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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugsteuergerät gemäß Patentanspruch 1, ein Antriebssystem gemäß Patentanspruch 5 und ein Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugsteuergeräts gemäß Patentanspruch 9 und ein Verfahren zum Betrieb des Antriebssystems gemäß Patentanspruch 10.
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Es ist ein Elektrofahrzeug mit einem Antriebsmotor, einem elektrischen Energiespeicher und einem Fahrzeugsteuergerät bekannt, wobei das Fahrzeugsteuergerät in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung eine Leistungsübertragung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Antriebsmotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs steuert. Der elektrische Energiespeicher wird in Abhängigkeit zahlreicher Rahmenbedingungen ausgelegt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeugsteuergerät, ein verbessertes Antriebssystem und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugsteuergeräts sowie zum Betrieb des Antriebssystems bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mittels der Merkmale der Hauptansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Es wurde erkannt, dass ein verbessertes Fahrzeugsteuergerät für ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs dadurch bereitgestellt werden kann, dass das Fahrzeugsteuergerät eine Steuereinrichtung, eine erste Eingangsseite, eine zweite Eingangsseite, eine Datenschnittstelle und eine Ausgangsseite aufweist. Die mit der Steuereinrichtung verbundene erste Eingangsseite ist mit dem ersten elektrischen Energiespeicher und die mit der Steuereinrichtung verbundene zweite Eingangsseite ist mit einem zweiten elektrischen Energiespeicher elektrisch verbindbar. Die Datenschnittstelle ist mit der Steuereinrichtung verbunden und ausgebildet, eine Information über eine Leistungsanforderung zu erfassen und der Steuereinrichtung bereitzustellen. Die Ausgangsseite ist mit einem Antriebmotor des Kraftfahrzeugs verbindbar. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, in Abhängigkeit der Leistungsanforderung eine elektrische Kopplung der ersten Eingangsseite und/oder der zweiten Eingangsseite mit der Ausgangsseite zu steuern.
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Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass wenigstens zwei elektrische Energiespeicher unterschiedlicher Bauart durch das Fahrzeugsteuergerät mit einem ggf. einzigen Antriebsmotor koppelbar sind. Ferner wird die Bauteilanzahl des Antriebssystems besonders geringgehalten. Die Kopplung der wenigstens zwei elektrischen Energiespeicher mit dem Fahrzeugsteuergerät hin zu dem Antriebsmotor kann im Betrieb dynamisch variiert werden. Dadurch kann mittels des Fahrzeugsteuergeräts ein besonders agiles und reichweitenstarkes Antriebssystem erzielt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist an der Datenschnittstelle eine Information über wenigstens einen ersten Betriebsparameter des ersten elektrischen Energiespeichers und eine Information über einen zweiten Betriebsparameter des zweiten elektrischen Energiespeichers erfassbar, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, den ersten Betriebsparameter und den zweiten Betriebsparameter bei der Steuerung der Kopplung der ersten und/oder zweiten Eingangsseiten mit der Ausgangsseite zu berücksichtigen. Der erste und zweite Betriebsparameter kann beispielsweise eine Temperatur, ein Ladezustand und/oder ein Status, beispielsweise ein Fehlerstatus, sein. Durch die Berücksichtigung bei der Kopplung durch die Steuereinrichtung kann flexibel die Steuereinrichtung auf den Betriebszustand der elektrischen Energiespeicher reagieren und zum Beispiel bei Überhitzung oder Entladung eines der elektrischen Energiespeicher die Fahrfähigkeit des Kraftfahrzeugs durch Entnahme von elektrischer Energie aus dem anderen elektrischen Energiespeicher sicherstellen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Fahrzeugsteuergerät einen ersten Spannungswandler und einen zweiten Spannungswandler auf, wobei der erste Spannungswandler mit der ersten Eingangsseite und mit der Ausgangsseite elektrisch verbunden ist. Der zweite Spannungswandler ist mit der zweiten Eingangsseite und mit der Ausgangsseite elektrisch verbunden. Der erste Spannungswandler ist ausgebildet, eine erste elektrische Leistung zwischen einer an der ersten Eingangsseite anlegbaren ersten Batteriespannung und einer an der Ausgangsseite anlegbaren Antriebsspannung zu wandeln. Der zweite Spannungswandler ist ausgebildet, eine zweite elektrische Leistung zwischen einer an der zweiten Eingangsseite anlegbaren zweiten Batteriespannung und der Antriebsspannung zu wandeln. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das Fahrzeugsteuergerät keine Limitierung dahingehend setzt, welche Batteriespannung die an den Eingangsseiten anschließbaren elektrischen Energiespeicher haben müssen. Dadurch können die elektrischen Energiespeicher eine unterschiedliche Batteriespannung aufweisen. Dadurch ist das Fahrzeugsteuergerät flexibel in verschiedenen Antriebssträngen einsetzbar und ist dahingehend nicht limitiert, dass die beiden elektrischen Energiespeicher die gleiche Batteriespannung aufweisen müssen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Fahrzeugsteuergerät einen mit der Steuereinrichtung verbundenen ersten Stromregler und einen mit der Steuereinrichtung verbundenen zweiten Stromregler auf. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, auf Grundlage der Leistungsanforderung den ersten Stromregler und den zweiten Stromregler derart zu steuern, dass der erste Stromregler einen zwischen der ersten Eingangsseite und der Ausgangsseite übertragenen ersten elektrischen Strom und der zweite Stromregler einen zwischen der zweiten Eingangsseite und der Ausgangsseite übertragenen zweiten elektrischen Strom steuert. Insbesondere kann mittels der Steuerung der jeweils übertragene elektrische Strom durch den jeweiligen Stromregler begrenzt werden. Durch den Spannungswandler und den Stromregler wird somit jeweils die zwischen der zugehörigen Eingangsseite und der Ausgangsseite übertragene erste bzw. zweite elektrische Leistung definiert festgelegt, sodass eine elektrische und/oder thermische Überlastung des elektrischen Energiespeichers vermieden wird. Ferner kann dadurch definiert, je nach Fahrsituation bzw. Leistungsanforderung, dynamisch die elektrische Leistungsübertragung durch das Fahrzeugsteuergerät zwischen den elektrischen Energiespeichern und dem Antriebsmotor definiert gesteuert werden. Dadurch kann das Antriebssystem zum einen eine hohe Reichweite, aber auch zum anderen ein besonders dynamisches Verhalten aufweisen.
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Ein besonders gutes Antriebssystem kann dadurch bereitgestellt werden, dass das Antriebssystem wenigstens einen Antriebsmotor, ein Fahrzeugsteuergerät, einen ersten elektrischen Energiespeicher und einen unterschiedlich zum ersten elektrischen Energiespeicher ausgebildeten zweiten elektrischen Energiespeicher aufweist. Das Fahrzeugsteuergerät ist wie oben beschrieben ausgebildet. Dabei sind die erste Eingangsseite elektrisch mit dem ersten elektrischen Energiespeicher und die zweite Eingangsseite elektrisch mit dem zweiten elektrischen Energiespeicher verbunden. Die Ausgangsseite ist mit dem Antriebsmotor elektrisch verbunden. Das Fahrzeugsteuergerät ist ausgebildet, in Abhängigkeit der Leistungsanforderung eine erste elektrische Leistung zwischen der ersten Eingangsseite und der Ausgangsseite und/oder eine zweite elektrische Leistung zwischen der zweiten Eingangsseite und der Ausgangsseite zur Bereitstellung einer elektrischen Antriebsleistung zum Betrieb des Antriebsmotors zu übertragen.
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Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass durch die verteilte Leistungsübertragung zum einen die beiden elektrischen Energiespeicher geschont werden und zum anderen dadurch eine Entladung der jeweiligen elektrischen Energiespeicher gezielt gesteuert werden kann. Ferner kann durch das Fahrzeugsteuergerät gezielt die Übertragung der elektrischen Leistung gesteuert werden, sodass in Abhängigkeit der Leistungsanforderung bzw. einer Fahrsituation, die mit der Leistungsanforderung korreliert, und einem chemischen und/oder konstruktiven Ausbau des elektrischen Energiespeichers die elektrische Leistung übertragen werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der erste elektrische Energiespeicher einen unterschiedlichen mechanischen und/oder unterschiedlichen chemischen Aufbau zu dem zweiten elektrischen Energiespeicher auf. Dies resultiert in einer unterschiedlichen spezifischen maximalen Leistung des ersten elektrischen Energiespeichers zu dem zweiten elektrischen Energiespeicher. Ferner weist der erste elektrische Energiespeicher eine unterschiedliche spezifische Speicherkapazität gegenüber dem zweiten elektrischen Energiespeicher auf. Die Verwendung von unterschiedlich ausgebildeten elektrischen Energiespeichern hat den Vorteil, dass die elektrischen Energiespeicher jeweils auf bestimmte Fahrsituationen bzw. Leistungsanforderungen gezielt sind.
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So kann beispielsweise der erste elektrische Energiespeicher dazu ausgelegt sein, dass der erste elektrische Energiespeicher eine besonders hohe spezifische Speicherkapazität aufweist. Dadurch kann mit dem ersten elektrischen Energiespeicher besonders viel elektrische Energie gespeichert werden, sodass eine besonders hohe Reichweite für das Antriebssystem sichergestellt ist. Der zweite elektrische Energiespeicher kann beispielsweise dahingehend optimiert sein, dass der zweite elektrische Energiespeicher eine besonders hohe spezifische Leistungsfähigkeit aufweist. Da mit einer besonders hohen spezifischen Leistung gleichzeitig die spezifische Speicherkapazität abnimmt, kann der zweite elektrische Energiespeicher besonders für die Bereitstellung von einer hohen zweiten elektrischen Leistung ausgelegt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der erste elektrische Energiespeicher eine erste elektrische Speicherkapazität auf und ist ausgebildet, eine erste spezifische maximale elektrische Leistung bereitzustellen. Der zweite elektrische Energiespeicher weist eine zweite elektrische Speicherkapazität auf und ist ausgebildet, eine zweite spezifische maximale elektrische Leistung bereitzustellen. Die erste elektrische Speicherkapazität ist größer als die zweite elektrische Speicherkapazität. Die zweite spezifische maximale elektrische Leistung ist größer als die erste spezifische maximale elektrische Leistung. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, die erste und zweite elektrische Speicherkapazität sowie die erste und zweite maximal zulässige Leistung bei der Steuerung der Kopplung der ersten und/oder zweiten Eingangsseite mit der Ausgangsseite zu berücksichtigen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der erste elektrische Energiespeicher eine erste elektrische Batteriespannung und der zweite elektrische Energiespeicher eine zweite elektrische Batteriespannung auf, wobei die erste elektrische Batteriespannung unterschiedlich zu der zweiten elektrischen Batteriespannung ist. An dem Antriebsmotor liegt im Betrieb des Antriebsmotors eine elektrische Antriebsspannung an. Durch die beiden Spannungswandler können die beiden elektrischen Energiespeicher unterschiedliche Batteriespannungen aufweisen, sodass diese optimiert ausgewählt werden können. Die Optimierung kann zusätzlich auch im Rahmen des verfügbaren Bauraums für die elektrischen Energiespeicher erfolgen, sodass auch dadurch die elektrischen Energiespeicher unterschiedliche Batteriespannungen aufweisen können.
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In einem Verfahren zum Betrieb des oben betriebenen Fahrzeugsteuergeräts wird eine Leistungsanforderung an das Antriebssystem erfasst. Die Erfassung kann beispielsweise mittels einer Eingabeeinrichtung, beispielsweise einer Pedalerie, erfolgen. Auch kann die Leistungsanforderung an das Antriebssystem mittels eines Datensignals von einer teil- oder vollautonomen Fahrzeugsteuerung an das Antriebssystem bereitgestellt werden. In Abhängigkeit der Leistungsanforderung wird eine erste elektrische Leistung zwischen der ersten Eingangsseite und der Ausgangsseite und/oder eine zweite elektrische Leistung zwischen der zweiten Eingangsseite und der Ausgangsseite übertragen.
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In einem Verfahren zum Betrieb des oben beschriebenen Antriebssystems wird eine Leistungsanforderung an das Antriebssystem erfasst. Die Leistungsanforderung kann beispielsweise mittels einer Eingabeeinrichtung oder als Datensignal einer teil- oder vollautonomen Fahrzeugsteuerung dem Fahrzeugsteuergerät bereitgestellt werden. In Abhängigkeit der Leistungsanforderung wird eine erste elektrische Leistung zwischen dem ersten elektrischen Energiespeicher und dem Antriebsmotor und/oder eine zweite elektrische Leistung zwischen dem zweiten elektrischen Energiespeicher und dem Antriebsmotor als elektrische Antriebsleistung übertragen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die elektrischen Energiespeicher in Abhängigkeit der jeweiligen Leistungsanforderung zum einen ausgelegt, aber auch betrieben werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die erste elektrische Leistung vom ersten elektrischen Energiespeicher und/oder die zweite elektrische Leistung vom zweiten elektrischen Energiespeicher an den Antriebsmotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs übertragen. Die erste und/oder zweite elektrische Leistung können am Antriebsmotor zu einer Gesamtleistung aufsummiert werden, sodass die vom Antriebsmotor aufgenommene Antriebsleistung P besonders hoch ist. Dadurch kann der Antriebsmotor besonders schnell das Kraftfahrzeug beschleunigen oder abbremsen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird zum Abbremsen des Antriebssystems der Antriebsmotor generatorisch betrieben und elektrische Bremsleistung bereitgestellt. Die elektrische Bremsleistung wird in die erste elektrische Leistung und die zweite elektrische Leistung aufgeteilt. Die erste elektrische Leistung wird dem ersten elektrischen Energiespeicher und die zweite elektrische Leistung wird dem zweiten elektrischen Energiespeicher zugeführt. Dadurch kann im generatorischen Betrieb der erste und zweite elektrische Energiespeicher optimiert geladen werden. Dadurch kann der Einsatz der mechanischen Fahrzeugbremse besonders geringgehalten werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs;
- 2 ein Diagramm einer spezifischen Leistung pro Kilogramm aufgetragen über einer spezifischen Speicherkapazität pro Kilogramm von elektrischen Energiespeichern unterschiedlicher chemischer Ausgestaltung;
- 3 eine schematische Darstellung des Antriebssystems;
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des in den 1 und 2 gezeigten Antriebssystems;
- 5 ein Diagramm einer vordefinierten Leistungsverteilung;
- 6 ein beispielhaftes weiteres Diagramm mit einem Fahrprofil.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10.
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Das Kraftfahrzeug 10 ist in der Ausführungsform beispielhaft als Personenkraftwagen ausgebildet. Das Kraftfahrzeug 10 kann auch beispielsweise als Nutzfahrzeug, insbesondere als Sattelschlepper, ausgebildet sein. Zur vereinfachten Darstellung ist in 1 eine Karosserie 15 des Kraftfahrzeugs 10 nur schematisch angedeutet.
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Das Kraftfahrzeug 10 weist ein Antriebssystem 20 auf. Das Antriebssystem 20 weist in der Ausführungsform beispielhaft eine erste angetriebene Achse 25 und beispielsweise eine zweite angetriebene Achse 30 auf. Die erste und/oder zweite angetriebene Achse 25, 30 kann beispielsweise als elektrische Achse, abgekürzt auch als E-Achse bekannt, ausgebildet sein. In 1 ist beispielhaft die erste angetriebene Achse 25 eine Vorderachse und die zweite angetriebene Achse 30 eine Hinterachse des Kraftfahrzeugs 10. Auch kann die Wahl der angetriebenen Achsen 25, 30 anders sein. So können beispielsweise bei einem Nutzfahrzeug mehrere hintere Achsen angetrieben sein, während hingegen die Vorderachse des Nutzfahrzeugs ohne Antrieb ausgebildet ist. Ferner wäre auch denkbar, dass das Kraftfahrzeug 10 nur eine angetriebene Achse, beispielsweise die erste angetriebene Achse 25 oder die zweite angetriebene Achse 30 aufweist.
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In dieser Ausführungsform treibt ein Antriebsmotor 35 der angetriebenen Achse 25, 30 beispielsweise über ein Differential zwei Räder der jeweils angetriebenen Achse 25, 30 an. Auch wäre alternativ denkbar, dass die angetriebene Achse 25, 30 beispielsweise zwei Radnabenmotoren aufweist, die jeweils ein Rad der angetriebenen Achse 25, 30 antreiben.
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Das Antriebssystem 20 weist ferner neben dem Antriebsmotor 35 ein Fahrzeugsteuergerät 40, einen ersten elektrischen Energiespeicher 45 und einen zweiten elektrischen Energiespeicher 50 auf. Der elektrische Energiespeicher 45, 50 ist beispielsweise in einer Bodengruppe 55 des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet, sodass das Kraftfahrzeug 10 einen besonders niedrigen Schwerpunkt aufweist. In der Ausführungsform ist bezogen auf die Fahrtrichtung der elektrische Energiespeicher 45, 50 zwischen den beiden angetriebenen Achsen 25, 30 angeordnet. Beispielhaft ist der erste elektrische Energiespeicher 45 auf der zur ersten angetriebenen Achse 25 zugewandten und der zweite elektrische Energiespeicher 50 auf der zur ersten Antriebsachse 50 abgewandten und somit auf der zur zweiten angetriebenen Achse 30 zugewandten Seite angeordnet. Beispielhaft ist in der Bodengruppe 55 auch das Fahrzeugsteuergerät 40 beispielsweise zwischen dem ersten elektrischen Energiespeicher 45 und dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50 angeordnet.
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Das Kraftfahrzeug 10 weist ferner eine Ladekontakteinrichtung 60 auf, wobei die Ladekontakteinrichtung 60 zum Anschluss an einen Netzanschluss, beispielsweise einer Ladestation, ausgebildet ist.
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Das Fahrzeugsteuergerät 40 weist eine erste Eingangsseite 65, eine zweite Eingangsseite 70, eine Ausgangsseite 75 und einen Ladeanschluss 80 auf. Die erste Eingangsseite 65 ist mit dem ersten elektrischen Energiespeicher 45 mittels einer ersten Leistungsverbindung 85 (in 1 teilweise verdeckt) elektrisch verbunden. Eine zweite Leistungsverbindung 90 (in 1 teilweise verdeckt) verbindet elektrisch die zweite Eingangsseite 70 mit dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50. Die Ausgangsseite 75 ist mittels einer dritten Leistungsverbindung 95 mit dem Antriebsmotor 35 der ersten angetriebenen Achse 25 elektrisch verbunden. Sofern die zweite angetriebene Achse 30 vorgesehen ist, ist über eine vierte elektrische Leistungsverbindung 100 (in 1 teilweise verdeckt) die Ausgangsseite 75 elektrisch mit dem Antriebsmotor 35 der zweiten angetriebenen Achse 30 elektrisch verbunden. Eine fünfte Leistungsverbindung 105 (in 1 teilweise verdeckt) verbindet elektrisch die Ladekontakteinrichtung 60 mit dem Ladeanschluss 80 des Fahrzeugsteuergeräts 40. Die erste bis fünfte Leistungsverbindung 85, 90, 95, 100, 105 ist ausgebildet, elektrische Leistung mit einem elektrischen Strom von 10 bis 1.000 Ampere, insbesondere von 200 bis 500 Ampere, bei einer elektrischen Spannung von 200 bis 750 Volt, insbesondere von 300 bis 600 Volt, zu übertragen.
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Der erste elektrische Energiespeicher 45 und der zweite elektrische Energiespeicher 50 sind in der Ausführungsform unterschiedlich zueinander ausgebildet. Dabei kann der erste elektrische Energiespeicher 45 neben der in 1 gezeigten unterschiedlichen geometrischen Ausgestaltung zu dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50 auch eine andere chemische und/oder konstruktive Ausgestaltung aufweisen als der zweite elektrische Energiespeicher 50. Insbesondere kann auf Speicherzellenebene der erste elektrische Energiespeicher 45 unterschiedlich zum zweiten elektrischen Energiespeicher 50 ausgebildet sein.
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2 zeigt ein Diagramm einer elektrischen spezifischen Leistung pro Kilogramm aufgetragen über einer spezifischen elektrischen Speicherkapazität pro Kilogramm für unterschiedliche Typen von elektrischen Energiespeichern 45, 50.
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In 2 ist erkennbar, dass eine hohe spezifische maximale Leistung W/kg des elektrischen Energiespeichers 45, 50 einer hohen spezifischen Speicherkapazität Wh/kg entgegenstehen. Die spezifische maximale Leistung definiert dabei die elektrische Leistung, die der elektrische Energiespeicher maximal bereitstellen kann.
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So ist erkennbar, dass bei Lithiumionen-Akkus Li mit zunehmender spezifischer Speicherkapazität Wh/kg die spezifische maximale Leistung W/kg stark abnimmt. Auch ist beispielsweise die spezifische maximale Leistung W/kg des Lithiumionen-Akkus Li bei geringer spezifischer Speicherkapazität besonders hoch. Ein Supercap 106 weist eine besonders hohe spezifische maximale Leistung W/kg bei einer geringen spezifischen Speicherkapazität Wh/kg auf. Auch bei den weiteren typischen Ausgestaltungen von elektrischen Energiespeichern 45, 50, wie zum Beispiel bleihaltigen elektrischen Energiespeichern Pb, Nickel-Cadmium- NiCd, Nickel-Metallhydrid- NiMH- oder Nickel-Kohlenstoff-haltigen NiC elektrischen Energiespeichern 45, 50, nimmt mit zunehmender spezifischer Speicherkapazität Wh/kg die spezifische maximale Leistung W/kg ab.
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Im Betrieb des Kraftfahrzeugs 10 wird das Antriebssystem 20 in unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben. So wird beim Anfahren des Kraftfahrzeugs 10 und Beschleunigen eine hohe elektrische Antriebsleistung P vom Antriebsmotor 30 benötigt, während hingegen die vom Antriebsmotor 35 aufgenommene elektrische Antriebsleistung P bei konstanter Fahrgeschwindigkeit, beispielsweise bei Richtgeschwindigkeit, beispielsweise in einer Stadt oder auf einer Autobahn, deutlich geringer ist als beim Beschleunigen. Bei einer Rekuperation des Antriebsmotors 35 beim Abbremsen des Kraftfahrzeugs 10 erzeugt der Antriebsmotor eine hohe elektrische Leistung.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Antriebssystems 20.
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Das Fahrzeugsteuergerät 40 (strichliert in 3 dargestellt) weist eine Steuereinrichtung 110, eine Datenschnittstelle 115, einen Datenspeicher 120, eine Ladeeinrichtung 125, einen ersten Spannungswandler 130, einen zweiten Spannungswandler 135, vorzugsweise einen ersten Stromregler 140 und vorzugsweise einen zweiten Stromregler 145 auf.
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Die Datenschnittstelle 115 ist mittels einer ersten Datenverbindung 150 mit der Steuereinrichtung 110 verbunden. Eine zweite Datenverbindung 155 verbindet den Datenspeicher 120 mit der Steuereinrichtung 110 datentechnisch. Eine dritte Datenverbindung 160 verbindet datentechnisch den ersten Spannungswandler 130 mit der Steuereinrichtung 110. Eine vierte Datenverbindung 165 verbindet datentechnisch den zweiten Spannungswandler 135 mit der Steuereinrichtung 110. Mit einer sechsten Datenverbindung 185 kann die Datenschnittstelle 115 datentechnisch mit der Eingabeeinrichtung 175 des Kraftfahrzeugs 10 verbunden sein.
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Die Eingabeeinrichtung 175 kann beispielsweise eine Pedalerie aufweisen. Die Pedalerie 175 kann beispielsweise ein Gaspedal und/oder ein Bremspedal aufweisen. Mittels der Eingabeeinrichtung 175 wird ein Fahrwunsch bezüglich einer Leistungsanforderung an das Antriebssystem 20 ermittelt. Zusätzlich oder alternativ kann die Eingabeeinrichtung 175 ein Steuergerät zur autonomen oder teilautonomen Fahrzeugführung aufweisen.
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In der Ausführungsform weist das Fahrzeugsteuergerät 40 fakultativ die Ladeeinrichtung 125 auf. Die Ladeeinrichtung 125 ist leistungstechnisch beispielhaft über eine sechste Leistungsverbindung 180 mit der Ausgangsseite 75 verbunden. Die Steuereinrichtung 110 ist über eine sechste Datenverbindung 185 mit der Ladeeinrichtung 125 verbunden. Zusätzlich kann die Ladeeinrichtung 125 datentechnisch zusätzlich über die Ladekontakteinrichtung 60 mit einer Ladestation verbunden sein.
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In der Ausführungsform sind der erste elektrische Energiespeicher 45 und der zweite elektrische Energiespeicher 50 beispielsweise als Lithiumionen-Akkus ausgebildet. Jedoch ist die konstruktive Ausgestaltung derart gewählt, dass der erste elektrische Energiespeicher 45 eine deutlich höhere elektrische Speicherkapazität aufweist als der zweite elektrische Energiespeicher 50. So weist beispielsweise der erste elektrische Energiespeicher 45 eine spezifische Speicherkapazität von etwa 150 bis 180 Wh/kg des ersten elektrischen Energiespeichers 45 auf. Seine erste spezifische maximale Leistung beträgt beispielsweise etwa 10 bis 100 W/kg des ersten elektrischen Energiespeichers 45. Der zweite elektrische Energiespeicher 50 weist eine deutlich geringere spezifische Speicherkapazität als der erste elektrische Energiespeicher 45 auf. So beträgt die zweite spezifische Speicherkapazität etwa 5 bis 120 Wh/kg des zweiten elektrischen Energiespeichers 50. Die zweite spezifische maximale Leistung des zweiten elektrischen Energiespeichers 50 ist beispielsweise deutlich höher als die des ersten elektrischen Energiespeichers 45. So kann beispielsweise der zweite elektrische Energiespeicher 50 die zweite spezifische maximale Leistung von 500 bis 10.000 W/kg aufweisen.
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Ebenso weist der erste elektrische Energiespeicher 45 zum zweiten elektrischen Energiespeicher 50 unterschiedliche elektrische Batteriespannungen auf. Beide elektrischen Energiespeicher 45, 50 können jedoch beispielsweise im Hochvoltbereich angesiedelt sein, sodass eine durch den ersten elektrischen Energiespeicher 45 bereitgestellte erste Batteriespannung beispielsweise im Bereich von ca. 300 Volt bis 750 Volt liegt. Der zweite elektrische Energiespeicher 50 kann beispielsweise eine zweite elektrische Batteriespannung von 48 Volt bis 750 Volt aufweisen. Insbesondere kann der zweite elektrische Energiespeicher 50 eine geringere zweite Batteriespannung als die erste Batteriespannung aufweisen.
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Zusätzlich kann für den ersten elektrischen Energiespeicher 45 ein erstes Batteriemanagementsystem 190 und für den zweiten elektrischen Energiespeicher 50 ein zweites Batteriemanagementsystem 195 vorgesehen sein. Das erste Batteriemanagementsystem 190 ist mittels einer siebten Datenverbindung 200 mit der Datenschnittstelle 115 verbunden. Das zweite Batteriemanagementsystem 195 ist mittels einer achten Datenverbindung 205 mit der Datenschnittstelle 115 verbunden. Das Batteriemanagementsystem 190, 195 ist jeweils elektrisch mit dem zugeordneten elektrischen Energiespeicher 45, 50 verbunden und wird zum Betrieb der jeweils durch den zugeordneten elektrischen Energiespeicher 45, 50 elektrisch versorgt. Das erste Batteriemanagementsystem 190 ist beispielsweise ausgebildet, wenigstens einen ersten Betriebsparameter des ersten elektrischen Energiespeichers 45, beispielsweise eine erste Temperatur und/oder einen ersten Ladezustand des ersten elektrischen Energiespeichers 45, zu erfassen. Ebenso ist das zweite Batteriemanagementsystem 195 ausgebildet, einen zweiten Betriebsparameter des zweiten elektrischen Energiespeichers 50, beispielsweise eine zweite Temperatur und/oder einen zweiten Ladezustand des zweiten elektrischen Energiespeichers, zu ermitteln. Das Batteriemanagementsystem 190, 195 kann beispielhaft außerhalb des elektrischen Energiespeichers 45, 50 oder integriert im elektrischen Energiespeicher 45, 50 ausgebildet sein.
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Der Antriebsmotor 35 ist vorzugsweise bürstenlos ausgebildet. So kann beispielsweise der Antriebsmotor 35 als Drehstrommotor, beispielsweise als Asynchronmotor, oder als bürstenloser Gleichstrommotor, ausgebildet sein. Der Antriebsmotor 35 stellt bei Bereitstellung von elektrischer Antriebsenergie über die dritte und vierte Leistungsverbindung 95, 100 ein Antriebsdrehmoment bereit, um das Kraftfahrzeug 10 zu beschleunigen oder auf einer konstanten Geschwindigkeit zu halten.
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In der Ausführungsform unterscheidet sich die Leistungsverbindung 85, 90, 95, 100, 105, 180 von der ersten bis achten Datenverbindung 150, 155, 160, 165, 170, 185, 200, 205 dahingehend, dass über die Datenverbindung 150, 155, 160, 165, 170, 185, 200, 205 ausschließlich ein Datensignal mit geringem elektrischen Strom, beispielsweise kleiner 0,1 Ampere, übertragen wird, während hingegen über die Leistungsverbindung 85, 90, 95, 100, 105, 180 der elektrische Strom deutlich größer, beispielsweise im Bereich von 10 Ampere bis 1.000 Ampere, als der über die erste bis achte Datenverbindung 150, 155, 160, 165, 170, 185, 200, 205 übertragene elektrische Strom ist. In der Ausführungsform kann beispielhaft die fünfte, siebte und achte Datenverbindung 170, 200, 205 beispielsweise als Bussystem, beispielsweise als CAN-Bus, ausgebildet sein. Des Weiteren kann im Datenspeicher 120 die vordefinierte Leistungsverteilung in Abhängigkeit der Leistungsanforderung, beispielsweise als Kennfeld, mathematische Formel oder Algorithmus, abgespeichert sein.
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In dem Datenspeicher 120 kann ein vordefinierter Parameter und/oder ein Datenverarbeitungsprogramm, beispielsweise in Form eines ausführbaren Programmcodes, zur Steuerung des Antriebssystems 20 abgespeichert sein.
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Ferner ist im Datenspeicher 120 ein Motorparameter des Antriebsmotors 35 abgelegt. Der Motorparameter kann ein Kennfeld, eine tabellarische Zuordnung, ein mathematischer Algorithmus oder ein Computerprogramm sein.
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Der erste Speicherparameter korreliert beispielsweise mit der chemischen und konstruktiven Ausgestaltung des ersten elektrischen Energiespeichers 45 und der zweite Speicherparameter korreliert beispielsweise mit dem chemischen und konstruktiven Aufbau des zweiten elektrischen Energiespeichers 50.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des in den 1 und 2 gezeigten Antriebssystems 20.
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5 zeigt ein Diagramm einer Leistungsverteilung über eine Leistungsanforderung.
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Im Folgenden wird zuerst im Allgemeinen auf den Ablauf des Verfahrens eingegangen, bevor in Verbindung mit 6 auf ein Ausführungsbeispiel eingegangen wird.
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In einem ersten Verfahrensschritt 305 betätigt in einem beispielhaften manuellen Betrieb des Kraftfahrzeugs 10 der Fahrer die Eingabeeinrichtung 175 und äußert über die Betätigung der Eingabeeinrichtung 175 eine Leistungsanforderung an den Antriebsmotor 35 des Antriebssystems 20. Die Eingabeeinrichtung 175 erfasst die Leistungsanforderung und stellt mittels eines ersten Datensignals die Leistungsanforderung bereit. Das erste Datensignal wird über die fünfte Datenverbindung 170 an die Datenschnittstelle 115 übertragen, die die Information über die Leistungsanforderung über die erste Datenverbindung 150 an die Steuereinrichtung 110 überträgt. Die Steuereinrichtung 110 erfasst die Leistungsanforderung.
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In einem zweiten Verfahrensschritt 310 ermittelt das erste Batteriemanagementsystem 190 den ersten Betriebsparameter, beispielsweise den ersten Ladezustand des ersten elektrischen Energiespeichers 45, und stellt im Rahmen eines zweiten Datensignals die Information über den ersten Betriebsparameter über die siebte Datenverbindung 200 der Datenschnittstelle 115 bereit, die die Information über den ersten Ladezustand der Steuereinrichtung 110 über die erste Datenverbindung 150 bereitstellt. Analog dazu ermittelt das zweite Batteriemanagementsystem 195 den zweiten Betriebszustand des zweiten elektrischen Energiespeichers 50, beispielsweise den zweiten Ladezustand des zweiten elektrischen Energiespeichers 50, und stellt den zweiten Betriebsparameter im Rahmen eines dritten Datensignals über die achte Datenverbindung 205 der Datenschnittstelle 115 bereit, die die Information über den zweiten Betriebsparameter an die Steuereinrichtung 110 weitergibt.
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In einem auf den zweiten Verfahrensschritt 310 folgenden dritten Verfahrensschritt 315 ermittelt die Steuereinrichtung 110 auf Grundlage der erfassten Leistungsanforderung und dem Motorparameter einen an der Ausgangsseite 75 bereitzustellenden elektrischen Antriebsstrom und die bereitzustellende elektrische Antriebsspannung zum Betrieb des Antriebsmotors 35 sowie die an den Antriebsmotor 35 an der Ausgangsseite 75 anzulegende elektrische Antriebsleistung P.
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In einem vierten Verfahrensschritt 320 ermittelt die Steuereinrichtung 110 die Leistungsverteilung zwischen dem ersten elektrischen Energiespeicher 45 und dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50 in Abhängigkeit der Leistungsanforderung auf Grundlage der vordefinierten Leistungsverteilung. Die Leistungsverteilung entspricht dabei einem Verhältnis der aus dem ersten elektrischen Energiespeicher 45 zu entnehmenden ersten elektrischen Leistung zu der aus dem zweiten elektrischen Energiespeicher 45 zu entnehmenden zweiten elektrischen Leistung jeweils bezogen auf zu der Leistungsanforderung ermittelte Antriebsleistung P. Bei der Ermittlung der Leistungsverteilung kann die Steuereinrichtung 110 den ersten und/oder den zweiten Betriebsparameter, insbesondere den Ladezustand der elektrischen Energiespeicher 45, 50, berücksichtigen. Die vordefinierte Leistungsverteilung trägt der unterschiedlichen Ausgestaltung der elektrischen Energiespeicher 45, 50 und der damit eingehenden unterschiedlichen spezifischen maximalen Leistung und der unterschiedlichen spezifischen elektrischen Speicherkapazität Rechnung.
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So ist in der Ausführungsform (vgl. 5) die Leistungsverteilung in Form zweier Linien für die erste elektrische Leistung P(45) und die zweite elektrische Leistung P(50) dargestellt und so ausgestaltet, dass bei geringer und mittlerer Leistungsanforderung (beispielsweise bis 25 KW für einen PKW) die Antriebsleistung P ausschließlich aus dem ersten elektrischen Energiespeicher 45 entnommen wird. Mit zunehmender Leistungsanforderung erfolgt eine Verschiebung der Leistungsverteilung zu Lasten des zweiten elektrischen Energiespeichers 50, sodass bei Volllast etwa 90 Prozent der elektrischen Antriebsleistung P aus dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50 entnommen wird.
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In einem auf den dritten und vierten Verfahrensschritt 315, 320 folgenden fünften Verfahrensschritt 325 steuert die Steuereinrichtung 110 den ersten Spannungswandler 130 und den zweiten Spannungswandler 135 derart an, dass an der Ausgangsseite 75 die ermittelte Antriebsspannung anliegt. Somit wandelt der erste Spannungswandler 130 im Betrieb des Antriebssystems 20 die erste Batteriespannung des ersten elektrischen Energiespeichers 45 zu der Antriebsspannung um. Ebenso wandelt der zweite Spannungswandler 135 die zweite Batteriespannung des zweiten elektrischen Energiespeichers 50 zu der Antriebsspannung um, sodass der erste Spannungswandler 130 und der zweite Spannungswandler 135 im Wesentlichen die gleiche Antriebsspannung bereitstellen. Die Spannungswandler 130, 135 und die Stromregler 140, 145 sind dabei so ausgebildet, dass ein Leistungsfluss von einem elektrischen Energiespeicher 45, 50 zu dem anderen elektrischen Energiespeicher 45, 50 blockiert ist.
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Ferner steuert die Steuereinrichtung 110 den ersten Stromregler 140 derart an, dass der erste Stromregler 140 den durch die Steuereinrichtung 110 über die Leistungsverteilung ermittelten ersten Anteil des Antriebsstroms an der Ausgangsseite 75 bereitstellt.
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Zusammengefasst wird somit (ohne Berücksichtigung möglicher Wirkungsgradverluste durch den ersten elektrischen Energiespeicher 45) über den ersten Spannungswandler 130 und den ersten Stromregler 140 die erste elektrische Leistung P(45) an der Ausgangsseite 75 in Abhängigkeit der Leistungsverteilung bereitgestellt.
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Die Steuereinrichtung 110 steuert den zweiten Spannungswandler 135 und den zweiten Stromregler 145 analog zum ersten Spannungswandler 130 in Abhängigkeit der Leistungsverteilung an. So steuert die Steuereinrichtung 110 den zweiten Spannungswandler 135 derart an, dass der zweite Spannungswandler 135 eine zweite elektrische Spannung des zweiten elektrischen Energiespeichers 50 zu der ermittelten Antriebsspannung umwandelt.
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Ist die Ausgangsspannung als Wechselstrom, insbesondere als Drehstrom, ausgebildet, so sind der erste und der zweite Spannungswandler 130, 135 als DC/AC-Wandler ausgebildet. Ferner steuert die Steuereinrichtung 110 den ersten Spannungswandler 130 und den zweiten Spannungswandler 135 derart an, dass die von dem Spannungswandler 130, 135 vorzugsweise bereitgestellte Antriebsspannung im Wesentlichen phasengleich zu der vom anderen Spannungswandler 130, 135 bereitgestellten Antriebsspannung verläuft.
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Ferner steuert die Steuereinrichtung 110 den zweiten Stromregler 145 derart an, dass der zweite Stromregler 145 den durch die Steuereinrichtung 110 über die Leistungsverteilung ermittelten zweiten Anteil des Antriebsstroms an der Ausgangsseite 75 bereitstellt.
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Somit wird zusammengefasst in Abhängigkeit der Leistungsverteilung die zweite elektrische Leistung P(50) von dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50 bereitgestellt. Die erste elektrische Leistung P(45) und die zweite elektrische Leistung P(50) bilden an der Ausgangsseite 75 zusammen die elektrische Antriebsleistung P zum Antrieb des Antriebsmotors 35 aus.
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Das Verfahren hat den Vorteil, dass in Abhängigkeit der Leistungsanforderung die jeweils aus dem ersten und/oder zweiten elektrischen Energiespeicher 45, 50 entnommene elektrische Energie an die konstruktiven und chemischen Eigenschaften des elektrischen Energiespeichers 45, 50 angepasst ist. Dadurch kann der erste elektrische Energiespeicher 45 und der zweite elektrische Energiespeicher 50 gezielt auf einen Teil eines Lastkollektivs des Antriebssystems 20 ausgelegt werden und die kompromissbehaftete Auslegung der elektrischen Energiespeicher 45, 50 kann vermieden werden.
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Das oben beschriebene Verfahren bewirkt, dass, beispielsweise bei einer hohen Leistungsanforderung, beispielsweise bei einem starken Beschleunigungsvorgang, beispielsweise beim Überholen eines Nutzfahrzeugs, die zweite elektrische Leistung P(50) deutlich größer als die erste elektrische Leistung P(45) ist. Mit anderen Worten wird ein Großteil der dem Antriebsmotor 35 bereitgestellten elektrischen Antriebsenergie aus dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50 entnommen.
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Bei einer Konstantfahrt, beispielsweise bei einer Überlandfahrt, ist die erste elektrische Leistung P(45) deutlich größer der zweiten elektrischen Leistung. Von besonderem Vorteil ist, wenn bei Konstantfahrt die elektrische Antriebsleistung P der ersten Leistung P(45) entspricht. Mit anderen Worten wird die elektrische Antriebsleistung P bei Konstantfahrt überwiegend, vorzugsweise ausschließlich von dem ersten elektrischen Energiespeicher 45 bereitgestellt. Dadurch wird der zweite elektrische Energiespeicher 50 geschont und nicht oder nur geringfügig entladen.
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In einer Weiterbildung kann das Antriebssystem 20 dahingehend angepasst sein, dass der Antriebsmotor 35 beim Abbremsen generatorisch betrieben werden kann und statt der Antriebsleistung P eine elektrische Bremsleistung an der Ausgangsseite 75 bereitstellt. Mit anderen Worten ist die Bremsleistung eine negative Antriebsleistung P.
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Ebenso wie sich der erste und zweite elektrische Energiespeicher 45, 50 beim Entladen verhalten, verhalten sich die elektrischen Energiespeicher 45, 50 auch beim Laden. Dies bedeutet, dass der erste elektrische Energiespeicher 45 deutlich langsamer geladen werden kann als der zweite elektrische Energiespeicher 50. Somit kann kurzfristig zum Laden dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50 eine deutlich größere zweite elektrische Leistung P(50) zugeführt werden als dem ersten elektrischen Energiespeicher 45.
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Beim Abbremsen des Kraftfahrzeugs 10 wird in einem sechsten Verfahrensschritt 330, der im Wesentlichen identisch zum dritten Verfahrensschritt 315 durchgeführt wird, die durch den Antriebsmotor 35 bereitgestellte elektrische Bremsleistung statt der Antriebsleistung P ermittelt. Die Ermittlung kann auf Grundlage der ermittelten Leistungsanforderung und des Motorparameters durch die Steuereinrichtung 110 ermittelt werden.
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Auf den sechsten Verfahrensschritt 330 wird im Wesentlichen mit einem siebten Verfahrensschritt 335 fortgefahren, wobei der siebte Verfahrensschritt 335 im Wesentlichen identisch zu dem in 4 erläuterten vierten Verfahrensschritt 320 ausgebildet ist.
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In einem siebten Verfahrensschritt 335 ermittelt die Steuereinrichtung 110 die Leistungsverteilung zwischen dem ersten elektrischen Energiespeicher 45 und dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50 in Abhängigkeit der im Datenspeicher 120 abgelegten Zuordnung zwischen Leistungsverteilung und Leistungsanforderung. Dabei kann die in 5 gezeigte Zuordnung auch für das Laden gelten, wobei eine zunehmende Leistungsanforderung einem stärkeren Abbremsen entspricht. Die im siebten Verfahrensschritt 335 ermittelte Leistungsverteilung entspricht dabei einem Verhältnis der dem ersten elektrischen Energiespeicher 45 zuzuführenden ersten elektrischen Leistung P(45) zu der Antriebsleistung P und der dem zweiten elektrischen Energiespeicher 45 zuzuführenden zweiten elektrischen Leistung P(50) bezogen auf die ermittelte Bremsleistung.
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In einem achten Verfahrensschritt 340 steuert die Steuereinrichtung 110 zum Laden der elektrischen Energiespeicher 45, 50 die Spannungswandler 130, 135 und die Stromregler 140, 145 in Abhängigkeit der ermittelten Leistungsverteilung an. Zusätzlich kann die Steuereinrichtung 110 Informationen des Batteriemanagementsystems 190, 195 über die Betriebsparameter berücksichtigen, um beispielsweise ein Überladen und/oder Überhitzen des elektrischen Energiespeichers 45, 50 zu vermeiden.
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Die Verfahrensschritte 305 bis 340 werden in regelmäßigem Abstand zumindest teilweise, beispielsweise mit einer Busfrequenz des CAN-Buses, wiederholt, um dynamisch auf die Leistungsanforderung des Fahrers zu reagieren und diese umzusetzen.
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Zusätzlich kann in einer Weiterbildung ein neunter Verfahrensschritt 345 vorgesehen sein. Im neunten Verfahrensschritt 345 wird das Kraftfahrzeug 10 an der Ladekontakteinrichtung 60 mit einer Ladestation elektrisch verbunden, um stationär die elektrischen Energiespeicher 45, 50 zu laden. Dabei werden im Wesentlichen die zum Laden ausgebildeten sechsten bis achten Verfahrensschritte 330, 335, 340 durchgeführt, wodurch über die Ausgangsseite 75 und die sechste Leistungsverbindung 180 statt der elektrischen Bremsleistung eine elektrische Ladeleistung durch die Ladeeinrichtung 125 bereitgestellt wird, die die Steuereinrichtung 110 auf die elektrischen Energiespeicher 45, 50 zum Laden aufteilt.
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Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Ladeeinrichtung 125 besonders einfach und kostengünstig ausgebildet sein kann und auf weitere zusätzliche Spannungswandler, beispielsweise integriert in der Ladeeinrichtung 125, verzichtet werden kann.
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Auch kann dynamisch, je nach zur Verfügung stehender geplanter Zeit, die das Kraftfahrzeug 10 an der Ladestation angeschlossen ist, die elektrische Ladeleistung zum Laden der elektrischen Energiespeicher 45, 50 zwischen den beiden elektrischen Energiespeichern 45, 50 verteilt werden.
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So kann beispielsweise zuerst mit Priorität mit hoher zweiter elektrischer Leistung P(50) der zweite elektrische Energiespeicher 50 geladen werden und mit geringerer Priorität mit der ersten elektrischen Leistung P(45) der erste elektrische Energiespeicher 45 geladen werden. Nach im Wesentlichen vollständiger Ladung der zweiten elektrischen Leistung P(50) kann, wenn absehbar ist, dass das Kraftfahrzeug 10 längere Zeit an der Ladestation sein wird, prioritär beispielsweise der erste elektrische Energiespeicher 45 geladen werden. Dadurch können die elektrischen Energiespeicher 45, 50 besonders schnell parallel oder seriell geladen werden.
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6 zeigt ein beispielhaftes Diagramm.
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In dem Diagramm ist ein vereinfachtes Fahrprofil 206 des Kraftfahrzeugs 10 mittels strichlierter Linie dargestellt. Dabei ist eine Fahrgeschwindigkeit v des Kraftfahrzeugs 10 über eine Zeit t aufgetragen. Das Fahrprofil 206 gliedert sich in drei beispielhafte Teilabschnitte 210, 215, 220, die sich zeitlich aneinander anschließen.
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In einem ersten Teilabschnitt 210 wird das Kraftfahrzeug 10 von einer ersten Geschwindigkeit v1 auf eine zweite Geschwindigkeit v2 beschleunigt. In einem zweiten Teilabschnitt 215 des Fahrprofils 206 wird über die Zeit t die zweite Geschwindigkeit v2 konstant gehalten. Im dritten Teilabschnitt 220, der sich an den zweiten Teilabschnitt 215 anschließt, wird das Kraftfahrzeug 10 von der zweiten Geschwindigkeit v2 auf eine dritte Geschwindigkeit v3 abgebremst. Die dritte Geschwindigkeit v3 kann identisch zur ersten Geschwindigkeit v1 oder unterschiedlich zur ersten Geschwindigkeit v1 sein. Das Fahrprofil 206 dient dazu, das in 4 beschriebene Verfahren kurz anwendungsspezifisch zu erläutern und die Auswirkungen des in 4 beschriebenen Verfahrens auf die elektrischen Energiespeicher 45, 50 aufzuzeigen.
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In 6 ist mittels eines ersten Graphen 225 (strichpunktiert in 6 dargestellt) die durch den ersten elektrischen Energiespeicher 45 übertragene erste elektrische Leistung P(45) über die Zeit t aufgetragen. Ein zweiter Graph 230 (in 6 mit durchgezogener Linie gezeichnet) zeigt die zweite elektrische Leistung P(50), übertragen durch den zweiten elektrischen Energiespeicher 50. Ein dritter Graph 235 zeigt die elektrische Antriebsleistung P bzw. Bremsleistung (als negative Antriebsleistung P), die dem Antriebsmotor 35 an der Ausgangsseite 75 durch die beiden elektrischen Energiespeicher 45, 50 bereitgestellt wird bzw. die der Antriebsmotor 35 an der Ausgangsseite 75 bereitstellt (in 6 mittels dünner strichpunktierter Linie dargestellt)d.
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Im ersten Teilabschnitt 210 wünscht der Fahrer eine starke Beschleunigung. Dies wird beispielsweise durch ein stark betätigtes Gaspedal der Eingabeeinrichtung 175 erfasst. Die starke Beschleunigung hat zur Folge, dass im dritten Verfahrensschritt 315 die Steuereinrichtung 110 eine große elektrische Antriebsleistung P, beispielsweise von 100 KW, mit einem entsprechend hohen elektrischen Antriebsstrom und einer hohen elektrischen Antriebsspannung an der Ausgangsseite 75 zum Antrieb des Antriebsmotors 35 ermittelt.
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Im vierten Verfahrensschritt 320 ermittelt die Steuereinrichtung 110 auf Grundlage der Lastenanforderung und der im Datenspeicher abgelegten Zuordnung der Leistungsverteilung zur Lastenanforderung die Lastverteilung im ersten Teilabschnitt 210 derart, dass ein Großteil der Antriebsleistung P aus dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50 beispielsweise zu 80 Prozent (der elektrischen Antriebsleitung) aus dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50 zu entnehmen ist. Die erste elektrische Leistung P(45) ist beispielsweise deutlich geringer ist als die zweite elektrische Leistung. So kann die erste elektrische Leistung P(45) 20 Prozent der elektrischen Antriebsleitung betragen.
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Dadurch dass der erste elektrische Energiespeicher 45 auch zu der Antriebsleistung P im ersten Teilabschnitt 210 beträgt, wird der zweite elektrische Energiespeicher 50, der die deutlich geringere elektrische zweite Speicherkapazität aufweist als der erste elektrische Energiespeicher 45, entlastet und geringer entladen, als wenn die gesamte elektrische Antriebsleistung P aus dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50 entnommen werden würde.
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Im zweiten Teilabschnitt 215 ist die elektrische Antriebsleistung P gegenüber dem ersten Teilabschnitt 210 deutlich reduziert. Im vierten Verfahrensschritt 320 ermittelt somit die Steuereinrichtung 110 eine zum ersten Teilabschnitt 210 unterschiedliche Leistungsverteilung zwischen dem ersten elektrischen Energiespeicher 45 und dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50. Im zweiten Teilabschnitt 215 wird nur eine geringe oder keine zweite elektrische Leistung P(50) für die elektrische Antriebsleistung P aus dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50 entnommen.
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Dies hat den Vorteil, dass die Antriebsleistung P im Wesentlichen vollständig, zumindest überwiegend, aus dem ersten elektrischen Energiespeicher 45 entnommen wird, der auf eine hohe Speicherkapazität ausgelegt ist, wodurch dadurch die Reichweite des Antriebssystems 20 besonders hoch ist. Ferner wird der Ladezustand des zweiten elektrischen Energiespeichers 50 aufrechterhalten und eine weitere Entladung vermieden.
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Im dritten Teilabschnitt 320 bremst der Fahrer das Fahrzeug ab. Von besonderem Vorteil ist, wenn beispielsweise der Antriebsmotor 35 in den generatorischen Betrieb geschaltet wird. Alternativ kann zum Abbremsen des Kraftfahrzeugs 10 der Antriebsmotor 35 auch stromlos geschalten werden und die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs 10 über mechanische Bremsen abgebaut werden. Im generatorischen Betrieb stellt der Antriebsmotor 35 die elektrische Antriebsleistung P als elektrische Bremsleistung an der Ausgangsseite 75 bereit.
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Dadurch, dass der erste elektrische Energiespeicher 45 nur deutlich langsamer als der zweite elektrische Energiespeicher 50 ladbar ist, wird im dritten Teilabschnitt 220 ein großer Teil der durch den Antriebsmotor 35 bereitgestellten elektrischen Bremsleistung dem zweiten elektrischen Energiespeicher 50 zugeführt.
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Dabei steuert die Steuereinrichtung 110 im achten Verfahrensschritt 340 die Spannungswandler 130, 135 und die Stromregler 140, 145 auf Grundlage der ermittelten Leistungsverteilung derart an, dass der erste Spannungswandler 130 die an der Ausgangsseite 75 anliegende Antriebsspannung in eine erste Ladespannung umwandelt, mit der der erste elektrische Energiespeicher 45 geladen wird. Die erste Ladespannung kann unterschiedlich zu der ersten Batteriespannung sein. Ebenso steuert die Steuereinrichtung 110 den ersten Stromregler 140 an, um den einen ersten Ladestrom zum Laden des ersten elektrischen Energiespeichers 45 zu steuern. Die durch den ersten Spannungswandler 130 und den ersten Stromregler 140 gewandelte erste elektrische Leistung P(45) wird somit zum Laden des ersten elektrischen Energiespeichers 45 genutzt.
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Ebenso steuert die Steuereinrichtung 110 den zweiten Spannungswandler 135 derart an, dass der zweite Spannungswandler 135 die an der Ausgangsseite 75 anliegende Antriebsspannung von dem Antriebsmotor 35 in eine zweite Ladespannung zum Laden des zweiten elektrischen Energiespeichers 50 umwandelt. Mit der zweiten Ladespannung wird der zweite elektrische Energiespeicher 50 geladen. Ein zweiter Ladestrom wird durch die Steuereinrichtung 110 von dem zweiten Stromregler 145 zum Laden des zweiten elektrischen Energiespeichers 50 gesteuert. Die zum Laden des zweiten elektrischen Energiespeichers 50 umgewandelte zweite elektrische Leistung P(50) ist deutlich größer als die zum Laden des ersten elektrischen Energiespeichers 45 verwendete erste elektrische Leistung.
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Die oben beschriebene Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs 10 bzw. des Antriebssystems 20 hat den Vorteil, dass, je nach Teilabschnitt 210, 215, 220 des Fahrprofils 206, die elektrische Energie aus dem jeweils besten geeigneten elektrischen Energiespeicher 45, 50 entnommen bzw. zugeführt wird, sodass die beiden elektrischen Energiespeicher 45, 50 für das Kraftfahrzeug 10 einerseits ein besonders dynamisches Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs 10 ermöglichen, zum anderen das Antriebssystem 20 auch eine besonders hohe Reichweite aufweist, selbst wenn das Kraftfahrzeug 10 besonders sportlich und dynamisch bewegt wird. Ferner ist die Lebensdauer der elektrischen Energiespeicher erhöht, da diese nach ihren Spezifikationen belastet werden und eine Überlastung vermieden wird.
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Ferner können der erste und zweite elektrische Energiespeicher 45, 50 jeweils optimiert an die jeweiligen Einsatzbedingungen, beispielsweise für den ersten elektrischen Energiespeicher 45 eine hohe Reichweite und somit eine hohe spezifische Speicherkapazität und der zweite elektrische Energiespeicher 50 für eine besonders hohe zweite spezifische maximale Leistung, jeweils ausgelegt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 15
- Karosserie
- 20
- Antriebssystem
- 25
- erste angetriebene Achse
- 30
- zweite angetriebene Achse
- 35
- Antriebsmotor
- 40
- Fahrzeugsteuergerät
- 45
- erster elektrischer Energiespeicher
- 50
- zweiter elektrischer Energiespeicher
- 55
- Bodengruppe
- 60
- Ladekontakteinrichtung
- 65
- erste Eingangsseite
- 70
- zweite Eingangsseite
- 75
- Ausgangsseite
- 80
- Ladeanschluss
- 85
- erste Leistungsverbindung
- 90
- zweite Leistungsverbindung
- 95
- dritte Leistungsverbindung
- 100
- vierte Leistungsverbindung
- 105
- fünfte Leistungsverbindung
- 106
- Supercap
- 110
- Steuereinrichtung
- 115
- Datenschnittstelle
- 120
- Datenspeicher
- 125
- Ladeeinrichtung
- 130
- erster Spannungswandler
- 135
- zweiter Spannungswandler
- 140
- erster Stromregler
- 145
- zweiter Stromregler
- 150
- erste Datenverbindung
- 155
- zweite Datenverbindung
- 160
- dritte Datenverbindung
- 165
- vierte Datenverbindung
- 170
- fünfte Datenverbindung
- 175
- Eingabeeinrichtung
- 180
- sechste Leistungsverbindung
- 185
- sechste Datenverbindung
- 190
- erstes Batteriemanagementsystem
- 195
- zweites Batteriemanagementsystem
- 200
- siebte Datenverbindung
- 205
- achte Datenverbindung
- 206
- Fahrprofil
- 210
- erster Teilabschnitt
- 215
- zweiter Teilabschnitt
- 220
- dritter Teilabschnitt
- 225
- erster Graph
- 230
- zweiter Graph
- 235
- dritter Graph
- 305
- erster Verfahrensschritt
- 310
- zweiter Verfahrensschritt
- 315
- dritter Verfahrensschritt
- 320
- vierter Verfahrensschritt
- 325
- fünfter Verfahrensschritt
- 330
- sechster Verfahrensschritt
- 335
- siebter Verfahrensschritt
- 340
- achter Verfahrensschritt
- 345
- neunter Verfahrensschritt
- v
- Geschwindigkeit
- v1
- erste Geschwindigkeit
- v2
- zweite Geschwindigkeit
- v3
- dritte Geschwindigkeit
- P
- elektrische Antriebsleistung, Bremsleistung
- P (45)
- erste elektrische Leistung
- P (50)
- zweite elektrische Leistung
