DE102022205989A1 - Hybrid drive for a motor vehicle and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Entwicklung betrifft einen Hybridantrieb (10) für ein Kraftfahrzeug (1), umfassend:- einen Elektroantrieb (12) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (1),- eine aufladbare Traktionsbatterie (14) zur Versorgung des Elektroantriebs (12) mit elektrischer Energie,- ein Stromerzeugungsaggregat (16) zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem im Kraftfahrzeug (1) mitführbaren Brennstoff,- eine elektronische Steuerung (50), welche dazu ausgebildet ist:a) ein zur Verfügung gestelltes Höhenprofil einer zurückzulegenden Fahrstrecke in zumindest eine erste und eine zweite Steigungsklasse (70, 71, 72, 73, 74) zu unterteilen,b) für jede der zumindest ersten und zweiten Steigungsklasse (70, 71, 72, 73, 74) einen elektrischen Energiebedarf und/oder einen elektrischen Leistungsbedarf für den Elektroantrieb (12) zu berechnen,c) für jede der zumindest ersten und zweiten Steigungsklasse (70, 71, 72, 73, 74) eine Leistungslücke zu einer vorgegebenen Leistung des Stromerzeugungsaggregats (16) zu prognostizieren, undd) auf Basis der prognostizierten Leistungslücken den momentanen Betrieb des Stromerzeugungsaggregats (16) zu steuern oder zu regeln.The present development relates to a hybrid drive (10) for a motor vehicle (1), comprising: - an electric drive (12) for driving the motor vehicle (1), - a rechargeable traction battery (14) for supplying the electric drive (12) with electrical energy, - a power generation unit (16) for generating electrical energy from a fuel that can be carried in the motor vehicle (1), - an electronic control (50) which is designed to:a) a provided height profile of a route to be covered in at least a first and a second gradient class (70, 71, 72, 73, 74), b) for each of the at least first and second gradient classes (70, 71, 72, 73, 74) an electrical energy requirement and/or an electrical power requirement for the electric drive (12 ). To control or regulate the power generation unit (16).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Entwicklung betrifft einen Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug, ein mit einem Hybridantrieb ausgestattetes Kraftfahrzeug, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Hybridantriebs sowie ein Computerprogramm zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The present development relates to a hybrid drive for a motor vehicle, a motor vehicle equipped with a hybrid drive, a method for operating such a hybrid drive and a computer program for carrying out such a method.
Hintergrundbackground
Es existieren verschiedenste Implementierung von Hybridantrieben für Kraftfahrzeuge. Bei einem seriellen Hybridantrieb sind zumindest zwei Energiewandler vorgesehen. Ein erster Energiewandler kann beispielsweise als Elektromotor ausgestaltet und allein, bzw. überwiegend der Traktion des Fahrzeugs dienen. Eine zweiter Energiewandler kann als Stromerzeugungsaggregat implementiert sein. Der zweite Energiewandler muss hierbei keine mechanische Verbindung zur eigentlichen Antriebsachse. Der zweite Energiewandler kann hierbei die Funktion eines sogenannten Range-Extenders erfüllen. So kann der zweite Energiewandler beispielsweise durch Verbrennung oder durch elektrochemische Umwandlung eines Brennstoffs während des Betriebs des Kraftfahrzeugs elektrische Energie erzeugen, die vom ersten Energiewandler, typischerweise unter Zwischenschaltung einer aufladbare Traktionsbatterie zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs genutzt werden kann.There are various implementations of hybrid drives for motor vehicles. In a serial hybrid drive, at least two energy converters are provided. A first energy converter can, for example, be designed as an electric motor and serve solely or predominantly for the traction of the vehicle. A second energy converter can be implemented as a power generation unit. The second energy converter does not need a mechanical connection to the actual drive axle. The second energy converter can fulfill the function of a so-called range extender. For example, the second energy converter can generate electrical energy by combustion or by electrochemical conversion of a fuel during operation of the motor vehicle, which can be used by the first energy converter, typically with the interposition of a rechargeable traction battery, to move the motor vehicle.
Für solche Hybridantriebe ist es typischerweise vorgesehen, dass der zweite Energiewandler, etwa das Stromerzeugungsaggregat nur zeitweise in Betrieb genommen wird, um beispielsweise eine sich während des Betriebs des Kraftfahrzeugs kontinuierlich entladende Traktionsbatterie wieder aufzuladen und/oder um ein zusätzliches Antriebsmoment bereitzustellen. Typischerweise erfolgt eine Inbetriebnahme des zweiten Energiewandlers, mithin des Stromerzeugungsaggregats, wenn der Ladezustand des Energiespeichers einen unteren Schwellwert erreicht.For such hybrid drives, it is typically provided that the second energy converter, such as the power generation unit, is only put into operation temporarily, for example in order to recharge a traction battery that is continuously discharging during operation of the motor vehicle and/or to provide additional drive torque. Typically, the second energy converter, i.e. the power generation unit, is put into operation when the state of charge of the energy storage reaches a lower threshold value.
So ist beispielsweise aus der
Für einen effizienten Betrieb des Kraftfahrzeugs und für eine möglichst kostengünstige und platzsparende Fertigung eines mit einem Hybridantrieb ausgestatteten Kraftfahrzeugs ist es grundsätzlich erstrebenswert, die Komponenten des Hybridantriebs, etwa eine Traktionsbatterie, ein Stromerzeugungsaggregat und den Elektroantrieb aufeinander abgestimmt zu dimensionieren.For efficient operation of the motor vehicle and for the most cost-effective and space-saving production of a motor vehicle equipped with a hybrid drive, it is fundamentally desirable to dimension the components of the hybrid drive, such as a traction battery, a power generation unit and the electric drive, in a coordinated manner.
Hierbei ist es grundsätzlich möglich, dass der Elektroantrieb eine maximale elektrische Leistungsaufnahme aufweist, die größer ist als die Stromerzeugungsleistung des Stromerzeugungsaggregats. Wenn die Traktionsbatterie eine ausreichende Ladekapazität aufweist sind solche Konstellationen aus Kosten- und Platzgründen durchaus erstrebenswert. Denn im Dauerbetrieb des Kraftfahrzeugs wird der Elektroantrieb nicht permanent nahe seiner Leistungsgrenze betrieben und die Batterie muss typischerweise nur über einen kurzen Zeitraum den Elektroantrieb mit einer maximalen elektrischen Leistung versorgen.In principle, it is possible for the electric drive to have a maximum electrical power consumption that is greater than the power generation output of the power generation unit. If the traction battery has sufficient charging capacity, such constellations are definitely desirable for reasons of cost and space. During continuous operation of the motor vehicle, the electric drive is not constantly operated close to its performance limit and the battery typically only has to supply the electric drive with maximum electrical power over a short period of time.
Die zeitweise Inbetriebnahme des Stromerzeugungsaggregats wird typischerweise über den Ladezustand der Traktionsbatterie bestimmt oder hiervon getriggert. Erreicht der Ladezustand beispielsweise einen unteren zulässigen Schwellwert, so wird das Stromerzeugungsaggregat typischerweise in Betrieb genommen, um einem kritischen Entladen der Kraftfahrzeugbatterie rechtzeitig entgegenzuwirken.The temporary commissioning of the power generation unit is typically determined or triggered by the state of charge of the traction battery. For example, if the state of charge reaches a lower permissible threshold value, the power generation unit is typically put into operation in order to counteract a critical discharge of the motor vehicle battery in a timely manner.
Ist die Stromerzeugungsleistung des Stromerzeugungsaggregat jedoch kleiner als beispielsweise eine maximale Nennleistung des Elektroantriebs so können in der Praxis durchaus Situationen auftreten, bei denen trotz aktiviertem Stromerzeugungsaggregat der Ladezustand der Batterie unter einen kritischen Wert weiter absinkt; wenn nämlich gleichzeitig der Elektroantrieb mit einer außerordentlich hohen Leistungsaufnahme betrieben wird, die beispielsweise bei einer Berganfahrt erforderlich ist.However, if the power generation output of the power generation unit is smaller than, for example, a maximum nominal power of the electric drive, situations can arise in practice in which the charge level of the battery continues to fall below a critical value despite the power generation unit being activated; if at the same time the electric drive is operated with an extraordinarily high power consumption, which is required, for example, when driving uphill.
Insoweit ist es eine Zielsetzung der vorliegenden Entwicklung, jene Nachteile zu beseitigen und einen verbesserten Hybridantrieb sowie ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen. Der Hybridantrieb und das Verfahren sollen möglichst kostengünstig und platzsparend implementierbar sein. Der Hybridantrieb und das Verfahren sollen eine möglichst effiziente, kostengünstige und platzsparende Implementierung der Komponenten des Hybridantriebs ermöglichen.In this respect, one objective of the present development is to eliminate those disadvantages and to provide an improved hybrid drive and an improved method for operating a hybrid drive for a motor vehicle. The hybrid drive and the process should be implemented as cost-effectively and as space-saving as possible. The hybrid drive and the method should enable the most efficient, cost-effective and space-saving implementation of the components of the hybrid drive.
Vorteilhafte AusgestaltungenAdvantageous configurations
Zur Lösung dieser Problemstellung sind ein Hybridantrieb, ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebs sowie ein Computerprogramm gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche.To solve this problem, a hybrid drive, a motor vehicle, a method for operating a hybrid drive and a computer program are provided according to the features of the independent patent claims. Advantageous refinements are the subject of dependent patent claims.
In einem ersten Aspekt ist insoweit ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Der Hybridantrieb umfasst einen Elektroantrieb zum Antreiben des Kraftfahrzeugs. Der Hybridantrieb umfasst ferner eine aufladbare Batterie, welche auch als Traktionsbatterie zu bezeichnen ist und welche zur Versorgung des Elektroantriebs mit elektrischer Energie ausgestaltet ist. Die Traktionsbatterie kann insbesondere als Hochvolt-Batterie ausgestaltet sein. Der Hybridantrieb verfügt ferner über ein Stromerzeugungsaggregat zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem im Kraftfahrzeug mitführbaren Brennstoff. Das Stromerzeugungsaggregat fungiert insoweit als Range-Extender und kann zum Onboard-Laden der Traktionsbatterie dienen. Die aufladbare Traktionsbatterie kann aber auch über eine Plug-In Lösung, d.h. kabelgebunden über einen gesonderten Ladeanschluss mit einer Ladestation verbunden werden.In a first aspect, a hybrid drive is provided for a motor vehicle. The hybrid drive includes an electric drive for driving the motor vehicle. The hybrid drive also includes a rechargeable battery, which can also be referred to as a traction battery and which is designed to supply the electric drive with electrical energy. The traction battery can in particular be designed as a high-voltage battery. The hybrid drive also has a power generation unit for generating electrical energy from fuel that can be carried in the motor vehicle. The power generation unit acts as a range extender and can be used for onboard charging of the traction battery. The rechargeable traction battery can also be connected to a charging station via a plug-in solution, ie wired via a separate charging port.
Die elektronische Steuerung ist dazu ausgebildet ein zur Verfügung gestelltes Höhenprofil einer zurückzulegenden Fahrstrecke des Kraftfahrzeugs in zumindest eine erste und in eine zweite Steigungsklasse zu unterteilen. Die erste Steigungsklasse gibt eine Häufigkeitsdichte eines ersten Steigungsbereichs der zurückzulegenden Fahrstrecke an. Die zweite Steigungsklasse gibt eine Häufigkeitsdichte eines zweiten Steigungsbereichs der zurückzulegenden Fahrstrecke an.The electronic control is designed to divide a provided height profile of a distance to be covered by the motor vehicle into at least a first and a second gradient class. The first gradient class indicates a frequency density of a first gradient range of the route to be covered. The second gradient class indicates a frequency density of a second gradient range of the route to be covered.
Die zurückzulegende Fahrstrecke kann insbesondere hinsichtlich mehrerer Steigungsklassen parametrisiert oder charakterisiert werden. Die erste Steigungsklasse kann beispielsweise die Information widerspiegeln das etwa noch 70 % der zurückzulegenden Fahrstrecke eine Steigung von weniger als 2,5 % aufweist. Die zweite Steigungsklasse kann beispielsweise widerspiegeln, dass zum Beispiel 20 % der zurückzulegenden Fahrstrecke eine Steigung im Bereich von 2,5 % bis 7,5 % aufweist. Eine weitere Steigungsklasse kann beispielsweise angeben, dass etwa 5 % der zurückzulegenden Fahrstrecke eine Steigung im Bereich von 7,5 bis 12,5 % aufweist.The route to be covered can be parameterized or characterized in particular with regard to several gradient classes. The first gradient class can, for example, reflect the information that approximately 70% of the route to be covered still has a gradient of less than 2.5%. The second gradient class can, for example, reflect that 20% of the route to be covered has a gradient in the range of 2.5% to 7.5%. Another gradient class can, for example, indicate that around 5% of the route to be covered has a gradient in the range of 7.5 to 12.5%.
Insoweit ist die elektronische Steuerung dazu ausgestaltet, das Höhenprofil der noch zurückzulegenden Fahrstrecke nach Art eines Histogramms anhand mehrerer Steigungsklassen zu charakterisieren. Auf Basis jenes Histogramms, d.h. auf Basis zumindest zweier Steigungsklassen kann alsdann für jede, d.h. zumindest für die erste und für die zweite Steigungsklasse ein elektrischer Energiebedarf und/oder ein elektrischen Leistungsbedarf für den Elektroantrieb berechnet werden. Eine derartige Berechnung kann auf Seiten der elektronischen Steuerung erfolgen.In this respect, the electronic control is designed to characterize the height profile of the distance to be covered in the manner of a histogram based on several gradient classes. On the basis of that histogram, i.e. based on at least two gradient classes, an electrical energy requirement and/or an electrical power requirement for the electric drive can then be calculated for each, i.e. at least for the first and for the second gradient class. Such a calculation can be carried out on the electronic control side.
Für jede der zumindest ersten und zweiten Steigungsklasse kann ferner eine Leistungslücke zu einer vorgegebenen Leistung des Stromerzeugungsaggregats prognostiziert oder berechnet werden. D.h. für jede Steigungsklasse kann etwa auch unter Verwendung des bekannten Gewichts und der Beladung des Kraftfahrzeugs sowie unter Zugrundelegung einer durchschnittlichen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs berechnet werden, wieviel Energie oder wieviel Leistung vom Elektroantrieb für die betreffende Steigungsklasse angefordert werden wird.For each of the at least first and second slope classes, a power gap to a predetermined power of the power generation unit can also be predicted or calculated. This means that for each gradient class, using the known weight and load of the motor vehicle and based on an average speed of the motor vehicle, it can be calculated how much energy or how much power will be required by the electric drive for the relevant gradient class.
Jene Leistung kann die elektrische Leistung des Stromerzeugungsaggregats unter Umständen übersteigen, sodass der Hybridantrieb zur Bewältigung der Steigungsklasse einen entsprechenden Energiepuffer, etwa mittels der Traktionsbatterie zuvor aufbauen muss. Die Leistungslücke oder Energielücke zwischen der vorgegebenen Leistung des Stromerzeugungsaggregats und dem Leistungsbedarf für jede Steigungsklasse ist ein Indiz für eine temporäre Unterversorgung des Elektroantriebs mit elektrischer Energie unmittelbar aus dem Stromerzeugungsaggregat.That power can under certain circumstances exceed the electrical power of the power generation unit, so that the hybrid drive must first build up a corresponding energy buffer, for example using the traction battery, to cope with the gradient class. The power gap or energy gap between the specified power of the power generation unit and the power requirement for each gradient class is an indication of a temporary undersupply of the electric drive with electrical energy directly from the power generation unit.
Auf Basis jener prognostizierten Leistungs- und/oder Energielücken kann die Steuerung dazu ausgestaltet sein, den momentanen Betrieb des Stromerzeugungsaggregats zu steuern oder zu regeln. Insbesondere ist die elektronische Steuerung dazu ausgestaltet den momentanen Betrieb des Stromerzeugungsaggregats prädiktiv, d.h. vorausschauend zu steuern oder zu regeln. Die Auswertung des Histogramms und die Unterteilung des etwa über ein Navigationsgerät bereitgestellten Höhenprofils in unterschiedliche Steigungsklassen ermöglicht eine effektive und vorausschauende Ansteuerung sowie einen dementsprechend effizienten Betrieb des Stromerzeugungsaggregats.Based on those predicted performance and/or energy gaps, the controller can be designed to control or regulate the current operation of the power generation unit. In particular, the electronic control is designed to control or regulate the current operation of the power generation unit predictively, i.e. in a forward-looking manner. The evaluation of the histogram and the division of the height profile, provided via a navigation device, into different gradient classes enables effective and predictive control and correspondingly efficient operation of the power generation unit.
Die Steuerung oder Regelung des Stromerzeugungsaggregats kann unmittelbar auf Basis der berechneten oder prognostizierten Leistungslücke erfolgen. Von Vorteil können jedoch noch weitere Zwischenschritte durchgeführt werden, anhand derer eine optimierte Ansteuerung oder Regelung des Stromerzeugungsaggregats erfolgen kann.The power generation unit can be controlled or regulated directly based on the calculated or predicted power gap. However, further intermediate steps can advantageously be carried out, by means of which an optimized control or regulation of the power generation unit can take place.
So ist beispielsweise nach einer Weiterbildung des Hybridantriebs die elektronische Steuerung ferner dazu ausgebildet, auf Basis der prognostizierten Leistungslücken für jede Steigungsklasse jeweils eine Energielücke zu berechnen und den momentanen Betrieb des Stromerzeugungsaggregats auf Basis der Energielücken sämtlicher oder einiger Leistungsklassen zu steuern oder zu regeln. So kann beispielsweise für jede Steigungsklasse in Kenntnis des Gewichts und beispielsweise der Zuladung des Kraftfahrzeugs präzise berechnet werden, welche Gesamtenergiemenge erforderlich sein wird, um das Fahrzeug entsprechend einer jeden Steigungsklasse zu bewegen.For example, after a further development of the hybrid drive, the electronic control is further designed to calculate an energy gap for each gradient class based on the predicted power gaps and to control or regulate the current operation of the power generation unit based on the energy gaps of all or some power classes. For example, for each gradient class, knowing the weight and, for example, the payload of the motor vehicle, it is possible to precisely calculate what total amount of energy will be required, to move the vehicle according to each gradient class.
Hierbei können natürlich auch negative Werte entstehen, dann nämlich, wenn das Fahrzeug beispielsweise bergab bewegt wird und eine entsprechende Rekuperation und Energierückgewinnung von kinetischer Energie in elektrische Energie erfolgt.Of course, negative values can also arise here, namely when the vehicle is moved downhill, for example, and corresponding recuperation and energy recovery from kinetic energy into electrical energy takes place.
Die Bestimmung oder Abschätzung der Energielücke und die Berechnung oder Prognose sämtliche Energielücken zu den einzelnen Steigungsklassen ermöglicht es insbesondere, einen steigungsklassenspezifischen Energiebedarf für die Fortbewegung des Kraftfahrzeugs zu ermitteln oder zu prognostizieren. Die prozentuale Verteilung der Leistungsklassen untereinander in Bezug auf die noch zurückzulegende Fahrstrecke kann hierbei ferner für die Berechnung oder Ermittlung der Gesamtenergiemenge, welche zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs erforderlich sein wird, herangezogen werden.The determination or estimation of the energy gap and the calculation or forecast of all energy gaps for the individual gradient classes make it possible, in particular, to determine or predict a gradient class-specific energy requirement for the movement of the motor vehicle. The percentage distribution of the performance classes among each other in relation to the distance still to be covered can also be used to calculate or determine the total amount of energy that will be required to move the motor vehicle.
Für die Berechnung einer Energielücke auf Basis einer jeden Steigungsklasse können ferner Histogrammdaten, bzw. Höhenprofildaten direkt aus dem Navigationsystem des Kraftfahrzeugs der elektronischen Steuerung zur Verfügung gestellt und dementsprechend in die elektronische Steuerung des Hybridantriebs eingespeist werden. Zur Berechnung der Energielücke können insbesondere die sich zeitlich verändernden Histogrammdaten hinsichtlich einer Aufteilung der noch zurückzulegenden Fahrstrecke in die einzelnen Steigungsklassen berücksichtigt werden.To calculate an energy gap based on each gradient class, histogram data or height profile data can also be made available to the electronic control directly from the navigation system of the motor vehicle and accordingly fed into the electronic control of the hybrid drive. To calculate the energy gap, the histogram data that changes over time can be taken into account in particular with regard to a division of the distance still to be covered into the individual gradient classes.
Ferner kann für die Berechnung der auf die Steigungsklassen bezogenen Energielücken die noch insgesamt zurückzulegende Fahrstrecke als auch eine prognostizierte Fahrzeit berücksichtigt werden. Auf diese Art und Weise und unter Verwendung der beispielsweise von einem Navigationsgerät oder Navigationssystem bereitgestellten Histogrammdaten hinsichtlich einzelner Steigungsklassen der noch zurückzulegenden Fahrstrecke kann eine besonders einfache und effiziente Datenverarbeitung erfolgen. Histogrammdaten über die einzelnen Steigungsklassen können in gebräuchlichen Navigationsgerät bereits vorliegen und können problemlos beispielsweise über einen Kommunikationsschnittstelle, etwa über einen fahrzeuginternen CAN-Bus der elektronischen Steuerung des Hybridantriebs zur Verfügung gestellt werden.Furthermore, the total distance to be traveled as well as a forecast travel time can be taken into account when calculating the energy gaps related to the gradient classes. In this way and using the histogram data provided, for example, by a navigation device or navigation system with regard to individual gradient classes of the route still to be covered, particularly simple and efficient data processing can take place. Histogram data about the individual gradient classes can already be available in common navigation devices and can easily be made available to the electronic control of the hybrid drive, for example via a communication interface, for example via a vehicle-internal CAN bus.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Hybridantriebs ist die elektronische Steuerung dazu ausgebildet, auf Basis der berechneten Energielücken für jede Steigungsklasse einen Soll-Ladezustand der Traktionsbatterie zu berechnen und das Stromerzeugungsaggregat zur Einhaltung oder zum Erreichen des Soll-Ladezustand der Traktionsbatterie zu steuern oder zu regeln. Auf diese Art und Weise kann ein besonders effizientes und datentechnisch besonders einfach zu implementierendes prädiktives, d.h. vorausschauendes Steuern oder Regeln des Stromerzeugungsaggregats erfolgen, sodass insbesondere eine bedarfsgerechte und vorausschauende Regelung des Stromerzeugungsaggregats bereitgestellt werden kann.According to a further embodiment of the hybrid drive, the electronic control is designed to calculate a target state of charge of the traction battery based on the calculated energy gaps for each gradient class and to control or regulate the power generation unit to maintain or achieve the target state of charge of the traction battery. In this way, a particularly efficient and data-technically easy to implement predictive, i.e. forward-looking control or regulation of the power generation unit can be carried out, so that in particular a needs-based and forward-looking control of the power generation unit can be provided.
Für jede der einzelnen Steigungsklassen ergeben sich unter Umständen unterschiedlichste Energielücken. Für die elektronische Steuerung ist mitunter nicht bekannt, wie sich die einzelnen Steigungsklassen auf die noch zurückzulegende Fahrstrecke verteilen. So können lediglich die prozentualen Anteile unterschiedlicher Steigungen oder Steigungsklassen der noch zurückzulegenden Fahrstrecke auf Seiten der elektronischen Steuerung bekannt sein.Different energy gaps may arise for each of the individual slope classes. The electronic control sometimes does not know how the individual gradient classes are distributed over the distance to be covered. So only the percentages of different gradients or gradient classes of the distance still to be covered can be known by the electronic control.
Die Ansteuerung und das Regeln des Stromerzeugungsaggregats kann nun auf vielerlei Art und Weise erfolgen. Beispielsweise ist denkbar, die maximale Energielücke sämtlicher Energielücken der einzelnen Steigungsklassen zur Ansteuerung und zum Regeln des Stromerzeugungsaggregats zu verwendenden. Auf diese Art und Weise würde sichergestellt werden, dass ein Soll-Ladezustand der Traktionsbatterie erhalten oder relativ zügig erreicht wird. Es ist aber auch denkbar und aus Energieeffizienzgründen durchaus sinnvoll einige oder sämtliche Energielücken sämtlicher Steigungsklassen für die Steuerung oder Regelung des Stromerzeugungsaggregats zu verwenden oder diese zumindest zu berücksichtigen.The power generation unit can now be controlled and regulated in many different ways. For example, it is conceivable to use the maximum energy gap of all energy gaps of the individual gradient classes to control and regulate the power generation unit. In this way it would be ensured that a target state of charge of the traction battery is maintained or reached relatively quickly. However, it is also conceivable and, for reasons of energy efficiency, quite sensible to use some or all of the energy gaps in all gradient classes for the control or regulation of the power generation unit or at least to take these into account.
Wenn nämlich beispielsweise anzunehmen ist, dass nur eine bestimmte Steigungsklasse, die in Bezug auf die noch zurückzulegende Fahrstrecke nur einen vergleichsweise geringen Anteil hat, eine unverhältnismäßig hohe Energielücke aufweist so ist klar, dass für einen Großteil der zurückzulegenden Fahrstrecke jene Energielücke faktisch nicht auftreten wird.If, for example, it can be assumed that only a certain gradient class, which only has a comparatively small proportion of the distance to be covered, has a disproportionately high energy gap, it is clear that this energy gap will in fact not occur for a large part of the distance to be covered.
Insoweit kann nach einer Weiterbildung des Hybridantriebs die elektronische Steuerung dazu ausgebildet sein, die Berechnung des Soll-Ladezustand der Traktionsbatterie auf Basis einer gewichteten Selektion einzelner oder mehrerer berechneter Energielücken der Steigungsklassen durchzuführen. Hierbei können statistische Auswertungen der einzelnen Steigungsklassen für eine energieeffiziente gewichtete Selektion oder auch für eine den Nutzervorgabe entsprechende gewichtete Selektion verwendet werden.In this respect, after a further development of the hybrid drive, the electronic control can be designed to carry out the calculation of the target state of charge of the traction battery on the basis of a weighted selection of individual or several calculated energy gaps in the slope classes. Statistical evaluations of the individual slope classes can be used for an energy-efficient weighted selection or for a weighted selection that corresponds to the user specifications.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die elektronische Steuerung eine Eingabeschnittstelle auf, über welche ein Nutzer einen Gewichtungsfaktor für die gewichtete Selektion einzelner oder mehrerer berechneter Energielücken der Steigungsklassen einstellen oder verändern kann. Wenn der Nutzer beispielsweise vorgibt, dass der Hybridantrieb zur Bereitstellung eines maximalen Fahrkomforts oder einer maximalen Fahrperformance agieren soll, so kann die Selektion einzelner oder mehrerer berechneter Energielücken der Steigungsklassen derart gewählt werden, dass vom Soll-Ladezustand der Traktionsbatterie möglichst gar nicht oder nur höchst geringfügig abgewichen wird und dass der Soll-Ladezustand der Traktionsbatterie recht zügig erreicht wird.According to a further embodiment, the electronic control has an input interface via which a user can set or change a weighting factor for the weighted selection of individual or several calculated energy gaps of the gradient classes. If, for example, the user specifies that the hybrid drive should act to provide maximum driving comfort or maximum driving performance, the selection of individual or several calculated energy gaps in the gradient classes can be chosen in such a way that the target state of charge of the traction battery does not depend at all or only very slightly is deviated from and that the target charge level of the traction battery is reached quite quickly.
Legt der Endanwender oder Nutzer aber beispielsweise Wert auf einen besonders energieeffizienten Betrieb des Hybridantriebs und wird ein dementsprechend geänderter Gewichtungsparameter gewählt oder eingestellt, so können gewisse Abweichungen vom Soll-Ladezustand der Traktionsbatterie zumindest über einen gewissen Zeitraum toleriert werden, sodass im Betrieb des Hybridantriebs die elektronische Steuerung danach ausgerichtet ist, den Ladezustand der Traktionsbatterie möglichst gering zu halten und das Stromerzeugungsaggregat möglichst in einem Leistungsbereich zu betreiben, in welchem das Stromerzeugungsaggregat ein hohes Maß an Effizienz oder die höchste Effizienz aufweist.However, if the end user or user, for example, values particularly energy-efficient operation of the hybrid drive and a correspondingly changed weighting parameter is selected or set, certain deviations from the target state of charge of the traction battery can be tolerated at least over a certain period of time, so that the electronic The control is aimed at keeping the state of charge of the traction battery as low as possible and, if possible, operating the power generation unit in a power range in which the power generation unit has a high level of efficiency or the highest efficiency.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Hybridantriebs ist die elektronische Steuerung dazu ausgestaltet das zur Verfügung gestellte Höhenprofil der zurückzulegenden Fahrstrecke in eine Anzahl weiterer Steigungsklassen zu unterteilen, welche jeweils eine Häufigkeitsdichte unterschiedlicher Steigungsbereiche der zurückzulegenden Fahrstrecke widerspiegeln. Das insoweit aus mehreren Steigungsklassen bestehende Histogramm des Höhenprofils kann etwa drei Steigungsklassen, vier Steigungsklassen, fünf Steigungsklassen, sechs Steigungsklassen oder weitaus mehr Steigungsklassen aufweisen. Die einzelnen Steigungswerte der Steigungsklassen sind hierbei nicht überlappend. Auch sind negative Steigungsklassen, d.h. Gefällestrecken entsprechend zu berücksichtigen und können als Steigungsklassen das Höhenprofil entsprechend wiedergeben.According to a further embodiment of the hybrid drive, the electronic control is designed to divide the height profile of the route to be covered into a number of further gradient classes, each of which reflects a frequency density of different gradient ranges of the route to be covered. The histogram of the height profile, which consists of several slope classes, can have approximately three slope classes, four slope classes, five slope classes, six slope classes or many more slope classes. The individual slope values of the slope classes do not overlap. Negative gradient classes, i.e. gradients, must also be taken into account accordingly and can be used as gradient classes to reflect the height profile accordingly.
Mit einer steigenden Anzahl an zu berücksichtigenden Steigungsklassen kann eine zunehmend präzisere Prognose des tatsächlichen Energieverbrauchs des Hybridantriebs erstellt und eine dementsprechend präzise vorausschauende Steuerung oder Regelung des Stromerzeugungsaggregats erfolgen.With an increasing number of slope classes to be taken into account, an increasingly precise forecast of the actual energy consumption of the hybrid drive can be created and a correspondingly precise, forward-looking control or regulation of the power generation unit can be carried out.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Hybridantriebs ist die elektronische Steuerung dazu ausgestaltet die einzelnen Schritte zur Steuerung oder Regelung des Stromerzeugungsaggregats stetig wiederkehrend durchzuführen. Insbesondere kann eine stetig wiederkehrende Berechnung der einzelnen Energielücken einer jeden Steigungsklasse während der Fahrt des Kraftfahrzeugs stetig aktualisiert werden. Jene Aktualisierung findet fortwährend im Betrieb des Kraftfahrzeugs und während der Fahrt des Kraftfahrzeugs statt. Insoweit ist das Histogramm der Energielücken der einzelnen Steigungsklassen keine statische sondern eine dynamisch variierende Größe, die letztlich als Eingangsgröße auf Seiten der elektronischen Steuerung zur selektiven, d.h. zur vorausschauenden Steuerung oder Regelung des Stromerzeugungsaggregats verwendet wird.According to a further embodiment of the hybrid drive, the electronic control is designed to carry out the individual steps for controlling or regulating the power generation unit on a continuously recurring basis. In particular, a constantly recurring calculation of the individual energy gaps in each gradient class can be constantly updated while the motor vehicle is traveling. That update takes place continuously during operation of the motor vehicle and while the motor vehicle is driving. In this respect, the histogram of the energy gaps of the individual slope classes is not a static but a dynamically varying quantity, which is ultimately used as an input variable on the electronic control side for selective, i.e. for predictive control or regulation of the power generation unit.
Nach einem weiteren Aspekt ist ferner ein Kraftfahrzeug vorgesehen, welches einen zuvor beschriebenen Hybridantrieb aufweist. Das Kraftfahrzeug kann als Personenkraftwagen, als Kleintransporter oder als Bus implementiert oder ausgestaltet sein.According to a further aspect, a motor vehicle is also provided which has a previously described hybrid drive. The motor vehicle can be implemented or designed as a passenger car, as a small van or as a bus.
Nach einem weiteren Aspekt ist schließlich ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Der Hybridantrieb weist einen Elektroantrieb zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, eine aufladbare Traktionsbatterie zur Versorgung des Elektroantriebs mit elektrischer Energie, ein Stromerzeugungsaggregat zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem im Kraftfahrzeug mitführbaren Brennstoff und eine elektronische Steuerung auf. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Unterteilens oder Aufteilens eines zur Verfügung gestellten Höhenprofils einer zurückzulegenden Fahrstrecke in zumindest eine erste und in eine zweite Steigungsklasse. Die erste Steigungsklasse spiegelt eine Häufigkeitsdichte eines ersten Steigungsbereichs der zurückzulegenden Fahrstrecke wider. Die zweite Steigungsklasse spiegelt eine Häufigkeitsdichte eines zweiten Steigungsbereichs der zurückzulegenden Fahrstrecke wider.Finally, according to a further aspect, a method for controlling a hybrid drive for a motor vehicle is provided. The hybrid drive has an electric drive for driving the motor vehicle, a rechargeable traction battery for supplying the electric drive with electrical energy, a power generation unit for generating electrical energy from a fuel that can be carried in the motor vehicle, and an electronic control. The method includes the steps of dividing or dividing a provided height profile of a route to be covered into at least a first and a second gradient class. The first gradient class reflects a frequency density of a first gradient range of the route to be covered. The second gradient class reflects a frequency density of a second gradient range of the route to be covered.
Das Verfahren umfasst ferner ein Berechnen eines elektrischen Energiebedarfs und/oder eines elektrischen Leistungsbedarfs für den Elektroantrieb für jede der zumindest ersten und zweiten Steigungsklassen. Schließlich wird eine Leistungslücke zu einer vorgegebenen Leistung des Stromerzeugungsaggregats für jede der zumindest ersten und zweiten Steigungsklasse prognostiziert. Die vorgegebene Leistung des Stromerzeugungsaggregats kann ein idealer Arbeitspunkt des Stromerzeugungsaggregats sein, bei welchem das Stromerzeugungsaggregat ein Höchstmaß an Energieeffizienz aufweist. Das Verfahren umfasst schließlich ein Steuern oder Regeln des momentanen Betriebs des Stromerzeugungsaggregats auf Basis der prognostizierten Leistungslücken.The method further includes calculating an electrical energy requirement and/or an electrical power requirement for the electric drive for each of the at least first and second gradient classes. Finally, a performance gap to a predetermined performance of the power generation unit is predicted for each of the at least first and second slope classes. The predetermined power of the power generation unit can be an ideal operating point of the power generation unit, at which the power generation unit has a maximum level of energy efficiency. The method ultimately includes controlling or regulating the current operation of the electricity generator performance aggregates based on the predicted performance gaps.
Das Verfahren ist insbesondere mittels des zuvor beschriebenen Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug durchführbar oder ausführbar. Insoweit gelten sämtliche zuvor im Hinblick auf den Hybridantrieb beschriebenen Vorteile, Merkmale und Effekte auch gleichermaßen für das Verfahren zur Steuerung des Hybridantriebs; und umgekehrt.The method can be carried out or carried out in particular by means of the previously described hybrid drive for a motor vehicle. In this respect, all of the advantages, features and effects described above with regard to the hybrid drive also apply equally to the method for controlling the hybrid drive; and vice versa.
Das Verfahren ist insbesondere mittels einer elektronischen Steuerung des Hybridantriebs durchführbar oder ausführbar. Die elektronische Steuerung kann insbesondere als Hybrid-Controller des Hybridantriebs implementiert sein. Die elektronische Steuerung kann insbesondere datentechnisch mit einem Navigationsgerät oder Navigationssystem des Kraftfahrzeugs gekoppelt sein. Über jene datentechnische Kopplung kann die elektronische Steuerung die für das prädiktive oder vorausschauende Steuern oder Regeln des Stromerzeugungsaggregats notwendigen Daten, insbesondere ein Höhenprofil einer zurückzulegenden Fahrstrecke und/oder direkt Histogrammdaten bezüglich einzelner Steigungsklassen der zurückzulegenden Fahrstrecke erhalten. So können insbesondere bereits aufseiten des Navigationssystems aufbereitete Daten, etwa Histogrammdaten oder auch die Steigungsklassen charakterisierende Daten unmittelbar vom Navigationssystem an die elektronische Steuerung übergeben werden. Es sind auch Ausführungsformen des Hybridantriebs und des Verfahrens denkbar, bei welchen die Unterteilung der zurückzulegenden Fahrstrecke in mehrere Steigungsklassen bereits aufseiten des Navigationssystems vorgenommen und dementsprechend bereitgestellt wird.The method can be carried out or carried out in particular by means of an electronic control of the hybrid drive. The electronic control can in particular be implemented as a hybrid controller of the hybrid drive. The electronic control can be coupled, in particular in terms of data technology, to a navigation device or navigation system of the motor vehicle. Via this data-technical coupling, the electronic control can receive the data necessary for the predictive or forward-looking control or regulation of the power generation unit, in particular a height profile of a route to be covered and/or directly histogram data relating to individual gradient classes of the route to be covered. In particular, data that has already been prepared by the navigation system, such as histogram data or data characterizing the gradient classes, can be transferred directly from the navigation system to the electronic control. Embodiments of the hybrid drive and the method are also conceivable in which the division of the route to be covered into several gradient classes is already carried out by the navigation system and provided accordingly.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung schließlich ein Computerprogramm umfassend computerlesbare Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine elektronische Steuerung eines zuvor beschriebenen Hybridantriebs diese dazu veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren zum Betrieb des Hybridantriebs durchzuführen. Insoweit gelten für das Computerprogramm sämtliche im Hinblick auf den zuvor beschriebenen Hybridantrieb und das zuvor beschriebene Verfahren erwähnten Merkmale, Vorteile und Effekte gleichermaßen auch für das Computerprogramm; und umgekehrt.According to a further aspect, the present disclosure finally relates to a computer program comprising computer-readable instructions which, when the program is executed by an electronic control of a previously described hybrid drive, cause the latter to carry out the previously described method for operating the hybrid drive. In this respect, all features, advantages and effects mentioned with regard to the previously described hybrid drive and the previously described method also apply to the computer program; and vice versa.
Der Hybridantrieb, das Verfahren als auch das Computerprogramm sind insbesondere dazu ausgestaltet bei einer aktiven Zielführung eines Navigationsgeräts auf Basis einer noch zurückzulegenden Fahrstrecke oder Reststrecke, etwa auch auf Basis eines erwarteten Geschwindigkeitsprofils und eines bereits bekannten Steigungsprofils der Fahrstrecke oder Route entsprechend den Navigationsdaten eine benötigte Fahrwiderstandsenergie zu ermitteln, die insbesondere für das Absolvieren von Fahrsituationen mit hohem Leistungsbedarf beispielsweise in der Traktionsbatterie gespeichert werden muss. Anhand der erwarteten Steigungsabschnitte auf der geplanten Strecke kann durch die Aufteilung des Höhenprofils in mehrere Steigungsklassen und die hierauf aufbauende datentechnische Auswertung ein elektrischer Leistungsbedarfs des Elektroantriebs prädiktiv erkannt werden, die ansonsten durch das Stromerzeugungsaggregat selbst bei Maximalleistung nicht gedeckt werden könnte.The hybrid drive, the method and the computer program are designed in particular to provide a required driving resistance energy for active route guidance of a navigation device based on a distance or remaining distance still to be covered, for example also on the basis of an expected speed profile and an already known gradient profile of the route or route in accordance with the navigation data to determine which must be stored in the traction battery, for example, in particular for completing driving situations with high power requirements. Based on the expected incline sections on the planned route, by dividing the elevation profile into several incline classes and the data analysis based on this, an electrical power requirement of the electric drive can be predictively identified, which otherwise could not be covered by the power generation unit even at maximum power.
Mit der hier vorgeschlagenen präventiven und vorausschauenden Steuerung und Regelung des Stromerzeugungsaggregats können mehrere Vorteile erreicht werden. So kann beispielsweise der Ladezustand des Traktionsbatterie insbesondere bei zurückzulegenden Strecken mit Gefälle oder bei nur geringem Fahrwiderstands-Leistungsbedarf deutlich weniger Energie als normalerweise vorgesehen in der Batterie gespeichert werden. Dies erhöht das Potenzial der Batterie zur Rekuperation. Die Batterie kann insbesondere bei langen Gefällestrecken deutlich mehr elektrische Energie als Pufferspeicher aufnehmen.With the preventive and predictive control and regulation of the power generation unit proposed here, several advantages can be achieved. For example, the charge level of the traction battery can be significantly less energy stored in the battery than is normally intended, particularly when the distances to be covered are downhill or when the driving resistance power requirement is low. This increases the battery's recuperation potential. The battery can absorb significantly more electrical energy as a buffer storage, especially on long downhill gradients.
Etwaige Umwandlungsverluste aufgrund einer unnötig großen Energiemenge, die in der Batterie geladen und gegebenenfalls wieder aus der Batterie entladen werden, können vermieden werden. Vergleichsweise hohe Batterieladezustände wirken sich grundsätzlich negativ auf die Lebensdauer von heutigen Lithium-Ionen Batterien aus. Durch die vorausschauende Steuerung oder Regelung des Stromerzeugungsaggregats kann der Ladezustand der Batterie auf ein zulässiges Minimum verlässlich gesenkt werden. Des Weiteren kann durch den vorausschauenden Betrieb des Stromerzeugungsaggregats das Stromerzeugungsaggregat rechtzeitig und über einen längeren Zeitraum unterhalb seiner Maximalleistung betrieben werden, was sich positiv auf die Lebensdauer des Stromerzeugungsaggregats, insbesondere auf die Lebensdauer einer Brennstoffzelle als Stromerzeugungsaggregat auswirken kann.Any conversion losses due to an unnecessarily large amount of energy being charged in the battery and possibly discharged from the battery again can be avoided. Comparatively high battery charge levels generally have a negative effect on the lifespan of today's lithium-ion batteries. By proactively controlling or regulating the power generation unit, the battery charge level can be reliably reduced to a permissible minimum. Furthermore, through the predictive operation of the power generation unit, the power generation unit can be operated below its maximum output in a timely manner and over a longer period of time, which can have a positive effect on the service life of the power generation unit, in particular on the lifespan of a fuel cell as a power generation unit.
Die elektronische Steuerung ist datentechnisch typischerweise mit einem Navigationssystem gekoppelt und wird in regelmäßigen Intervallen über eine geeignete Kommunikationsschnittstelle mit aktualisierten Daten zur noch zurückzulegenden oder vorrausliegenden Fahrstrecke versorgt. Die an die elektronische Steuerung seitens des Navigationssystems übertragenen Daten können eine verbleibende Reststrecke der Zielführung in Kilometern, eine relative Verteilung einzelner Geschwindigkeitsklassen auf der verbleibenden Reststrecke sowie eine relative Verteilung der Steigungsklassen auf der verbleibenden Reststrecke enthalten. Die Bezeichnung „Klasse“ bezeichnet dabei statistische Klassen im Sinne einer histogramm-basierten Verteilungsdarstellung. Zu jedem Rechenzeitpunkt kann das Navigationssystem die verbleibende Reststrecke ausgeben sowie die jeweiligen erwarteten relativen Anteile der Histogramm Klassen bis zum Ende der Zielführung. Die jeweiligen Anteile der Histogramm Klassen sind aufgrund des im Navigationssystem hinterlegten Kartenmaterials, bzw. aufgrund von Informationen über Geländedaten und Geschwindigkeitsbeschränkungen oder aktuellen Verkehrsinformationen bekannt und können mittels des Navigationssystems berechnet werden.In terms of data technology, the electronic control is typically linked to a navigation system and is supplied at regular intervals via a suitable communication interface with updated data on the distance to be covered or the distance ahead. The data transmitted to the electronic control by the navigation system can show a remaining route route in kilometers, a relative distribution of individual speed classes on the remaining route and a relative distribution of the gradient classes the remaining distance included. The term “class” refers to statistical classes in the sense of a histogram-based distribution representation. At each calculation time, the navigation system can output the remaining distance as well as the expected relative proportions of the histogram classes until the end of route guidance. The respective proportions of the histogram classes are known based on the map material stored in the navigation system, or based on information about terrain data and speed restrictions or current traffic information, and can be calculated using the navigation system.
Für die Berechnung einzelner Steigungsbereiche in einer jeden Steigungsklasse kann eine auf das Kraftfahrzeug einwirkende und zur Bewegung des Kraftfahrzeugs notwendige Steigungskraft der jeweiligen Klasse berechnet werden. Hierbei kann die Fahrzeugmasse zunächst geschätzt oder gemessen oder mittels eines Algorithmus abgeschätzt werden. Auf Basis der geltenden Erdbeschleunigung, der Fahrzeugmasse und eines Referenz-Schrägungswinkel der jeweiligen Klasse, welche auch kalibrierbar sein kann, kann eine solche Steigungskraft für jede Klasse berechnet oder abgeschätzt werden.For the calculation of individual gradient ranges in each gradient class, a gradient force of the respective class acting on the motor vehicle and necessary for moving the motor vehicle can be calculated. The vehicle mass can first be estimated or measured or estimated using an algorithm. Based on the applicable gravitational acceleration, the vehicle mass and a reference helix angle of the respective class, which can also be calibrated, such a gradient force can be calculated or estimated for each class.
Die Berechnung der Steigungsleistung beruht alsdann auf der Steigungskraft der jeweiligen Steigungsklasse und kann ferner den Wirkungsgrad des elektrischen Antriebssystems einbeziehen, welcher zum Beispiel auf Basis von Kennfeldern kalibrierbar oder schätzbar ist.The calculation of the gradient performance is then based on the gradient force of the respective gradient class and can also include the efficiency of the electric drive system, which can be calibrated or estimated, for example, on the basis of characteristic maps.
Schließlich kann für jede Steigungsklasse eine erwartete Durchschnittsgeschwindigkeit auf Basis einer Referenzgeschwindigkeit der jeweiligen Klasse oder auf Basis einer aktuell erwarteten Verteilung von Geschwindigkeitsklassen berechnet oder prognostiziert werden. Angaben über Geschwindigkeitsdaten, d.h. über eine statistische Verteilung der zu erwartenden Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs über die noch zurückzulegende Fahrstrecke können gleichermaßen aus dem Navigationssystem ausgelesen und seitens des Navigationssystems zur Verfügung gestellt werden.Finally, an expected average speed can be calculated or predicted for each gradient class based on a reference speed of the respective class or based on a currently expected distribution of speed classes. Information about speed data, i.e. about a statistical distribution of the expected speeds of the motor vehicle over the distance to be covered, can also be read out from the navigation system and made available by the navigation system.
Die Leistungslücken für sämtliche Steigungsklassen können auf Basis einer Differenz oder einer Leistungslücke zwischen den Steigungsleistungen für jede Steigungsklasse und einer Referenz-Leistung des Stromerzeugungsaggregats berechnet werden. Die Referenzleistung des Stromerzeugungsaggregats kann beispielsweise den Leistungspunkte des Stromerzeugungsaggregats, etwa einer Brennstoffzelle bezeichnen, bei denen der höchste Wirkungsgrad anliegt.The power gaps for all slope classes can be calculated based on a difference or a power gap between the slope powers for each slope class and a reference power of the power generation unit. The reference power of the power generation unit can, for example, indicate the power points of the power generation unit, such as a fuel cell, at which the highest efficiency is present.
Für jede Steigungsklasse kann auf Basis der Leistungslücken ein Energiebedarf für jede Steigungsklasse berechnet werden. Hierbei kann die für das Zurücklegen auf dem jeweiligen Steigungsabschnitt benötigte Zeit auf Basis der noch zu fahrenden Reststrecke und auf Basis der aktuell erwarteten Verteilung der Steigungsklassen sowie auf Basis der berechneten Durchschnittsgeschwindigkeit der Reststrecke bestimmt oder prognostiziert werden.For each gradient class, an energy requirement can be calculated for each gradient class based on the performance gaps. Here, the time required to cover the respective incline section can be determined or predicted based on the remaining distance to be traveled and on the basis of the currently expected distribution of the incline classes as well as on the basis of the calculated average speed of the remaining distance.
Ein Soll-Ladezustand der Traktionsbatterie ergibt sich typischerweise aus dem Energiebedarf, bzw. der Energielücke und der theoretischen Referenzkapazität der Traktionsbatterie bei einer vollständigen Aufladung. Jene Energielücke kann aber auch unter Berücksichtigung von Signalen einer Batterie Management Software erfolgen, wobei als Referenzkapazität der Batterie auch Batteriealterungsprozesse berücksichtigt werden, sodass zur Berechnung oder Bestimmung der Referenzkapazität nicht die ursprüngliche Ladekapazität sondern eine um Alterungsprozess bereinigte effektive Referenzkapazität verwendet werden kann.A target state of charge of the traction battery typically results from the energy requirement or the energy gap and the theoretical reference capacity of the traction battery when fully charged. However, that energy gap can also take into account signals from a battery management software, whereby battery aging processes are also taken into account as the reference capacity of the battery, so that not the original charging capacity but an effective reference capacity adjusted for the aging process can be used to calculate or determine the reference capacity.
Aufgrund des gewählten und mittels der elektronischen Steuerung durchführbaren histogrammbasierten Berechnung ist zwar der relative Anteil der jeweiligen Steigungsklassen vorhersagbar, nicht jedoch die zeitliche Abfolge der zu erwartenden Steigungen. Insoweit besteht eine gewisse Unsicherheit hinsichtlich einer Energiepufferung in der Traktionsbatterie. Dies kann prinzipiell dazu führen, dass entweder zu wenig oder zu viel elektrische Energie in der Traktionsbatterie gespeichert wird, da der Energiebedarf über die Zeit entweder unter-oder überschätzt wurde.Due to the histogram-based calculation that is selected and can be carried out using the electronic control, the relative proportion of the respective gradient classes can be predicted, but not the chronological sequence of the expected gradients. In this respect, there is a certain uncertainty regarding energy buffering in the traction battery. In principle, this can lead to either too little or too much electrical energy being stored in the traction battery because the energy requirement has either been underestimated or overestimated over time.
Hier ermöglicht die gewichtete Selektion einzelner oder mehrerer berechneter Energielücken der Steigungsklassen etwa unter Berücksichtigung eines vom Nutzer vorgegebenen oder einstellbaren Gewichtungsfaktors eine Einstellmöglichkeit zwischen maximaler Leistungsfähigkeit und effizientem Betrieb des Stromerzeugungsaggregats. Da die elektronische Steuerung die Steigungsklassen und deren Verteilung auf die noch zurückzulegenden Reststrecke permanent und stetig aktualisiert ergibt sich eine stetige Aktualisierung der Steuerung und Regelung des Stromerzeugungsaggregats.Here, the weighted selection of individual or several calculated energy gaps of the gradient classes, taking into account a weighting factor specified or adjustable by the user, enables an adjustment option between maximum performance and efficient operation of the power generation unit. Since the electronic control permanently and continuously updates the gradient classes and their distribution over the remaining distance to be covered, the control and regulation of the power generation unit is constantly updated.
Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Entwicklung werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs, -
2 ein Blockdiagramm des Hybridantriebs, -
3 ein Diagramm, welches ein Höhenprofil einer Fahrstrecke zusammen mit Zustandsparametern des Kraftfahrzeugs nach dem Stand der Technik wiedergibt, -
4 eine Darstellung unterschiedlicher Steigungsklassen und ihre zeitliche Entwicklung -
5 eine Aufteilung der zu absolvierenden Fahrstrecke in unterschiedlichen Steigungsklassen zum Zeitpunkt t3, -
6 ein Diagramm, welches diverse Zustandsparameter des Kraftfahrzeugs bei Nutzung des vorliegenden Hybridantriebs zeigt, und -
7 ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Betrieb des Hybridantriebs.
-
1 a schematic representation of a motor vehicle, -
2 a block diagram of the hybrid drive, -
3 a diagram which shows a height profile of a route together with state parameters of the motor vehicle according to the prior art, -
4 a representation of different slope classes and their development over time -
5 a division of the route to be completed into different gradient classes at time t3, -
6 a diagram showing various condition parameters of the motor vehicle when using the present hybrid drive, and -
7 a flowchart of the method for operating the hybrid drive.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
In
Im Blockschaltbild der
Bei weiteren Ausführungsformen ist denkbar, dass das Stromerzeugungsaggregat 16 die zu erzeugende elektrische Energie einem elektrischen Bussystem zur Verfügung stellt. Hierbei kann die vom Stromerzeugungsaggregat 16 erzeugte elektrische Energie auch direkt dem Elektroantrieb 12 ohne Zwischenspeicherung in der Traktionsbatterie 14 zur Verfügung gestellt werden kann. So kann lediglich der vom Stromerzeugungsaggregat 16 und vom Elektroantrieb 12 nicht genutzte Überschuss an elektrischer Energie in die Traktionsbatterie 14 eingespeist wird.In further embodiments, it is conceivable that the
Die seitens des Stromerzeugungsaggregats 16 erzeugbare elektrische Energie wird über einen Konverter 24 dem Energiespeicher, respektive der Traktionsbatterie 14 zugeführt. Über den Konverter 24 kann ein Bordnetz 22, etwa ein 12 V- Bordnetz des Kraftfahrzeugs 1 mit elektrischer Leistung, so etwa von der Batterie 14, versorgt werden. Der Energiespeicher, d.h. die Traktionsbatterie 14, kann ferner mithilfe einer externen Lade- oder Tankstelle über ein Bordladegerät 28 aufgeladen werden. Das Bordladegerät 28 weist einen Ladeanschluss 29 auf, der mit einem komplementär ausgestalteten Ladeanschluss einer Ladestation zum Laden des Energiespeichers 14 elektrisch gekoppelt werden kann.The electrical energy that can be generated by the
Mittels des Traktionsbatterie 14 kann ferner eine Heizung 30 und/oder eine Klimaanlage 32 des Kraftfahrzeugs 1 betrieben werden. Der Energiespeicher kann insbesondere als elektrischer Energiespeicher, beispielsweise als Traktionsbatterie 14 und/oder als Superkondensator ausgestaltet sein.Using the
Der Hybridantrieb 10 kann in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden. Der Hybridantrieb 10 kann insbesondere unter Verwendung von seitens der Traktionsbatterie 14 bereitgestellten elektrischen Energie den Elektroantrieb 12 antreiben, demzufolge das Fahrzeug 1 relativ zum Untergrund 34, etwa auf einer Straße entlang einer vorgegebenen Strecke bewegt werden kann. In einem solchen Traktionsmodus, der durch den Pfeil 36 dargestellt ist, kann elektrische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt werden. In einem Rekuperationsmodus, angedeutet durch den Pfeil 38, kann Bewegungsenergie des Kraftfahrzeugs wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. Fährt das Kraftfahrzeug 1 beispielsweise auf einer abschüssigen Strecke, so kann der Elektroantrieb 12 in einen Generatormodus umgeschaltet werden. Der Elektroantrieb 12 fungiert hierbei als elektromechanische Bremse und kann die Bewegungsenergie oder potentielle Energie des Kraftfahrzeugs 1 in elektrische Energie umwandeln, die ihrerseits wieder in der Energiespeicher 14 eingespeist werden kann.The
Im Diagramm der
Zu einem Zeitpunkt t3 befindet sich das Fahrzeug am Fuße einer weiteren Steigung s2, deren Plateau zum Zeitpunkt t4 erreicht wird. Korrespondierend zu dem Höhenprofil 60 und unter der Annahme, dass das Kraftfahrzeug 1 jenes Höhenprofil 60 zu den angegebenen Zeiten abfährt spiegelt das obere Diagramm der
Mit dem Graphen 61 ist eine konstante Zielgeschwindigkeit angezeigt. Der Graph 62 spiegelt die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit wider. Der Graph 63 spiegelt die elektrisch erzeugbare Leistung des Stromerzeugungsaggregats, d.h. die Stromerzeugungsleistung 63 wider und der Graph 64 zeigt den momentanen Ladezustand der Traktionsbatterie 14 an.
Zu Beginn der Fahrt, d.h. vor dem Zeitpunkt t1 ist das Stromerzeugungsaggregat 16 ausgeschaltet. Der Elektroantrieb 12 bezieht seine Energie ausschließlich aus der Traktionsbatterie 14. Demzufolge nimmt der Ladezustand kontinuierlich ab. Zum Zeitpunkt t1 erreicht der Ladezustand einen oberen Schwellwert N1, demzufolge eine herkömmliche und nach dem Stand der Technik bislang vorgesehene Steuerung eines Hybridantriebs damit beginnt, das Stromerzeugungsaggregat 16 zu aktivieren. Zu Beginn der Aktivierung wird das Stromerzeugungsaggregat 16 bei vergleichsweise geringer Leistung betrieben, da insbesondere der Ladezustand der Traktionsbatterie 14 noch vergleichsweise hoch ist. Fällt jedoch jener initiale Betrieb des Stromerzeugungsaggregats 16 mit dem Erklimmen oder Befahren der ersten Steigung s1 zusammen, so kann dies relativ zügig zu einem Entladen der Traktionsbatterie 14 führen. Zum Zeitpunkt t22 kann der Ladezustand 64 der Traktionsbatterie 14 bereits einen unteren kritischen Schwellwert N2 erreichen.At the start of the journey, i.e. before time t1, the
Nach dem Zeitpunkt t2 fährt das Fahrzeug eine Gefällstrecke herab, wobei auch die Leistung des Stromerzeugungsaggregats 16 geringfügig gedrosselt werden kann, da hier durch Rekuperation Energie in die Traktionsbatterie 14 eingespeist wird. Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 wird das Fahrzeug 1 bei vergleichsweise geringer Steigung bewegt. Der Energieverbrauch ist entsprechend moderat. Er kann im Wesentlichen durch den Betrieb des Stromerzeugungsaggregats 16 gedeckt werden. Eine Entladung der Traktionsbatterie 14 findet nur in einem recht geringen Maße darf. Der Ladezustand der Traktionsbatterie 14 ist jedoch dauerhaft nahe dem unteren zulässigen Schwellwert N2.After time t2, the vehicle travels down a slope, whereby the power of the
Befährt das Kraftfahrzeugs zum Zeitpunkt t3 eine weitere Steigung s2 führt dies bei einer herkömmlichen Regelung dazu, dass zwar das Stromerzeugungsaggregat 16 zum Zeitpunkt t3 bei Maximalleistung betrieben wird. Diese Leistung reicht jedoch nicht aus, um den Elektroantrieb 12 mit der vom Nutzer geforderten Leistung zu betreiben. Infolgedessen müssen zum Schutz der Batterie14 gegen eine unzulässige Entladung der Stromverbrauch des Elektroantriebs 12 und gegebenenfalls der Stromverbrauch weiterer Verbraucher des Kraftfahrzeugs 1 gedrosselt werden, was eine Einbuße, d.h. Reduzierung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs zum Zeitpunkt t3 zur Folge hat.If the motor vehicle travels a further incline s2 at time t3, with a conventional control this results in the
Um dies zu vermeiden und um dem Nutzer des Kraftfahrzeugs einen bestmöglichen Fahrkomfort zu gewährleisten sieht hier vorgeschlagene Hybridantrieb 10 vor, die zurückzulegende Fahrstrecke in mehrere Steigungsklassen 70, 71, 72, 73, 74 zu unterteilen. Die zurückzulegende Fahrstrecke wird folglich in unterschiedliche Steigungsklassen unterteilt, wie sie etwa in
Demnach wird in dem hier gezeigten Beispiel und in einer Momentaufnahme zu einem Zeitpunkt t3 eine Unterteilung der zurückzulegenden Fahrstrecke in eine erste Steigungsklasse 70, eine zweite Steigungsklasse 71, eine dritte Steigungsklasse 72, eine vierte Steigungsklasse 73 und in eine fünfte Steigungsklasse 74 vorgenommen. Die erste Steigungsklasse gibt prozentual an, wieviel Prozent der noch zurückzulegenden Fahrstrecke weniger als 2,5 % Steigung aufweist. Die zweite Steigungsklasse ein 71 gibt den prozentualen Anteil der noch zurückzulegenden Fahrstrecke an, welcher eine Steigung zwischen 2,5 und 7,5 % aufweist. Die dritte Steigungsklasse 72 gibt einen prozentualen Anteil der verbleibenden Fahrstrecke im Bereich zwischen 7,5 % und 12,5 % Steigung an. Die vierte Steigungsklasse 73 charakterisiert einen Steigungsbereich zwischen 12,5 % und 17,5 % und die fünfte Steigungsklasse 74 charakterisiert den Anteil der noch zurückzulegenden Fahrstrecke, welcher eine Steigung von mehr als 17,5 % aufweist.Accordingly, in the example shown here and in a snapshot at a time t3, the distance to be covered is divided into a
Die prozentuale Verteilung der einzelnen Steigungsklassen ist in der Kontinuumsdarstellung gemäß
Eine prädiktive Steuerung oder Regelung des Stromerzeugungsaggregats 16 erfolgt mittels des zuvor bereits beschriebenen Verfahrens, welches anhand der einzelnen Verfahrensschritte 100 bis 110 gemäß dem Flussdiagramm nach
In einem ersten Schritt 100 werden beispielsweise unter Verwendung von Daten aus dem Navigationssystem 52 für jede Steigungsklasse ein elektrischen Energiebedarf und/oder einen elektrischen Leistungsbedarf ermittelt. Hierbei können für jede Steigungsklasse beispielsweise eine zu erwartende Durchschnittsgeschwindigkeit berücksichtigt werden. Auf Basis jener Berechnungen in Schritt 100 kann in einem nachfolgenden Schritt 102 eine Leistungslücke für jede Steigungsklasse berechnet werden. Jene Leistungslücke kann insbesondere im Hinblick auf eine vorgegebene Stromerzeugungsleistung des Stromerzeugungsaggregats berechnet werden. Als Referenzgröße für die Leistung des Stromerzeugungsaggregats kann insbesondere der effizienteste Arbeitspunkt des Stromerzeugungsaggregats 16 zugrunde gelegt werden.In a
Im nachfolgenden Schritt 104 kann auf Basis der noch verbleibenden Distanz und auf Basis der prognostizierten Leistungslücken der Steigungsklassen eine jeweilige Energielücke für jede Steigungsklasse berechnet werden. Im nachfolgenden Schritt 106 kann auf Basis der Energielücken für jede der Leistungsklassen eine Energielücke für jede Leistungsklasse zum Soll-Ladezustand der Traktionsbatterie berechnet werden. Hierbei kann insbesondere der sogenannte State of Health (SoH) der Traktionsbatterie 14 berücksichtigt werden. D.h. Alterungserscheinungen der Kraftfahrzeugbatterie 14 und deren negative Auswirkungen auf den maximalen Ladezustand können bei der Berechnung der Energielücke Berücksichtigung finden.In the
Im nachfolgenden Schritt 108 kann typischerweise auf Basis einer gewichteten Selektion einzelner oder mehrerer berechneter Energielücken einzelner Steigungsklassen der Energiebedarf vorausschauend bestimmt werden, welcher im nachfolgenden Schritt 110 zum Steuern oder Regeln des Stromerzeugungsaggregats 16 verwendet wird.In the
Im Schritt 108 können insbesondere ein oder mehrere Gewichtungsfaktoren Berücksichtigung finden, welche über eine Eingabeschnittstelle 51 vom Nutzer ausgewählt oder modifiziert werden können. Auf diese Art und Weise kann der Nutzer Einfluss auf die Steuerung des Hybridantriebs nehmen. Der Nutzer kann beispielsweise vorgeben, dass das System beispielsweise einen maximalen Fahrkomfort zur Verfügung stellen und daher eher zur Pufferung von Energie in der Traktionsbatterie 14 oder aber möglichst energieeffizient betrieben werden soll, wobei der Ladezustand der Traktionsbatterie eher oder näher an einem unteren zulässigen Niveau gehalten wird.In
Ein Fahrzeug Zustandsdiagramm vergleichbar dem Diagramm der
Durch die Auswertung der einzelnen Steigungsklassen 70, 71, 72, 73, 74 und der Leistung sowie Energielücken der einzelnen Steigungsklassen und durch die gewichtete Selektion einzelner Energielücken oder Leistungslücken zur Steuerung oder Regelung des Stromerzeugungsaggregats werden kritische Betriebszustände des Gesamtsystems weitgehend vermieden und das Kraftfahrzeug kann über die gesamte Fahrstrecke mit der vorgesehenen Zielgeschwindigkeit 61 bewegt werden. Zu einem Zeitpunkt t1 und bevor der Ladezustand den oberen Schwellwert N1 erreicht wird hier das Stromerzeugungsaggregat 16 bereits bei einer Maximalleistung bis zum Zeitpunkt t2, welcher mit dem Ende der Steigung s1 korreliert, betrieben.By evaluating the
Hiernach kann die Leistung des Stromerzeugungsaggregats 16 vergleichsweise stark gedrosselt werden, da das System erkennt, dass in der unmittelbaren Zeit nach dem Zeitpunkt t2 eine Gefällstrecke folgt, bei welcher Energie durch Rekuperation zurückgewonnen werden kann. Das System weiß aufgrund der vorrausschauenden Auswertung der einzelnen Steigungsklassen, dass eine nennenswerte Energieleistung zum Befahren der Steigung s2 bereitgestellt werden muss. Von daher wird im Zeitraum t2' bis zum Zeitpunkt t3, zu welchem das Fahrzeug 1 eine zweite Steigung s2 erreicht, das Stromerzeugungsaggregat 16 nahe seiner maximalen Leistung betrieben. Im Vergleich zur Situation gemäß der
Zum Zeitpunkt t4 und mit Erreichen eines Höhenplateaus und nachdem das Kraftfahrzeug einen Großteil der zu bewältigenden Höhenmeter des Höhenprofils bereits befahren ist es systemweit bekannt, dass zukünftig nur noch vergleichsweise geringe elektrische Energie zum Befahren weiterer Steigungen bereitgestellt werden muss. Von daher kann zum Zeitpunkt t4 die Leistung des Stromerzeugungsaggregats 16 merklich gedrosselt werden.At time t4 and when an altitude plateau has been reached and after the motor vehicle has already traveled over a large part of the altitude profile that has to be overcome, it is known throughout the system that in the future only comparatively low electrical energy will have to be provided for driving on further inclines. Therefore, at time t4, the output of the
Insgesamt kann durch das vorausschauende und prädiktive Steuern oder Regeln des Stromerzeugungsaggregats 16 das Fahrzeug weitaus energieeffizienter betrieben werden. Phasen in denen das Stromerzeugungsaggregat 16 unterhalb seiner maximalen Leistungsgrenze betrieben wird, können verlängert und das Stromerzeugungsaggregat 16 kann bestmöglich und äußerst effizient eingesetzt werden.Overall, the vehicle can be operated in a much more energy-efficient manner through the forward-looking and predictive control or regulation of the
Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltungen der Entwicklung, zu welcher im Rahmen der Entwicklung weitere zahlreiche Varianten denkbar sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Entwicklung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine oder einige mögliche Implementierung(en) eines Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Ansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Äquivalente zu verlassen.The embodiments shown merely show possible configurations of the development, for which numerous other variants are conceivable within the scope of development. The exemplary embodiments shown are in no way to be interpreted as limiting the scope, applicability or configuration options of the development. The present description merely shows the person skilled in the art one or a few possible implementation(s) of an exemplary embodiment. A wide variety of modifications can be made to the function and arrangement of the elements described without departing from the scope of protection defined by the following claims or its equivalents.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 22
- KraftfahrzeugkarosserieMotor vehicle body
- 33
- Innenrauminner space
- 1010
- HybridantriebHybrid drive
- 1111
- Verbraucherconsumer
- 1212
- ElektroantriebElectric drive
- 1414
- TraktionsbatterieTraction battery
- 1616
- StromerzeugungsaggregatElectricity generating unit
- 1717
- BrennstoffzelleFuel cell
- 1818
- Tanktank
- 2222
- BordnetzOn-board electrical system
- 2424
- Konverterconverter
- 2626
- Fahrwerklanding gear
- 2828
- BordladegerätOnboard charger
- 2929
- LadeanschlussCharging port
- 3030
- HeizungHeating
- 3232
- Klimaanlageair conditioner
- 3434
- Untergrundunderground
- 3636
- TraktionTraction
- 3838
- RekuperationRecuperation
- 5050
- elektronische Steuerungelectronic control
- 5151
- KommunikationsschnittstelleCommunication interface
- 5252
- Navigationssystemnavigation system
- 6060
- HöhenprofilElevation profile
- 6161
- ZielgeschwindigkeitTarget speed
- 6262
- Ist-GeschwindigkeitIs speed
- 6363
- StromerzeugungsleistungElectricity generation capacity
- 6464
- Ladezustandcharging status
- 7070
- SteigungsklasseGradient class
- 7171
- SteigungsklasseGradient class
- 7272
- SteigungsklasseGradient class
- 7373
- SteigungsklasseGradient class
- 7474
- SteigungsklasseGradient class
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 20210046918 A1 [0004]US 20210046918 A1 [0004]
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Citations (4)
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