit anderer Zellchemie als der Zellchemie des elektrischen Hauptspeichers und/oder eine andere Energie/Leistungsdichte als der Hauptspeicher aufweist. In dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist eine Steuerschaltung gemäß der Erfindung bereitgestellt, um den zumindest einen DC-DC-Wandler zu steuern. Hierfür ist die Steuerschaltung mit diesem einen DC-DC-Wandler verschaltet oder gekoppelt.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; und
- 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung unterschiedlicher Energie/Leistungsdichten, die für einen Hauptspeicher und einen Zusatzspeicher des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein können.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, handeln kann. In dem Kraftfahrzeug 10 kann ein Fahrantrieb 11 bereitgestellt sein, der für einen Fahrbetrieb oder eine Fortbewegung des Kraftfahrzeugs 10 zumindest eine elektrische Maschine 12 aufweisen kann. Dargestellt ist beispielhaft nur eine einzelne elektrische Maschine 12, es können aber auch mehrere elektrische Maschinen 12, beispielsweise jeweils eine für eine Vorderachse und eine Hinterachse oder jeweils eine für eine Radnabe eines Rades des Kraftfahrzeugs 10 (nicht dargestellt), vorgesehen sein. Es kann optional auch ein Verbrennungsmotor im Fahrantrieb 11 umfasst sein, so dass das Kraftfahrzeug 10 ein Hybridfahrzeug wäre.
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In Bezug auf die jeweilige elektrische Maschine 12 kann diese einen Wechselrichter 13 und eine an sich bekannte Anordnung 14 aus Stator und Rotor aufweisen, welche mittels des Wechselrichters 13 mit einem mehrphasigen Wechselstrom versorgt werden kann.
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Zum Betreiben der zumindest einen elektrischen Maschine 12 des Fahrantriebs 11 kann die jeweilige elektrische Maschine 12 über ein Bordnetz 15 mit einem elektrischen Hauptspeicher 16 elektrisch verbunden sein. Über das elektrische Bordnetz 15 kann elektrische Energie 17 von beispielsweise dem Hauptspeicher 16 hin zur elektrischen Maschine 12 (wenn diese im Motorbetrieb betrieben wird) und/oder von der elektrischen Maschine 12 zurück beispielsweise zum Hauptspeicher 16 (wenn die elektrische Maschine 12 im Generatorbetrieb betrieben wird) übertragen werden. Das Bordnetz 15 kann hierzu zumindest ein Kabel und/oder zumindest eine Stromschiene aufweisen.
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Der Hauptspeicher 16 kann auf der Basis zumindest eines elektrochemischen Akkumulators (Batterie) bereitgestellt sein, wie dies durch das Batteriesymbol in 1 veranschaulicht ist. Ein Energiefluss der Energie 17 kann beispielsweise mittels des Wechselrichters 13 in an sich bekannter Weise gesteuert werden.
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In dem Kraftfahrzeug 10 kann zusätzlich zum Hauptspeicher 16 noch zumindest ein Zusatzspeicher 18 bereitgestellt sein. Der Zusatzspeicher 18 kann beispielsweise auf der Basis von zumindest einem Kondensator, insbesondere zumindest einem Doppelschichtkondensator, realisiert sein, wie dies in 1 durch das Kondensatorsymbol angedeutet ist. Die über das Bordnetz 15 ausgetauschte elektrische Energie 17 kann zusätzlich oder alternativ von dem Zusatzspeicher 18 bereitgestellt oder aufgenommen werden.
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Der Hauptspeicher 16 und der Zusatzspeicher 18 basieren dabei insbesondere auf unterschiedlichen Speichertechnologien für elektrische Energie.
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2 veranschaulicht hierzu eine mögliche Auswahl.
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In 2 sind unterschiedliche Speichertechnologien 19 in Bezug auf ihre Energie/Leistungsdichte miteinander verglichen. In dem in 2 dargestellten Diagramm sind auf der Abszisse eine Leistungsdichte P (Einheit Watt/kg) und auf der Ordinate die Energiedichte E (Einheit Wh/kg) beispielhaft aufgetragen. Zudem sind in Zeitangaben (in Stunden h und Sekunden s) Ladegeschwindigkeiten zum Aufladen der jeweiligen Speichertechnologien 19 beispielhaft angegeben. Als Technologien sind hier gewöhnliche elektrochemische Batteriezellen 20, Batteriezellen für Traktionsbatterien 21, Doppelschichtkondensatoren 22 und Schaltungskondensatoren 23 vorgesehen, wie sie beispielsweise als Filter oder Glättungskondensatoren in einer Schaltung verbaut sein können. Der Hauptspeicher 16 kann beispielsweise als Traktionsbatterie 21 ausgestaltet sein, der Zusatzspeicher 18 als Doppelschichtkondensator 22 oder als Verbund mehrerer Doppelschichtkondensatoren 22. 2 zeigt, dass in dem Hauptspeicher 16 zwar eine hohe Energiedichte E erreicht werden kann, aber die Stromstärke, wie sie durch die Leistungsdichte P ausgedrückt ist, ist geringer als bei einem Doppelschichtkondensator 22. Benötigt die elektrische Maschine 12 Energie 17 mit einer großen Leistung, beispielsweise für einen Beschleunigungsbetrieb oder ein Beschleunigungsereignis des Kraftfahrzeugs 10, so kann unter Umständen mit dem Hauptspeicher 16 die benötigte Leistung nicht bereitgestellt werden. Hier kann der Zusatzspeicher 18 genutzt werden. Wird in einem Bremsbetrieb oder einem Bremsereignis des Kraftfahrzeugs 10 im Generatorbetrieb Energie 17 von der zumindest einen elektrischen Maschine 12 erzeugt und in das Bordnetz 15 eingespeist, so kann diese Energie 17 unter Umständen nicht vollständig oder schnell genug, das heißt mit der ausreichend hohen Leistung, vom Hauptspeicher 16 aufgenommen werden. Auch hierzu kann der Zusatzspeicher 18 mit seiner höheren Leistungsdichte (im Vergleich zum Hauptspeicher 16) verwendet werden.
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Um einen Energiefluss oder Energieaustausch 24 (siehe 1) zwischen dem Zusatzspeicher 18 und dem Bordnetz 15 und/oder dem Hauptspeicher 16 zu steuern, kann der Zusatzspeicher 18 mit einem DC-DC-Wandler 25 gekoppelt oder verschaltet sein, welcher den Energieaustausch 24 in und aus dem Zusatzspeicher 18 steuert. Der DC-DC-Wandler 25 kann durch eine Steuerschaltung 26 gesteuert sein, welche ein Steuersignal 27 zum Steuern des DC-DC-Wandlers 25 erzeugen kann.
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Damit der Zusatzspeicher 18 im Falle eines Bremsereignisses ausreichend entladen ist, um Energie 17 aus der zumindest einen elektrischen Maschine 12 aufnehmen zu können, kann durch die Steuerschaltung 26 zumindest eine Vorbereitungsstrategie 28 bereitgehalten werden, die beispielsweise als ein Programmcode in einer Prozessoreinrichtung 29 der Steuerschaltung 26 implementiert sein kann. Welche der möglichen, bereitgehaltenen Vorbereitungsstrategien 28 ausgewählt wird, kann mittels eines Auswahlkriteriums 30 durch die Steuerschaltung 26 ermittelt werden.
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Die aktuell ausgewählte Vorbereitungsstrategie 28 ist hier als Vorbereitungsstrategie 28` bezeichnet. Durch die jeweils ausgewählte Vorbereitungsstrategie 28' ist für den Zusatzspeicher 18 ein Soll-Ladezustand oder Ziel-Ladezustand 31 vorgegeben, welcher die Steuerschaltung 26 mittels des Steuersignals 27 durch Ansteuern des DC-DC-Wandlers 25 einstellen kann.
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Die Steuerschaltung 26 kann in dem Kraftfahrzeug 10 ein Ereignissignal 32 empfangen, welches in dem Kraftfahrzeug 10 ein Betriebsereignis signalisiert, für welches die aktuell ausgewählte Vorbereitungsstrategie 28' vorgesehen ist. Das Ereignissignal 32 kann beispielsweise aus einem Datenbus 33 des Kraftfahrzeugs 10 von der Steuerschaltung 26 empfangen werden. Beispielsweise kann aus zumindest einem weiteren Steuergerät 34, das ebenfalls an den Datenbus 33 angeschlossen sein kann, das Ereignissignal 32 empfangen werden. Wird das Ereignissignal 32 empfangen und durch dieses ein Betriebsereignis signalisiert, für welches eine vorbestimmte Betriebsstrategie als Kompensationsbetrieb 35 vorgesehen ist, so wird das Einstellen oder Einregeln des Ziel-Ladezustands 31 unterbrochen und stattdessen für den Zusatzspeicher 28 der Kompensationsbetrieb 35 mittels des DC-DC-Wandlers 25 gefahren oder betrieben, durch welchen mittels des Energieaustauschs 24 der Zusatzspeicher 28 auf das signalisierte Betriebsereignis reagiert. Im Falle eines Bremsereignisses, wenn mittels der zumindest einen elektrischen Maschine 12 elektrische Energie 17 mittels Rekuperation (Generatorbetrieb) erzeugt wird, kann ausgehend vom Ziel-Ladezustand 31 der Zusatzspeicher 28 aufgeladen werden. Im Falle eines Beschleunigungsereignisses, wenn elektrische Energie 17 von der zumindest einen elektrischen Maschine 12 benötigt wird, kann der Zusatzspeicher 18 ausgehend vom Ziel-Ladezustand 31 entladen werden.
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Somit kann die Energie 17 mit einer elektrischen Leistung bereitgestellt werden, die größer ist als durch den Hauptspeicher 16 ermöglicht sein kann. Die zusätzliche Leistung (Energie pro Zeit oder Energiefluss) kann mittels des Zusatzspeichers 18 bereitgestellt werden.
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Die Leistungsfähigkeit des Elektrofahrzeugs (Kraftfahrzeug 10) hängt nun nicht mehr nur von der Fähigkeit der Hochvoltbatterie (Hauptspeicher 16) ab Strom oder elektrische Leistung aufzunehmen und abzugeben. Die maximalen Entladeströme beschränken die maximale Beschleunigung von Elektrofahrzeugen. Eine Erfahrung ist, egal welche Motorisierung der sportliche Nutzer gewählt hat, er wünscht sich immer noch mehr. Der Erfolg von Boostfunktionen in bekannten Elektroautos gibt Zeugnis davon. Durch die maximale Ladeleistung ist aber auch die Energieaufnahme durch Rekuperation bei Bremsungen beschränkt. Denn auf der anderen Seite ist der Wunsch nach viel Reichweite. Geringer Stromverbrauch steht dabei in direktem Kontrast zu dem Verlangen nach hoher Leistung. Kann der Stromverbrauch nicht weiter reduziert werden, kann nun die Möglichkeit geschaffen werden, möglichst viel Energie bei Bremsungen zurück zu gewinnen.
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Die zusätzliche Leistung erfordert entsprechende elektrische Ströme. Die verhältnismäßig trägen HV-Batterien oder Traktionsbatterien (siehe 2) beschränken den maximal verfügbaren Strom und damit auch die verfügbare Leistung. Kurzzeitige Erhöhung der Entladeströme ist so nicht möglich.
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Die durch Rekuperation beim Bremsen zurückgewonnene Energie ist ebenfalls stark eingeschränkt. Bei stärkeren Bremsungen fällt eine große Menge Energie an, die in sehr kurzer Zeit zu speichern ist. Traktionsbatterien sind aber gerade bei der Stromaufnahme stark beschränkt.
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Durch den schnellen und ausreichend dimensionierten Zusatzspeicher 18, z.B. Kondensatoren, lassen sich die benötigten Ströme für kurze Zeit (einzelne Betriebsereignisse) realisieren. Mit einer geschickten Betriebsstrategie (d.h. der Kombination aus Vorbereitungsstrategie und Kompensationsbetrieb) kann für unterschiedliche Betriebsereignisse der gleiche Zusatzspeicher verwendet werden. Der Übergang vom vollen in den leeren Zusatzspeicher kann dabei auch durch das Einbeziehen eines „Energievernichters“ wie z.B. eines Heizers oder allgemein eines Entladewiderstands zusätzlich oder statt der Batterie weiter optimiert werden.
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Ein schnelles Laden bzw. Entladen ist so möglich. Situationsbedingt dient der schnelle Speicher als Energielieferant für ein Boosten oder als Zwischenspeicher für den großen Energieanfall aus der Bremsenrekuperation. Für beide, eigentlich gegenläufigen Situationen, kann ein und derselbe Energiespeicher verwendet werden.
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Durch die Möglichkeit schnell Energie aufzunehmen, wird es möglich einen größereren Anteil der Energie aus stärkeren Bremsungen zu rekuperieren. Im Idealfall halten sich die Gewinne aus den Bremsungen und der Energieverbrauch zum Boosten die Wage und die Reichweite bleibt trotz sportlicher Fahrweise maximal.
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Ein weiterer Vorteil wird erreicht durch die Fähigkeit des schnellen Speichers bei starken Bremsungen ein Maximum an Energie aufzunehmen und so eine maximale Entlastung der Reibungsbremse zu erreichen. So kann ggf. die Bremse geringer dimensioniert werden.
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Situationsbasiert wird der (schnelle) Zusatzspeicher geladen oder entladen. Durch ein vorausschauendes Verhalten kann ein Maximum an Energie für die jeweilige Aufgabe zur Verfügung gestellt werden.
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Auf Grund von Situationsdaten, die beispielsweise Geschwindigkeit, Beschleunigungsverhalten, Fahrprofil, Navigantionsdaten (z.B. Straßentyp, Geschwindigkeiten, Topologie), Vorwahl durch den Fahrer, z.B. von Fahrprogrammen („sportlich“, ökologisch, „passiv“) signalisieren können, wird der schnelle Speicher vorbereitet auf die bevorstehende Aufgabe.
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Beispiel 1: Der schnelle Speicher dient in erster Linie dazu die Energie aus starken Bremsungen zu puffern und nach der Bremsung langsam an die Batterie abzugeben. Der Fahrer wählt per Menü die „Boostoption“ aus. Der schnelle Speicher wird vollgeladen. Der Ladevorgang kann dem Nutzer dabei angezeigt werden. Nach dem Laden kann er über das Gaspedal die erhöhte Beschleunigung abrufen.
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Beispiel 2: Der Nutzer hat den Fahrmodus „sportlich“ gewählt. Der Kondensator ist grundsätzlich erstmal voll. Nur wenn eine Notfallbremsung erkannt wird z.B. über ähnliche Faktoren wie bei der Preeloadfunktion (Fahrer geht sehr schnell vom Gas) wird der Kondensator geleert, idealerweise in die Batterie, oder mittels „Energievernichter“. Der leere schnelle Speicher ist dann bereit um die Energie aufzunehmen, die bei der anschließenden Bremsung anfallen.
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Die in 2 gezeigte Grafik verdeutlicht das Potential von (schnellen) Zusatzspeichern bezüglich Energiedichte und Ladegeschwindigkeit. Sogenannte „Supercaps“ z.B. können viel Leistung für eine kurze Zeit aufnehmen oder abgeben. Das können Sie beliebig oft und unabhängig von der Temperatur.
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Insgesamt ist der Zusatzspeicher steuerbar und parallel zur Batterie bereitgestellt. Erreicht wird dies mittels einer Wandlerschaltung (z.B. in einem Steuergerät), die den Zusatzspeicher je nach Fahrprogramm vorbereitet, was zu einer Rekuperationserhöhung bei einer Bremsung (Speicher möglichst leer) führen kann. Nach dem Rekuperieren kann dann die rückgewonnene Energie an die Batterie abgeben werden, mit einem kleineren Strom in Richtung der Batterie. Auch ein sportliches Programm kann bereitgestellt werden, um z.B. vor einem Kick-down (Gaspedal durchtreten) den Zusatzspeicher voll zu halten, dann für die Beschleunigung einen Strom aus Batterie und Speicherfeste zusammen zu erhalten.
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Die Vorbereitungsstrategien können als auswählbare Betriebprogramme oder automatisches Umschalten eingestellt werden. Für ein automatisches Umschalten kann ein Steuergerät genutzt werden, dass in dem Fall, dass Fahrer geht schnell vom Gas geht auch eine Preload-Funktion (Lüftspiel an der hydraulischen Bremse verringern) ausführt. Dann kann auch schnell der Zusatzspeicher z.B. in die Batterie entladen werden und damit der Zusatzspeicher automatisch vorbereitet werden. Auch auf Grundlage von Navigationsdaten kann eine Auswahl einer Vorbereitungsstrategie erfolgen. Bei schneller Fahrt (Fahrgeschwindigkeit größer als Schwellenwert) kann bei einer vorausliegenden Kurve ein Bremsereignis erwartet werden und auf eine entladende Vorbereitungsstrategie umgeschaltet werden. Bei einer erkenne einer sportlichen Fahrweise, die ein Binärkriterium erfüllt (sogenanntes binäres Wechseln zwischen Vollgas und Bremsung) kann auf eine ladende Vorbereitungsstrategie umgeschaltet werden.
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Die Vorbereitungsstrategien können in Bezug auf ihre Ausgestaltung auch adaptiv ausgestaltet sein.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung für ein Elektrofahrzeug ein Stromspeicher zum Puffern beim Boosten und zur Bremsentlastung bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016013251 A1 [0003]
- DE 102017206471 A1 [0005]
- DE 102017206472 A1 [0005]
