DE102021102352A1

DE102021102352A1 - Verfahren zum Betrieb wenigstens eines elektromechanischen Aktors eines Kraftfahrzeugs und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021102352A1
Application number: DE102021102352.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Glück; Viktor KELL
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2022-08-04
Also published as: CN114834252A; US11987088B2; US20220242188A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb wenigstens eines elektromechanischen Aktors (2) eines Kraftfahrzeugs (1), wobei der Aktor (2) dazu ausgebildet ist, während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs (1) in stochastisch auftretenden Einspeisevorgängen in Abhängigkeit eines durch einen Einspeisearbeitspunkt des Aktors (2) vorgegebenen Einspeisewirkungsgrads mechanische Leistung in elektrische Leistung, welche in einen Energiespeicher (3) des Kraftfahrzeugs (1) eingespeist wird, zu wandeln, wobei durch ein Detektionsmittel (10) der Beginn eines Einspeisevorgangs detektiert wird und bei Beginn des Einspeisevorgangs ein Einspeisearbeitspunkt des Aktors (2) eingestellt wird, in dem der Einspeisewirkungsgrad 50% oder weniger beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb wenigstens eines elektromechanischen Aktors eines Kraftfahrzeugs, wobei der Aktor dazu ausgebildet ist, während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs in stochastisch auftretenden Einspeisevorgängen in Abhängigkeit eines durch einen Einspeisearbeitspunkt des Aktors vorgegebenen Einspeisewirkungsgrads mechanische Leistung in elektrische Leistung, welche in einen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs eingespeist wird, zu wandeln. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
Wenn stochastische und/oder hochdynamische Verbraucher in ein elektrisches Energienetz eines Kraftfahrzeugs integriert werden, so muss gegebenenfalls von diesen in das Energienetz zurückgespeiste Energie in Form eines Kapazitätsvorhalts in einem Energiespeicher des Energienetzes berücksichtigt werden. Dieser Kapazitätsvorhalt stellt dabei einen Anteil der Gesamtkapazität des Energiespeichers dar, welcher zur Aufnahme der von dem stochastischen Aktor erzeugten elektrischen Energie dient. Der Vorhalt gewährt eine Stabilität des Energienetzes, da dieses nicht durch stochastische und somit nicht vorhersehbare Rückspeisevorgänge überlastet wird, wenn die eingespeiste Energie von dem Energiespeicher aufgenommen werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass der Vorhalt die zu anderen Zwecken nutzbare Gesamtkapazität des Energiespeichers reduziert.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Umgang mit Energie, welche in ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs eingespeist wird, bekannt.
In KR 20180008970 A wird eine Vorrichtung beschrieben, mit der ein Bremsstrom, der in ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gespeist wird, gesteuert wird. Bei einer unzureichenden Ladekapazität von einzelnen Batteriezellen eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs wird eine Überbrückungseinrichtung der Vorrichtung betätigt, so dass der Bremsstrom über einen Widerstand in Wärme umgewandelt wird. Ein Einspeisen in die überbrückte Batteriezelle wird dadurch vermieden.
Aus CN 105818708 A ist ein Verfahren zum Laden einer Batterie bekannt. Dabei wird ein Strom, welcher von einem mit der Batterie verbundenen Elektromotor erzeugt wird, einer Heizeinrichtung zugeführt, wenn eine Temperatur des Energiespeichers kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist. Bei einem Überschreiten des Grenzwertes wird der Strom stattdessen in die Batterie gespeist.
DE 10 2016 117 153 A1 offenbart ein Verfahren zum Konditionieren einer Fahrzeugbatterie eines Hybridfahrzeugs mit einem elektrisch angetriebenen Kühlsystem. Wenn die Temperatur der Batterie höher als ein vorgegebener Schwellenwert ist, wird zumindest ein Teil eines von der elektrischen Maschine in einem Rekuperationsbremsbetrieb erzeugten Stroms nicht in die Batterie eingespeist, sondern zum Kühlsystem geleitet, um die Batterie zu kühlen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches eine Reduktion eines Vorhalts in der Kapazität eines Energiespeichers ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass durch ein Detektionsmittel der Beginn eines Einspeisevorgangs detektiert wird und bei Beginn des Einspeisevorgangs ein Einspeisearbeitspunkt des Aktors eingestellt wird, in dem der Einspeisewirkungsgrad 50% oder weniger beträgt.
Dies ermöglicht es vorteilhaft, dass durch den niedrigen Einspeisewirkungsgrad nur noch ein geringer Anteil der auf den Aktor einwirkenden mechanischen Leistung in elektrische Leistung gewandelt wird. Dadurch reduziert sich die elektrische Leistung, welche in dem Einspeisevorgang an den Energiespeicher bzw. ein den Energiespeicher umfassendes Bordnetz des Kraftfahrzeugs abgegeben wird. Folglich reduziert sich auch der Vorhalt, welcher in dem Energiespeicher zur Aufnahme dieser Leistung bereitgehalten werden muss. Vorteilhaft kann dadurch eine Stabilität des Energiespeichers bzw. eines den Energiespeicher umfassenden Bordnetzes des Kraftfahrzeugs auch ohne oder mit einem geringeren Vorhalt in dem Energiespeicher erreicht werden.
Der elektromechanische Aktor des Kraftfahrzeugs ist dabei mit dem Energiespeicher zum Beispiel über ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs verbunden, so dass in den Einspeisevorgängen elektrische Energie von dem Aktor an den Energiespeicher übertragbar ist. Die Einspeisevorgänge des elektromechanischen Aktors treten stochastisch auf, wobei stochastisch in diesem Zusammenhang bedeutet, dass die Zeitpunkte sowie die Anzahl beziehungsweise die Häufigkeit der Einspeisevorgänge durch das Kraftfahrzeug nicht ermittelt werden beziehungsweise nicht ermittelbar sind. Dies kann z. B. dadurch verursacht werden, dass das Auftreten der jeweiligen Einspeisevorgänge durch nicht vorhersehbare und/oder nicht detektierte bzw. nicht detektierbare Einflüsse, welche auf das Kraftfahrzeug einwirken, entstehen. Die stochastischen Einspeisevorgänge können insbesondere bei Aktoren auftreten, welche nicht dem Fahrzeugvortrieb dienen bzw. welche keine Traktionsmotoren des Kraftfahrzeugs sind.
Der elektromechanische Aktor ist also bevorzugt von einem Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs verschieden. Bei einem Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs treten in der Regel keine stochastischen Einspeisevorgänge auf, nachdem der Motorbetrieb beziehungsweise der Generatorbetrieb des Traktionsmotors deterministisch erfolgt und somit in einer zum Betrieb des Motors ausgebildeten Steuereinrichtung zu jedem Zeitpunkt bekannt ist, welcher Betriebszustand vorliegt beziehungsweise welcher Betriebszustand bei einer nachfolgenden Änderung von Betriebsparametern eingestellt wird. Ein Aktor der in Rede stehenden Art kann z.B. eine adaptive Dämpfungseinrichtung bzw. ein adaptiver Fahrwerksdämpfer sein, aber auch jeder andere, vom Traktionsmotor verschiedene Aktor.
Durch das Detektionsmittel kann der Beginn eines Einspeisevorgangs detektiert werden, so dass ein Beginn einer Rückspeisung von elektrischer Leistung über den Aktor in das Bordnetz feststellbar ist, bevor die elektrische Leistung, oder zumindest ein wesentlicher Teil der elektrischen Leistung, in den Energiespeicher eingespeist und/oder von dem Aktor erzeugt wird. Wenn der Beginn eines solchen Einspeisevorgangs durch das Detektionsmittel detektiert wird, erfolgt ein Einstellen eines Einspeisearbeitspunkts des Aktors, bei dem der Einspeisewirkungsgrad 50% oder weniger beträgt. Der Einspeisewirkungsgrad gibt hierbei den Anteil der mechanischen Leistung an, welche in elektrische Leistung gewandelt wird. Bei einem Einspeisewirkungsgrad von 50% wird die Hälfte der mechanischen Leistung von dem Aktor in elektrische Leistung gewandelt. Die verbleibende Hälfte wird in thermische Leistung gewandelt, welche beispielsweise eine Erwärmung des Aktors bewirkt. Ein Einspeisewirkungsgrad von weniger als 50% bedeutet folglich, dass mehr thermische Leistung als elektrische Leistung aus der mechanischen Leistung erzeugt wird.
Der Einspeisewirkungsgrad kann auch in Bezug zu einer Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie beziehungsweise thermische Energie betrachtet werden, da die Zeit, in der die jeweiligen Leistungen erzeugt beziehungsweise gewandelt werden, für alle drei Energieformen gleich ist beziehungsweise jeweils der Dauer des Einspeisevorgangs entspricht. Folglich kann der Einspeisewirkungsgrad auch als der Anteil der mechanischen Energie betrachtet werden, welcher über den Aktor in elektrische Energie gewandelt wird, wobei der verbleibende Anteil in thermische Energie bzw. in Wärme gewandelt wird.
Die thermische Leistung, welche aufgrund des geringen Einspeisewirkungsgrads entsteht, bewirkt eine Erwärmung des Aktors und/oder von mit dem Aktor gekoppelten Komponenten und muss somit nicht von dem Energiespeicher aufgenommen werden. Eine Aufnahme der thermischen Leistung erfolgt über die thermische Kapazität des Aktors und mit dem Aktor verbundener, weiterer Komponenten des Kraftfahrzeugs. Der verbleibende Anteil an eingespeister elektrischer Leistung ist somit wesentlich geringer als bei einem höheren Einspeisewirkungsgrad, so dass der Anteil an der Gesamtkapazität, welcher in dem Energiespeicher als Vorhalt bereitgestellt werden muss, vorteilhaft reduziert werden kann. Dies vergrößert die für andere Funktionen des Energiespeichers zur Verfügung stehende Kapazität, insbesondere für eine Energieaufnahme aus einem elektrischen Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs.
Ferner wird erreicht, dass die stochastisch auftretende Einspeisevorgänge des Aktors keine Grenzwertüberschreitungen bei der Belastung des Energiespeichers beziehungsweise eines den Energiespeicher und den wenigstens einen Aktor umfassenden Bordnetzes bewirken. Durch das Vermeiden der stochastischen bzw. nicht deterministischen Grenzwertüberschreitungen bei den Einspeisevorgängen des elektromechanischen Aktors kann das Auftreten von Instabilitäten in dem Bordnetz vermieden werden. Auch Zustände, in denen eine erhöhte Bauteilbelastung und/oder weiteren kritischen Effekte auftreten, können somit ebenfalls vermieden werden.
Die durch die Verkleinerung und/oder den Verzicht auf den Vorhalt bestehende, größere nutzbare Kapazität des Energiespeichers kann zu einer Optimierung insbesondere von Rekuperationsphasen des Kraftfahrzeugs führen. Dadurch können vorteilhaft das CO₂-Potential und die Gesamteffizienz des Kraftfahrzeugs verbessert werden, da eine größere Kapazität des Energiespeichers für andere Funktionen, insbesondere die Aufnahme von in einem Rekuperationsbetrieb eines Traktionselektromotors des Kraftfahrzeugs erzeugter elektrischer Leistung bzw. Energie, zur Verfügung steht.
Der Einspeisearbeitspunkt kann in Abhängigkeit eines in dem Einspeisevorgang gewünschten, mechanischen Verhaltens des Aktors und/oder eines zu stellenden Aktorparameters erfolgen. Auf diese Weise ist ein mechanisches Verhalten des Aktors in dem Einspeisepunkt vorgebbar. Das mechanische Verhalten des Aktors kann dabei auch mit dem reduzierten Einspeisewirkungsgrad erzeugt werden. Das gewünschte mechanische Verhalten des Aktors und/oder der zu stellende Aktorparameter kann dabei zum Beispiel von einer zur Durchführung des Verfahrens eingerichteten Steuereinrichtung ermittelt werden oder von einem weiteren Steuergerät an eine solche Steuereinrichtung übermittelt werden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass in dem eingestellten Einspeisearbeitspunkt der Einspeisewirkungsgrad 25% oder weniger beträgt. Insbesondere kann der Einspeisewirkungsgrad in dem eingestellten Einspeisearbeitspunkt auch 20% oder weniger, 15% oder weniger, 10% oder weniger, 5% oder weniger, 2% oder weniger oder 1 % oder weniger betragen.
Bevorzugt wird der Einspeisewirkungsgrad so klein wie möglich gewählt, so dass die in den Einspeisevorgängen erzeugte elektrische Leistung bzw. die in den Einspeisevorgängen erzeugte elektrische Energiemenge wo gering wie möglich gehalten wird. Insbesondere bevorzugt ist ein Einspeisewirkungsgrad von 0% oder zumindest im Wesentlichen von 0%, so dass sämtliche auf den Aktor einwirkende mechanische Leistung über den Aktor in thermische Leistung gewandelt wird und keine beziehungsweise nahezu keine elektrische Leistung in den Energiespeicher eingespeist werden muss. Je kleiner der Einspeisewirkungsgrad in den Einspeisevorgängen ist, desto geringer kann der Vorhalt für den wenigstens einen elektromagnetischen Aktor in dem Energiespeicher ausgeführt werden. Bei einem Einspeisewirkungsgrad von 0% kann vollständig auf den Vorhalt verzichtet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Aktor verwendet wird, welcher dazu ausgebildet ist, während des Betriebs des Kraftfahrzeugs in Aktorbetriebsvorgängen in jeweils wenigstens einem Aktorbetriebsarbeitspunkt betrieben zu werden, wobei durch die Aktorbetriebsarbeitspunkte jeweils ein Betriebswirkungsgrad, mit dem der Aktor elektrische Leistung in mechanische Leistung wandelt, vorgegeben wird und der Betriebswirkungsgrad jeweils 80% oder mehr beträgt.
Der Betriebswirkungsgrad betrifft dabei die Wandlung von elektrischer Leistung in mechanische Leistung, wobei der Anteil der elektrischen Leistung, welche nicht in mechanische Leistung gewandelt wird, entsprechend in dem Aktor in thermische Leistung umgewandelt wird. Bevorzugt wird der Betriebswirkungsgrad, mit dem der Aktor in den Aktorbetriebsvorgängen betrieben wird so groß wie möglich gewählt, wobei er bevorzugt 80% oder mehr beträgt. Auf diese Weise kann in den Aktorbetriebsvorgängen der wenigstens eine Aktor so effizient wie möglich aus dem Energiespeicher betrieben werden, so dass die elektrische Leistung, welche dem Energiespeicher entnommen wird, optimal in die zur Umsetzung der geforderten Funktion des Aktors notwendige mechanische Leistung gewandelt werden kann und eine unnötige Energieentnahme aus dem Energiespeicher zum Aktorbetrieb des Aktors vorteilhaft vermieden werden kann. Entsprechend zu dem Einspeisearbeitspunkt kann auch der Aktorbetriebsarbeitspunkt in Abhängigkeit eines gewünschten mechanischen Verhaltens des Aktors gewählt werden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Dauer der durch den Aktor bei Betrieb des Kraftfahrzeugs erzeugten Einspeisevorgänge 10 ms oder weniger, insbesondere 1 ms oder weniger, beträgt und/oder dass durch den Aktor in den Einspeisevorgängen mechanische Leistungen von 1 kW oder mehr wandelbar sind. Das Verwenden eines möglichst niedrigen Einspeisewirkungsgrads ist insbesondere bei elektromechanischen Aktoren sinnvoll, welche hochdynamisch, das heißt mit vergleichsweise kurzen Einspeisedauern, in den elektrischen Energiespeicher einspeisen. Weiterhin fällt bei derartigen Aktoren der notwendige Vorhalt insbesondere dann groß aus, wenn in den Einspeisevorgängen vergleichsweise große mechanische Leistungen von 1 kW oder mehr in elektrische Leistungen wandelbar sind und somit in den Energiespeicher zurückgespeist werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein elektromechanischer Aktor verwendet wird, welcher mit dem Energiespeicher über eine Steuervorrichtung verbunden ist, wobei der Einspeisearbeitspunkt des elektromechanischen Aktors durch eine Ansteuerung der Steuervorrichtung eingestellt wird. Dazu kann beispielsweise die Steuervorrichtung mit einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichteten Steuereinrichtung verbunden sein oder eine solche Steuereinrichtung umfassen. Die Steuervorrichtung kann beispielsweise als ein Umrichter ausgeführt sein, mit dem ein dem Energiespeicher entnommener Gleichstrom in den Aktorbetriebsvorgängen in einen Wechselstrom zum Betrieb des elektromechanischen Aktors wandelbar ist, beziehungsweise, durch welchen ein von dem elektromechanischen Aktor erzeugter Wechselstrom in den Einspeisevorgängen in einen Gleichstrom wandelbar ist. Der Aktor kann dabei als elektrische Maschine, zum Beispiel als Rotationsmotor oder als Linearmotor, ausgeführt sein.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass als elektromechanischer Aktor eine adaptive Dämpfungseinrichtung, insbesondere ein adaptiver Fahrwerksdämpfer, verwendet wird. Durch eine adaptive Dämpfungseinrichtung wie einen adaptiven Fahrwerksdämpfer kann in den Aktorbetriebsarbeitspunkten jeweils eine Auslenkung der Dämpfungseinrichtung erzeugt werden. In den Einspeisevorgängen wird die Dämpfungseinrichtung beispielsweise komprimiert beziehungsweise gestaucht, so dass umgekehrt zu der Bewegung in einem Aktorbetriebsarbeitspunkt eine Wandlung von mechanischer Leistung in elektrische Leistung stattfindet.
Ein als adaptive Dämpfungseinrichtung bzw. als adaptiver Fahrwerksdämpfer ausgebildeter Aktor kann zum Beispiel eine elektrische Maschine umfassen. Zusätzlich dazu kann ein solcher Aktor noch weitere Elemente, beispielsweise eine oder mehr Federn und/oder ein oder mehr mechanische Komponenten, beispielsweise ein komprimierbares bzw. ausfahrbares Gestänge einen Kolben oder Ähnliches, umfassen. Die Einstellung des Einspeisearbeitspunkts kann bei einer adaptiven Dämpfungseinrichtung bzw. einem adaptiven Fahrzeugdämpfer in Abhängigkeit eines einzustellenden Dämpfungsverhaltens erfolgen.
Ein adaptiver Fahrwerksdämpfer, welcher als elektromechanischer Aktor verwendet wird, und/oder andere adaptive Dämpfungseinrichtungen eines Kraftfahrzeugs können abhängig von dem aktuellen Fahrzustand des Kraftfahrzeugs angesteuert werden. Auch die Einfedervorgänge beziehungsweise die Einspeisevorgänge des elektromechanischen Aktors erfolgen in Abhängigkeit des aktuellen Betriebszustands, wobei diese stochastisch sind und von einer Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs hinsichtlich der Zeitpunkte und/oder der Häufigkeit ihres Auftretens und/oder der jeweils umzusetzenden mechanischen Leistung nicht vorhergesagt werden können.
Dies rührt insbesondere davon her, dass adaptive Dämpfungseinrichtungen, insbesondere adaptive Fahrwerksdämpfer, bei einem Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs durch Unebenheiten der Fahrbahnoberfläche angeregt werden können. Insbesondere die mit dem Einspeisen von Energie in den Energiespeicher verbundenen Einfedervorgänge hängen hinsichtlich der Zeitpunkte und der Häufigkeit ihres Auftretens sowie der dabei jeweils über den Aktor aufgenommenen mechanischen Leistung stark von der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche bzw. des befahrenen Untergrunds ab. Es ist vorteilhaft möglich, dass das Verfahren bei mehreren adaptiven Dämpfungseinrichtungen eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise bei vier jeweils einem Rad des Kraftfahrzeugs zugeordneten adaptiven Fahrwerksdämpfern, verwendet wird.
Als Detektionsmittel kann erfindungsgemäß eine Strommesseinrichtung verwendet werden, wobei durch die Strommesseinrichtung ein Strom messbar ist, welcher durch den Aktor während des Einspeisevorgangs erzeugt wird. Durch das Messen eines Stroms, welcher durch den Aktor erzeugt wird, kann der Beginn eines Einspeisevorgangs erkannt werden, so dass entsprechend einer Einstellung des Einspeisearbeitspunkts des Aktors, beispielsweise durch Ansteuerung der mit dem Aktor verbundenen Steuereinrichtung, eingestellt werden kann. Das Strommessmittel kann vorteilhaft auch in den Aktorbetriebsvorgängen verwendet werden und dort insbesondere zum Einregeln eines Aktorbetriebsarbeitspunkts verwendet werden, so dass kein zusätzlicher Sensor als Detektionsmittel benötigt wird.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass bei der Detektion des Beginns eines Einspeisevorgangs durch eine dem Aktor zugeordnete Aktorsteuereinrichtung ein von dem Aktor zu stellendes Drehmoment ermittelt wird, wobei der Einspeisearbeitspunkt in Abhängigkeit des ermittelten Drehmoments eingestellt wird. Abhängig von der Ausgestaltung des Aktors kann es sich bei der Aktorsteuereinrichtung zum Beispiel um eine Fahrwerkssteuerung oder eine Dämpfungseinrichtungssteuerung handeln. Die Aktorsteuereinrichtung kann ein von dem Aktor zu stellendes bzw. aufzunehmendes Drehmoment zum Beispiel in Abhängigkeit eins aktuellen Fahrzustands des Kraftfahrzeugs und/oder in Abhängigkeit wenigstens eines Messwerts des Detektionsmittels bei der Detektion des Beginns des Einspeisevorgangs ermitteln. Entsprechend kann durch die Aktorsteuereinrichtung auch ein in einem Aktorbetriebsarbeitspunkt zu stellendes Drehmoment ermitteln, welches bei dem Einstellen des Aktorbetriebsarbeitspunkt über den Aktor erzeugt wird.
Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es wenigstens einen elektromechanischen Aktor, einen Energiespeicher, ein Detektionsmittel und eine Steuereinrichtung umfasst, wobei der Aktor dazu ausgebildet ist, während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs in stochastisch auftretenden Einspeisevorgängen in Abhängigkeit eines durch einen Einspeisearbeitspunkt des Aktors vorgegebenen Einspeisewirkungsgrads mechanische Leistung in elektrische Leistung, welche in den Energiespeicher eingespeist wird, zu wandeln, wobei durch das Detektionsmittel der Beginn eines Einspeisevorgangs detektierbar ist, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher ein Traktionsenergiespeichere ist und/oder dass das Kraftfahrzeug ein hybridelektrisches oder ein vollelektrisches Kraftfahrzeug ist. Bei einem hybridelektrischen Kraftfahrzeug, welches neben einem elektrischen Traktionsmotor auch einen als Verbrennungsmaschine ausgebildeten Traktionsmotor umfasst, werden in der Regel elektrische Energiespeicher mit einer geringeren Gesamtkapazität verbaut, so dass eine Reduktion des Vorhalts in dem Energiespeicher prozentual zu der Gesamtkapazität des Energiespeichers besonders ins Gewicht fällt. Bei vollelektrischen Kraftfahrzeugen, welche ausschließlich über wenigstens einen elektrischen Traktionsmotor antreibbar sind, werden in der Regel Energiespeicher mit einer größeren Gesamtkapazität verwendet. Auch in diesem Fall wirkt sich die Reduktion beziehungsweise der Verzicht auf einen Vorhalt vorteilhaft aus, da dadurch die nutzbare Gesamtkapazität ansteigt und somit insbesondere eine mögliche Reichweite des vollelektrischen Fahrzeugs erhöht werden kann.
Sämtliche vorangehend in Bezug zu dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Umgekehrt gelten die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug entsprechend auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
2 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
3 ein Diagramm, in dem die Gesamtkapazität eines Energiespeichers dargestellt ist.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst wenigstens einen elektromechanischen Aktor 2, welcher als ein aktiver Fahrwerksdämpfer ausgeführt ist. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst weiterhin einen Energiespeicher 3 sowie einen elektrischen Traktionsmotor 4. Das Kraftfahrzeug 1 kann als vollelektrisches Kraftfahrzeug ausgeführt sein, so dass es nur über den Traktionsmotor 4 bewegt werden kann. Es ist alternativ auch möglich, dass das Kraftfahrzeug 1 als hybridelektrisches Kraftfahrzeug ausgeführt ist und zusätzlich einen, insbesondere mechanisch mit dem elektrischen Traktionsmotor 4 gekoppelten, Verbrennungsmotor 5 umfasst.
Der elektrische Energiespeicher 3 ist mit dem elektromechanischen Aktor 2 über eine Steuervorrichtung 6 verbunden, wobei durch die Steuervorrichtung der elektromechanische Aktor 2 in Aktorbetriebsvorgängen über den Energiespeicher 3 betreibbar ist. Dazu kann die Steuervorrichtung 6 beispielsweise als Umrichter ausgeführt sein und mit einer elektrische Maschine 7 des Aktors 2 verbunden sein. Die elektrische Maschine 7 des Aktors 2 kann zum Beispiel als Rotationsmotor oder als Linearmotor ausgeführt sein. Zusätzlich dazu kann der z.B. als adaptiver Fahrwerksdämpfer ausgeführte Aktor 2 weitere Komponenten, beispielsweise eine Feder und/oder weitere mechanische Komponenten wie einen Kolben und/oder ein komprimierbares bzw. ausfahrbares Gestänge umfassen, welche der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellt sind.
Der Energiespeicher 3 und die Steuervorrichtung 6 sind über ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs miteinander verbunden. Dabei kann es sich je nach Spannungsniveau des Energiespeichers zum Beispiel um ein 12V Netz, ein 48V-Netz oder ein Hochvolt-Bordnetz handeln. Es ist möglich, dass die Steuervorrichtung einen Gleichspannungswandler umfasst, um das Spannungsniveau des Bordnetzes 8 für den Betrieb des Aktors 2 bzw. der elektrischen Maschine 7 des Aktors 2 zu ändern. Über das Bordnetz 8 ist der Aktor 2 bzw. die elektrische Maschine 7 des Aktors 2 mit dem Energiespeicher 3 verbunden.
Neben einem Aktorbetrieb des Aktors 2 in über die Steuervorrichtung 6 eingestellten Aktorbetriebsarbeitspunkten ist auch ein Einspeisen von elektrischer Leistung von dem Aktor 2 über die Steuervorrichtung 6 in den elektrischen Energiespeicher 3 möglich. Dabei bestimmt der Ausschlag oder Bewegungsweg des Fahrwerks bzw. des als adaptiven Fahrwerksdämpfer ausgeführten Aktors 2 die Kraftrichtung der mechanischen Leistung und somit, ob eine Stromeinspeisung in das Bordnetz 8 oder eine Stromaufnahme aus dem Bordnetz 8 auftritt.
Eine Stromeinspeisung tritt beispielsweise auf, wenn der als aktiver Fahrwerksdämpfer ausgeführte Aktor 2 aufgrund von Bodenunebenheiten einfedert, wobei durch den Aktor 2 die dabei aufgenommene mechanische Leistung in elektrische Leistung gewandelt wird, welche dann in den Energiespeicher 3 eingespeist wird. Dies ist jedoch unerwünscht, da für die auf diesem Weg erzeugte elektrische Leistung ein Vorhalt in der Gesamtkapazität des Energiespeichers 3 bereitgehalten werden muss, damit bei den Einspeisevorgängen über den Aktor 2 keine Überlastung des Energiespeichers 3 und/oder des mit dem Energiespeicher 3 verbundenen Bordnetzes 8 des Kraftfahrzeugs 1 auftritt.
Um diesen Vorhalt in der Gesamtkapazität des Energiespeichers zu reduzieren und/oder auf diesen Vorhalt vollständig verzichten zu können, umfasst das Kraftfahrzeug 1 weiterhin eine Steuereinrichtung 9, welche dazu ausgebildet ist, bei Beginn eines Einspeisevorgangs durch den Aktor 2 einen Einspeisearbeitspunkt des Aktors 2 einzustellen, in dem ein Einspeisewirkungsgrad 50% oder weniger beträgt. Der Einspeisewirkungsgrad bezieht sich hierbei auf das Verhältnis der vom Aktor 2 erzeugten elektrischen Leistung zu der auf den Aktor 2 einwirkenden mechanischen Leistung. Der Wirkungsgrad kann entsprechend auch als das Verhältnis zwischen der vom Aktor 2 erzeugten elektrischen Energie und der über den Aktor aufgenommenen mechanischen Energie aufgefasst werden.
Um den Beginn eines Einspeisevorgangs detektieren zu können, ist die Steuereinrichtung 9 mit einem Detektionsmittel 10 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden. Das Detektionsmittel 10 ist dazu eingerichtet, einen von dem Aktor 2 in einem Einspeisevorgang erzeugten Strom zu messen. Dazu kann das Strommessmittel beispielsweise die Stromrichtung und/oder die Amplitude von zwischen der Steuervorrichtung 6 und der elektrischen Maschine 7 fließenden Phasenströmen ermitteln. Auf diese Weise kann ermittelt werden, ob eine Stromeinspeisung in das Bordnetz 8 bzw. den Energiespeicher 8 oder eine Stromaufnahme aus dem Bordnetz 8 bzw. dem Energiespeicher 8 vorliegt. Das Detektionsmittel 10 kann insbesondere auch bei der Einstellung eines Aktorbetriebsarbeitspunkts verwendet werden, so dass vorteilhaft für die Detektion des Beginns des Einspeisevorgangs ein auch anderweitig verwendetes Detektionsmittel eingesetzt werden kann.
In 2 ist ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Schritt S1 stellt dabei den Ausgangszustand des Verfahrens dar.
In Schritt S2 erfolgt die Detektion des Beginns eines Einspeisevorgangs durch den Aktor 2 mittels einer Strommessung durch das Detektionsmittel 10. Der Beginn eines Einspeisevorgangs kann beispielsweise vorliegen, wenn das Kraftfahrzeug im Fahrbetrieb aufgrund einer Bodenunebenheit an dem elektromechanischen Aktor 2 einfedert. Ein derartiges Einfedern von einem adaptiven Fahrwerksdämpfer beziehungsweise von anderen Dämpfungseinrichtungen des Kraftfahrzeugs 1 tritt stochastisch auf und ist durch die Steuereinrichtung 9 und/oder weitere Steuergeräte des Kraftfahrzeugs 1 nicht erfassbar.
Infolge der Detektion des Beginns des Einspeisevorgangs wird in Schritt S3 ein Einspeisearbeitspunkt des Aktors 2 eingestellt, in dem der Einspeisewirkungsgrad 50% oder weniger beträgt. Der Einspeisewirkungsgrad richtet sich dabei zum Beispiel bei Verwendung einer d/q-Transformation bei dem Betrieb der Steuervorrichtung 6 nach der Lage des Einspeisearbeitspunkts in einem Rückspeisequadrant. Die Wahl des Einspeisearbeitspunkts kann weiterhin in Abhängigkeit eines einzustellenden Dämpfungsverhaltens des Aktors 2, zum Beispiel in Abhängigkeit eines von dem Aktor 2 beim Einfedern zu stellenden Drehmoments, erfolgen. Das Dämpfungsverhalten bzw. das Drehmoment kann beispielsweise durch eine als Fahrwerkssteuereinrichtung des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildete Aktorsteuereinrichtung 15, zum Beispiel in Abhängigkeit eines Messwerts des Detektionsmittels 10 bei Beginn des Einspeisevorgangs, ermittelt und bei Beginn der Detektion des Einspeisevorgangs in Schritt S2 an die Steuereinrichtung 9 übermittelt werden. Der Einspeisearbeitspunkt und somit das Dämpfungsverhalten bzw. das Drehmoment sowie der Einspeisewirkungsgrad des Aktors 2 können anschließend über die Steuervorrichtung 6 eingestellt werden. Dadurch beeinflusst der geringe Einspeisewirkungsgrad das mechanische Verhalten des Aktors 2 nicht und die Funktion eines den Aktor 2 umfassenden adaptiven Fahrwerks wird nicht beeinflusst.
Um die während des Einspeisevorgangs erzeugte elektrische Leistung so gering wie möglich zu halten, kann insbesondere vorgesehen sein, dass in dem eingestellten Einspeisearbeitspunkt der Einspeisewirkungsgrad 25% oder weniger, insbesondere 20% oder weniger, 15% oder weniger, 10% oder weniger, 5% oder weniger, 2% oder weniger oder 1 % oder weniger beträgt. Insbesondere kann der Einspeisewirkungsgrad auch 0% oder zumindest im Wesentlichen 0% betragen, so dass die gesamte oder nahezu die gesamte mechanische Leistung, welche in dem Einspeisevorgang von dem Aktor 2 gewandelt wird, in thermische Leistung umgesetzt wird.
Durch die thermische Leistung werden der Aktor 2 und/oder mit dem Aktor 2 gekoppelte, weitere Komponenten des Kraftfahrzeugs 1 erwärmt, eine Rückspeisung in den Energiespeicher 3 findet dabei nicht statt. Aufgrund der geringen Zeitdauer des Einfedervorgangs fällt auch bei vergleichsweise hohen mechanischen Leistungen nur eine geringe thermische Leistung bzw. eine geringe Wärmemenge an, welche durch die thermische Kapazität des Aktors 2 und/oder von mit dem Aktor 2 gekoppelten Komponenten aufgenommen werden kann, ohne eine signifikante Erwärmung des Aktors 2 zu bewirken.
Zur Einstellung des Arbeitspunkts des Aktors 2 steuert die Steuereinrichtung 9 die Steuervorrichtung 6 an, so dass der Aktor 2 während des Einspeisevorgangs in dem Einspeiseeingangspunkt betrieben wird. Nach Beendigung des Einspeisevorgangs kehrt das Verfahren in den ersten Schritt S1 zurück. Das Ende des Einspeisevorgangs kann dabei ebenfalls von der Steuereinrichtung 9 über das Detektionsmittel bestimmt werden.
Weiterhin ist es möglich, dass ausgehend von dem Zustand S1 ein Ansteuern des elektromechanischen Aktors 2 in einem Aktorbetrieb erfolgt. Diese Ansteuerung kann beispielsweise durch die als Fahrwerkssteuereinrichtung ausgebildete Aktorsteuereinrichtung 15 des Kraftfahrzeugs 1 ermittelt und in einem Schritt S4 an die Steuereinrichtung 9 übertragen werden. Zur Ansteuerung des Aktors 2 zur Ausführung eines Aktorbetriebsvorgangs wird der Aktor 2 dann in einem Schritt S5 von der Steuereinrichtung 9 in einem Aktorbetriebsarbeitspunkt betrieben. Dazu kann von der Steuereinrichtung 9 die Steuervorrichtung 6 des Aktors 2 angesteuert werden, um den Aktorbetriebsarbeitspunkt in dem Aktor 2 einzustellen. Dabei weist der Aktor in dem Aktorbetriebsarbeitspunkt einen Betriebswirkungsgrad von 80% oder mehr auf. Der Betriebswirkungsgrad beschreibt dabei den Anteil der vom Aktor 2 aufgenommenen elektrischen Leistung bzw. Energie, welche über den Aktor 2 in mechanische Leistung bzw. Energie gewandelt wird. Nach Beendigung des Aktorbetriebsvorgangs kehrt das Verfahren wieder zu Schritt S1 zurück und kann von dort aus die vorangehend beschriebenen Schritte erneut durchlaufen.
Es ist insbesondere möglich, dass das Kraftfahrzeug 1 mehr als einen als aktiven Fahrwerksdämpfer ausgebildeten elektromechanischen Aktor 2 aufweist. Es ist auch möglich, dass der elektromechanische Aktor 2 als eine andere Art von Dämpfungseinrichtung ausgeführt ist und/oder dass das Kraftfahrzeug 1 weitere, als Dämpfungseinrichtung ausgeführte elektromechanische Aktoren umfasst, welche mittels des vorangehend beschriebenen Verfahrens betrieben werden. Insbesondere können elektromechanische Aktoren mittels des Verfahrens betrieben werden, welche bei Betrieb des Kraftfahrzeugs 1 stochastische Einspeisevorgänge von einer Dauer von 10 ms oder weniger, und insbesondere von 1 ms oder weniger, aufweisen und/oder durch welche in den Einspeisevorgängen mechanische Leistungen von größer als 1 kW oder mehr sind. Es ist möglich, dass die Steuereinrchtung 9 und die Aktorsteuereinrichtung 15 als eine gemeinsame Steuereinrichtung ausgeführt sind.
Ein als aktiver Fahrwerksdämpfer ausgebildeter Aktor 2 kann z. B. bei einem Überfahren einer Bodenunebenheit während des Betriebs des Kraftfahrzeugs 1 eine mechanische Leistung von 6 kW aufnehmen. Bei Einstellen eines hohen Einspeisewirkungsgrads, beispielsweise von 83%, würden 5 kW elektrische Leistung erzeugt und in den Energiespeicher 3 eingespeist. Für derartige Energieaufnahme muss in dem Energiespeicher 3 ein Vorhalt bereitgestellt werden.
In 3 ist schematisch eine Gesamtkapazität 11 des Energiespeichers 3 dargestellt. Die Gesamtkapazität 11 ist dabei als Fläche über der Achse 14 dargestellt, wobei auf der Achse 14 schematisch der Ladezustand des Energiespeicher 3 zwischen 0% und 100% bezogen auf die Gesamtkapazität des Energiespeichers 3 aufgetragen ist.
Die Gesamtkapazität 11 weist zwei Vorhalte 12, 13 auf, wobei ein unterer Vorhalt 12 die maximal aus dem Energiespeicher 3 entnehmbare elektrische Energie nach unten hin, also auf einen Wert größer als 0%, beschränkt. Die durch den Vorhalt 12 zurückgehaltene Energiemenge kann zum Beispiel für den Aktorbetrieb des Aktors 2 und/oder für den Betrieb weiterer Aktoren des Kraftfahrzeugs 1 dienen. Der Vorhalt 13 beschränkt die maximal in den Energiespeicher 3 einspeisbare Leistung beispielsweise in einem Rekuperationsbetrieb des elektrischen Traktionsmotors 4 auf einen Wert unterhalb von 100% der Gesamtkapazität 11 des Energiespeichers 3. Durch den Vorhalt 13, welcher zur Energieaufnahme zur Verfügung steht, werden eine Überladung des Energiespeichers 3 und des Bordnetzes 8 bei einem Auftreten von insbesondere transienten Rückspeiseströmen in den Einspeisevorgängen des Aktors 2 vermieden. Die insgesamt über die Vorhalte 12, 13 zurückgehaltene Gesamtkapazität kann sich dabei nach der im zeitlichen Mittel maximal aufzunehmende bzw. abzugebende Energie richten und ggf. jeweils noch einen Sicherheitszuschlag beinhalten.
Die aufzunehmende elektrische Leistung wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem Einspeisearbeitspunkt durch das Verwenden eines geringen Einspeisewirkungsgrads reduziert. Bei einer aufzunehmenden mechanischen Leistung von 6 kW und einem Einspeisearbeitspunkt mit einem beispielhaften Einspeisewirkungsgrad von 16% kann die erzeugte elektrische Leistung auf 1 kW reduziert werden, so dass der Vorhalt 13 in dem Energiespeicher reduziert werden kann, da insgesamt während der Einspeisevorgänge nur eine geringere Energiemenge in den Energiespeicher 3 überführt werden kann.
Vorteilhaft kann der Wirkungsgrad in den Einspeisevorgängen so gering wie möglich gewählt werden, so dass der Vorhalt 13 zur Berücksichtigung der stochastischen Einspeisevorgänge durch den Aktor 2 so klein wie möglich ausgeführt beziehungsweise gänzlich entfallen kann. Dies erhöht die nutzbare Kapazität des Energiespeichers 3, welche für andere Funktionen des Kraftfahrzeugs 1, beispielsweise für einen Rekuperationsbetrieb der Elektromaschine 4, zur Verfügung steht. Vorteilhaft kann das Kraftfahrzeug 1 dadurch mehr Energie beim Betrieb des Kraftfahrzeugs 1 rekuperieren und für andere Funktionen, wie einen Fahrbetrieb über den Traktionsmotor 3, verwenden. Insbesondere bei einem Kraftfahrzeug 1 mit Hybridantrieb kann dadurch ein CO₂-Ausstoß verringert werden, da durch den kleineren Vorhalt 13 bzw. durch den Entfall des Vorhalts 13 auch mehr Energie für einen Motorbetrieb des elektrischen Traktionsmotors 4 zur Verfügung steht. Entsprechend kann bei einem rein elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug 1 die maximale Reichweite erhöht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 20180008970 A [0004]
CN 105818708 A [0005]
DE 102016117153 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betrieb wenigstens eines elektromechanischen Aktors (2) eines Kraftfahrzeugs (1), wobei der Aktor (2) dazu ausgebildet ist, während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs (1) in stochastisch auftretenden Einspeisevorgängen in Abhängigkeit eines durch einen Einspeisearbeitspunkt des Aktors (2) vorgegebenen Einspeisewirkungsgrads mechanische Leistung in elektrische Leistung, welche in einen Energiespeicher (3) des Kraftfahrzeugs (1) eingespeist wird, zu wandeln, wobei durch ein Detektionsmittel (10) der Beginn eines Einspeisevorgangs detektiert wird und bei Beginn des Einspeisevorgangs ein Einspeisearbeitspunkt des Aktors (2) eingestellt wird, in dem der Einspeisewirkungsgrad 50% oder weniger beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem eingestellten Einspeisearbeitspunkt der Einspeisewirkungsgrad 25% oder weniger beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktor (2) verwendet wird, welcher dazu ausgebildet ist, während des Betriebs des Kraftfahrzeugs (1) in Aktorbetriebsvorgängen in Abhängigkeit eines durch einen Aktorbetriebsarbeitspunkt des Aktors (2) vorgegebenen Betriebswirkungsgrads elektrische Leistung in mechanische Leistung zu wandeln, wobei in den Aktorbetriebsvorgängen jeweils ein Aktorbetriebsarbeitspunkt eingestellt wird, in dem der Betriebswirkungsgrad 80% oder mehr beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der durch den Aktor (2) bei Betrieb des Kraftfahrzeugs (1) erzeugten Einspeisevorgänge 10 ms oder weniger, insbesondere 1 ms oder weniger, beträgt und/oder dass durch den Aktor (2) in den Einspeisevorgängen mechanische Leistungen von 1 kW oder mehr wandelbar sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektromechanischer Aktor (2) verwendet wird, welcher mit dem Energiespeicher (3) über eine Steuervorrichtung (6) verbunden ist, wobei der Einspeisearbeitspunkt des elektromechanischen Aktors (2) durch eine Ansteuerung der Steuervorrichtung (6) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektromechanischer Aktor (2) eine adaptive Dämpfungseinrichtung, insbesondere ein adaptiver Fahrwerksdämpfer, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Detektionsmittel (10) eine Strommesseinrichtung verwendet wird, wobei durch die Strommesseinrichtung ein Strom messbar ist, welcher durch den Aktor (2) während des Einspeisevorgangs erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Detektion des Beginns eines Einspeisevorgangs durch eine dem Aktor (2) zugeordnete Aktorsteuereinrichtung (15) ein von dem Aktor (2) zu stellendes Drehmoment ermittelt wird, wobei der Einspeisearbeitspunkt in Abhängigkeit des ermittelten Drehmoments eingestellt wird.
Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens einen elektromechanischen Aktor (2), einen Energiespeicher (3), ein Detektionsmittel (10) und eine Steuereinrichtung (9), wobei der Aktor (2) dazu ausgebildet ist, während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs (1) in stochastisch auftretenden Einspeisevorgängen in Abhängigkeit eines durch einen Einspeisearbeitspunkt des Aktors (2) vorgegebenen Einspeisewirkungsgrads mechanische Leistung in elektrische Leistung, welche in den Energiespeicher (3) eingespeist wird, zu wandeln, wobei durch das Detektionsmittel (10) der Beginn eines Einspeisevorgangs detektierbar ist, wobei die Steuereinrichtung (9) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (3) ein Traktionsenergiespeicher ist und/oder dass das Kraftfahrzeug (1) ein hybridelektrisches oder ein vollelektrisches Kraftfahrzeug (1) ist.