DE19749548A1

DE19749548A1 - Betrieb eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE19749548A1
Application number: DE19749548A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1996-11-20
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2017-11-11
Also published as: DE19749548B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Reduzierung der Stickoxidemissionen bei Verbrennungskraftmaschinen werden verschiedene Wege beschrieben. Das bekannteste Verfahren ist hierbei die katalytische Abgasreinigung, bei der die Stickoxide insbesondere mit Kohlenwasserstoffen oder Kohlenmonoxid reduziert werden. Weitere Maßnahmen erfolgen verbrennungsseitig, d. h. durch Abgasrückführung oder besondere Brennraumgestaltungen bis hin zur Zahl der Ventile. Desweiteren können die Stickoxid-Rohemissionen gesenkt werden, wenn die Brennkraftmaschine in günstigeren Betriebspunkten betrieben wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 196 39 826 A bekannt, gemäß der der Stromgenerator, der ein leistungsintensives Nebenaggregat der Verbrennungskraftmaschine ist, bei ungünstigen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine entregt wird. Die notwendige Versorgung der elektrischen Verbraucher erfolgt dabei über den Akkumulator. Dieses bekannte Verfahren kann zu einer hohen Zahl an Lade-/Entladezyklen an dem Akkumulator führen, wodurch dieser unter Umständen schneller altern kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine derart zu betreiben, daß bei ungünstigen Betriebszuständen die in Nebenaggregaten verbrauchte Leistung gemindert ist, wobei eine zu hohe Zahl an Lade-/Entladezyklen an dem Bordakkumulator jedoch vermieden sein soll.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren gelöst mit den Maßnahmen der Ansprüche 1 und/oder 4.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Formen des Verfahrens.

Die Erfindung beruht auf der teilweisen Nutzung der Bremsenergie eines Kraftfahrzeuges. Rund ein Drittel der zum Fahrzeugvortrieb benötigten Energie wird - bezogen auf den MVEG-Zyklus - bei einem Mittelklassefahrzeug über die Radbremsen in Form von Wärme vernichtet. Eine Bremsenergierückgewinnung mit dem Ziel der Unterstützung des Fahrzeugvortriebs wird jedoch nicht allein wegen der Speicherplatz- und Regelprobleme als kritisch beurteilt. Die hohen theoretisch erzielbaren Verbrauchsminderungen werden durch das zweifache Durchlaufen der Umwandler- und Speicherkette deutlich gemindert, hinzu kommen hohe Kosten für die Systeme, Gewichtszunahme und Raumbedarf für den Einbau der zusätzlichen Komponenten solcher Speichersysteme.

Technisch günstiger als die Unterstützung des Fahrzeugvortriebs ist eine Weiternutzung der Bremsenergie zur Unterstützung von Subsystemen mit schlechterem Wirkungsgrad als dem des Fahrzeugvortriebs. Eine solche Unterstützung von Nebenaggregatantrieben ist aus der eingangs erwähnten DE 196 39 826 bekannt. Da der Stromgenerator am Kraftfahrzeug eines der leistungsintensivsten Hilfsaggregate darstellt und überdies bereits mit einem Akkumulator als Energiespeicher gekoppelt ist, ist eine Bremsenergierückgewinnung zur Unterstützung des elektrischen Bordnetzes möglich. Andere Speichermedien sind weniger geeignet, da der Bedarf an pneumatischer und/oder hydraulischer Energie in einem Kraftfahrzeug meist deutlich kleiner ist als der elektrische Energiebedarf; überdies sind entsprechende Energiespeicher einem Akkumulator bezüglich der Speicherdichte unterlegen.

Auch von B. Voß, VDI Fortschrittsberichte, Reihe 12, Nr. 159, 1991 wird bereits ein bevorzugter Generatorbetrieb in den Schubphasen und eine möglichst weitgehende Abschaltung des Generatorbetriebs in den übrigen Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Durch die begrenzte Ladeleistung der üblicherweise im Kraftfahrzeug verwendeten Bleiakkumulatoren von günstigenfalls 500 W auch bei größeren Ausführungen (130 Ah) und praxisüblichen Ladezuständen von meist ≧80% ist jedoch nur eine vergleichsweise geringe Nutzung der Bremsenergie möglich. Überdies wird die Lebensdauer des Bleiakkumulators durch hochstromige zyklische Beladung und Entladung stark eingeschränkt. Erfindungsgemäß wird deshalb neben dem üblichen Akkumulator, meist einem Bleiakkumulator, ein weiterer elektrischer Energiespeicher vorgesehen, der speziell der wiederholten Einspeicherung von elektrischer Energie und Unterstützung des Generators während des Betriebs des Kraftfahrzeuges dient, wobei die Unterstützung des Generators von einem geringen Wert bis zur vollständigen Abschaltung des Generators (elektrische Substitution) erfolgen kann. Der so genutzte elektrische Energiespeicher ist vorteilhaft ein Kondensator, der insbesondere derart bemessen ist, daß er zumindest eines der folgenden Kriterien erfüllt:

- der Kondensator substituiert mindestens 2%, insbesondere mindestens 10%, der Generatorleistung für insgesamt mindestens 2 s während seines Entladezyklus;
- der Kondensator (oder auch ein anderer elektrischer Speicher) hat eine Lade-/Entladeleistung von mindestens 0,5 kW und insbesondere von mindestens 1 kW;
- der Kondensator (oder anderer elektrischer Speicher) hat eine zyklisch nutzbare Speicherfähigkeit von mindesten 20 kJ, insbesondere mindestens 30 kJ.

Eine zyklisch nutzbare Speicherfähigkeit liegt dann vor, wenn der Speicher mindestens 10⁵ Lade-/Entladezyklen zwischen 100% und 40% seiner Nennspeicherfähigkeit verträgt. Die Nennspeicherfähigkeit beträgt üblicherweise mindestens 50% der maximalen Speicherfähigkeit des Speichers im Neuzustand.

Zwar ist mit den bevorzugten Speicherwerten des elektrischen Speichers nur eine etwa 10%ige Nutzung der Bremsenergie möglich, wegen des hohen Anteils der Bremsenergie am Gesamtverbrauch des Kraftfahrzeugs bedeutet dies jedoch schon eine merkliche Verbrauchs- und NOx-Emissionsreduzierung. Ein Kondensator als elektrischer Energiespeicher hat zwar gegenüber den bekannten Bleiakkumulatoren den Nachteil einer wesentlich geringeren Speicherdichte (ca. eine Größenordnung kleiner) und eine hohe Selbstentladerate von bis zu 25%/Tag, ist jedoch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet, da zum einen wegen der deutlichen Reduzierung der zyklischen Belastung des Bleiakkumulators während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung der Bleiakkumulator mit weniger Sicherheitsreserven, d. h. leichter ausgelegt sein kann, und zum anderen wird während des erfindungsgemäßen Betriebs der elektrische Speicher (Kondensator) in verhältnismäßig kurzen Zyklen betrieben (einige Sekunden bis einige Minuten), so daß die hohe Selbstentladungsrate unproblematisch ist.

Die Nachteile des Kondensators erlauben jedoch keinen vollständigen Ersatz der herkömmlichen Kraftfahrzeugbatterie, sondern nur einen parallelen Einsatz zu dieser.

Bei Einsatz eines Kondensators als elektrischer Speicher, wobei sogenannte Goldkondensatoren (GoldCaps, SuperCaps), wird erfindungsgemäß eine Steuerung vorgesehen, die die Entladespannung des Kondensators, die einen exponentiellen Spannungsverlauf hat, regelt bzw. stabilisiert. Dies erfolgt vorteilhaft auf die für die elektrischen Verbraucher bzw. das Laden der Bordbatterie (Akkumulator) geeignete Spannung. Die Steuerung ist vorteilhaft so ausgelegt, daß sie auch eine niedrige Kondensatorabgabespannung auf eine höhere Spannung regeln kann. Eine solche Steuerung ist beispielsweise in Elektor, Nr. 7-8, 1995, S. 86/87, Batteriesparschaltung, beschrieben. Alternativ, insbesondere jedoch zusätzlich dient die Steuerung auch einer Veränderung der Ladespannung des Kondensators, wobei die Spannung beim Laden des Kondensators erhöht wird. Die Erhöhung erfolgt vorteilhaft bis auf max. 144 V und insbesondere bis auf max. 42 V und beträgt vorzugsweise mindestens das 1,5fache der üblichen Bordnetzspannung (d. h. mindestens 21 V). Durch diese Spannungserhöhung erreicht man eine höhere zyklisch nutzbare Speicherfähigkeit des Kondensators; außerdem kann die weiter oben beschriebene Spannungsregelung vereinfacht ausgebildet sein, beispielsweise derart, daß die Entladung des Kondensators nur genutzt wird bis zu einer Entladespannung von mindestens 6 V und insbesondere mindestens 9 V.

Erfindungsgemäß wird das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges vorteilhaft mit einer Kombination aus einer Starterbatterie und einem Kondensatorspeicher zur Bremsenergierückgewinnung modifiziert. Hierdurch wird zusätzlich vorteilhaft erreicht, daß die üblicherweise in Kraftfahrzeugen verwendete Bleibatterie kaum durch periodische Lade-/Entladevorgänge belastet wird, wie sie insbesondere bei Schwung-Nutz-Automaten (Abstellen und Auskuppeln der Verbrennungskraftmaschine während des Schubbetriebs) vorliegen. Der Kondensator-Spannungsregler braucht nicht auf die Spitzenströme beim Anlasserbetrieb ausgelegt sein, sondern max. auf die Bordnetzbelastung (ca. 100 A), auch eine niedrigere Auslegung ist möglich, wobei dann die Bleibatterie wieder geringen zyklischen Belastungen unterworfen wird.

Die Strategie der Stromversorgung, d. h. die teilweise oder vollständige Zuschaltung des Zusatzspeichers (Kondensator) zur Versorgung des Stromnetzes, wird vorteilhaft auf geringen Verbrauch hin optimiert, wobei gleichzeitig auch geringere Stickoxidemissionen erreicht werden. Eine solche Optimierung ist beispielsweise aus der DE 195 38 324 A bekannt. Bevorzugt wird der Generator im unteren Teillastbereich voll betrieben, d. h. der geladene Kondensator wird oberhalb des unteren Teillastbereiches zur teilweisen oder vollständigen Versorgung des Bordnetzes zugeschaltet. Eine Bilanzierung des Verbrauchs der Brennkraftmaschine mit und ohne Generatorlast zeigt, daß der spezifische Generatorverbrauch im unteren Teillastbereich geringer sein kann, als der Bestwert des nicht mit dem Generator belasteten Aggregats.

Besonders vorteilhaft wird die Zuschaltung des Kondensatorspeichers unter Berücksichtigung des Ladezustandes des Kondensatorspeichers und des Motorbetriebspunktes entschieden. Vorteilhaft wird hierbei sichergestellt, daß bei Unterschreiten eines Mindestladezustandes des elektrischen Speichers der Generator im vollen Dauerbetrieb arbeitet.

Durch den elektrischen Speicher wird bei einem Pkw mit direkteinspritzendem Turbodiesel (66 kW) eine Verbrauchs- und NOx-Minderung um rund 4% erzielt (Seriengenerator 90 A, MVEG-Zyklus). Durch erhöhen der Generatorleistung auf 120 A wird die Energieausnutzung in den Verzögerungsphasen gesteigert, wodurch im MVEG-Zyklus ca. 145 kJ gegenüber 90 kJ bei 90 A-Generator an Bremsenergie genutzt werden. Dieser Nutzungsgrad liegt immer noch unterhalb 10% der gesamten Bremsenergie. Beim Einsatz eines 320 A-Generators können im MVEG-Zyklus ca. 600 kJ der Bremsenergie rückgewonnen und genutzt werden, wodurch der Verbrauch um ca. 13% und die NOx-Emission um ca. 12% gesenkt werden konnten. Eine Steigerung der Generatorleistung auf über 500 A (bei 14,4 V) ist wenig sinnvoll, da die so gespeicherte Bremsenergie nicht mehr über die Nebenaggregate vollständig verbraucht werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und von Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 bevorzugte Generatorbetriebsbereiche im Motorkennfeld;

Fig. 2 eine Entscheidungslogik für den Generatorbetrieb;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Betriebslogik;

Fig. 4 ein Bordnetz mit Bremsenergierückgewinnung;

Fig. 5 eine Tabelle mit den Einsparungen in Abhängigkeit der Generatorgröße; und

Fig. 6 eine weitere Betriebsstrategie des Bordnetzes.

Das in Fig. 1 gezeigte Muscheldiagramm einer Verbrennungskraftmaschine zeigt den spezifischen Verbrauch in g/kWh in Abhängigkeit der Drehzahl und des Drehmomentes der Verbrennungskraftmaschine. Der günstigste spezifische Verbrauch von 223 g/kWh liegt bei einer verhältnismäßig niedrigen Drehzahl und einem verhältnismäßig hohen Drehmoment. Aus diesem Diagramm kann unmittelbar der spezifische Kraftstoffverbrauch bei 50 A Generatorlast an jeder Stelle des Leistungskennfeldes ermittelt werden. Die Berechnungsgleichung ist hierbei Motorleistung mit Generatorlast × spezifischer Kraftstoffverbrauch - Motorleistung ohne Generatorlast × spezifischer Kraftstoffverbrauch. Wie den Berechnungen für die eingezeichneten Punkte A und B zu entnehmen ist (A' bzw. B' mit Generatorlast 50 A), ist der spezifische Generatorverbrauch im unteren Teillastbereich 20, der als bevorzugter Generatorbetriebsbereich gepunktet dargestellt ist, am geringsten.

Hieraus kann die in Fig. 2 dargestellte Ladestrategie entwickelt werden. Das Lastmoment Md, beispielsweise berechnet aus der Motordrehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge m, wird mit dem Ladezustand des Kondensators, beispielsweise aus dessen Spannung bestimmt, in einer Gleichung verknüpft. Die hieraus resultierende Kurve ist in Fig. 3 dargestellt, aus der ersichtlich ist, daß der Generator nur bei relativ niedrigen Ladezuständen des Kondensators und im wesentlichen bei verhältnismäßig niedrigen Drehmomenten der Verbrennungskraftmaschine erregt ist, d. h. Strom liefert. Zu dieser Ladestrategie kommt noch eine Schubabfrage hinzu. Im Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine benötigt diese bei einer Kraftstoff-Schubabschaltung keinen Kraftstoff, so daß hier der Generator ohne Kraftstoffmehrverbrauch Strom liefert. Entsprechend liegt der gepunktete Bereich, in dem der Generator zur Stromerzeugung und zur Ladung des Kondensators erregt ist, bei hohen Ladezuständen des Kondensators im Schubbetrieb oberhalb der zuvor bestimmten Kurve. Bei diesem Generatorbetrieb wird also die Entscheidung hinsichtlich Generatorbetrieb oder -abschaltung bzw. Kondensatorladung oder -entladung unter Berücksichtigung des Kondensatorspeicher-Ladezustandes und des Motorbetriebspunktes getroffen. Dabei wird sichergestellt, daß bei Unterschreiten eines Mindest-Ladezustandes des Kondensatorspeichers der Generator im Dauerbetrieb arbeitet. Der Mindest-Lade zustand des Kondensators ist dabei vorteilhaft derart gewählt, daß er im Bereich der Grenze der nutzbaren Kondensatorkapazität liegt, da als Folge des exponentiellen Spannungsabfalls bei der Kondensatorspeicher-Entladung nicht die gesamte Nennkapazität des Kondensators genutzt werden kann. Bei der Entladung begrenzen insbesondere die Halbleiterelemente des Spannungswandlers die Mindestspannung auf ca. 9 V; die obere Spannungsgrenze ist durch die maximale Spannung des Kondensators und durch Spannungssicherungsmaßnahmen begrenzt.

Das erfindungsgemäße Bordnetz ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Der von einer Verbrennungskraftmaschine 1 über einen Riementrieb 15 angetriebene Generator 2 liefert grundsätzlich eine Spannung von 14,4 V, mit der eine Batterie 3 geladen und elektrische Verbraucher 4 gespeist werden. Zusätzlich zu dem Generator 2 treibt der Motor 1 über einen Triebstrang 16 und ein Getriebe 5 eine Antriebsachse 6 mit Rädern 7 an.

An das 14,4 V Bordnetz 8 ist weiterhin ein Steuergerät 9 angeschlossen, das einen DC-DC-Wandler enthält. Dieser wandelt die 14,4 V Spannung auf 42 V zur Ladung eines SuperCaps 10, das auf 11 Wh ausgelegt ist und eine Lade-/Entladeleistung von 2 KW hat. Die Aufladung des SuperCaps 10 folgt bei den in Fig. 2 und 3 (oder 6) beschriebenen Betriebszuständen. Sobald diese verlassen werden, wird der Generator 2 über das Steuergerät 9 und eine Erregerleitung 11 entregt und gleichzeitig das Bordnetz 8 über das Steuergerät 9 aus dem SuperCap 10 versorgt, wobei dessen Spannung bis auf 9 V absinken kann.

Bei einer solchen Betriebsweise können je nach Generatorleistung unterschiedliche Emissions- und Verbrauchseinsparungen erreicht werden. Diese sind in Fig. 5 zusammengestellt, wobei außerdem festgestellt wird, daß eine mechanische Abkopplung des Generators praktisch keine Vorteile gegenüber einer elektrischen Entregung des Generators bringt. Bei Einsatz eines 320 A-Generators werden im MVEG-Zyklus ca. 600 kJ Bremsenergie durch Einspeisung in das Bordnetz wieder genutzt, wodurch eine Verbrauchseinsparung, um ca. 13% und eine NOx-Emissionsverringerung um ca. 12% erreicht werden. Die Messungen wurden an einem 66 kW Turbodieseldirekteinspritzer, eingebaut in einem Kompaktwagen (Golf III) vorgenommen.

In Fig. 6 ist eine wesentlich einfachere Regelstrategie dargestellt. Hier ist das Lade-/Ent ladeverhalten des Kondensators in einem kurzen Fahrzyklus skizziert. Der Fahrzyklus stellt einen Ausschnitt aus einem Gesamtfahrzyklus dar und beginnt mit einer Konstantfahrt bei 50 km/h. Das Kraftfahrzeug wird nach ca. 20 s auf 30 km/h verzögert, um nach einer erneuten Konstantfahrt wieder auf 50 km/h beschleunigt zu werden. Anschließend setzt das Fahrzeug seine Geschwindigkeit mit konstant 50 km/h fort. Der Generatornennstrom (Maximalleistung) beträgt bei 50 km/h 110 A und bei 30 km/h 80 A. Während der Konstantfahrphase versorgt der Generator das Bordnetz mit 25 A und die fast vollgeladene Batterie des Bordnetzes mit ca. 2 A Ladestrom. Während der Verzögerung wird beim Einsetzen des Schubbetriebs bzw. beim Betätigen der Bremse der weitgehend entladene Kondensator zugeschaltet. Da der Generatornennstrom unterhalb des maximal vom Kondensator aufnehmbaren Ladestrom (hier 140 A) liegt, kann die gesamte vom Generator über die Bordnetzversorgung hinaus bereitgestellte Energie in Höhe von ca. 10 kWs entsprechend ca. 2,8 Wh eingelagert werden. Die nachfolgende Konstantfahrt bei 30 km/h stellt keinen "ungünstigen" Betriebszustand dar, daher wird hier der Kondensator nicht entladen. Die hieran anschließende Beschleunigung gilt als "ungünstiger" Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, so daß hier der Generator entregt und das Bordnetz inklusive des Batterieladestroms über eine Steuerelektronik von dem sich entladenen Kondensator versorgt wird. Am Ende des Beschleunigungsvorganges wird der Generator wieder erregt und der teilentladene Kondensator abgekoppelt.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine, einem Akkumulator, elektrischen Verbrauchern und einem Stromgenerator, der dem Laden des Akkumulators und dem Betreiben der elektrischen Verbraucher dient, dadurch gekennzeichnet, daß während einer ersten Betriebsbedienung des Kraftfahrzeuges ein Kondensator über den Stromgenerator aufgeladen wird, und daß während einer zweiten Betriebsbedingung der aufgeladene Kondensator zu mindestens 2% für insgesamt 2 s zum Betreiben der elektrischen Verbraucher und/oder zum Laden des Akkumulators dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator mit einer Entlade-/Ladeleistung von mindestens 0,5 kW, bevorzugt 0,7 kW und insbesondere mindestens 1 kW eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator mit einem zyklisch nutzbaren Speicher von mindestens 20 kJ und insbesondere mindestens 28 kJ eingesetzt wird.

4. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine, einem Akkumulator, elektrischen Verbrauchern und einem Stromgenerator, der dem Laden des Akkumulators und dem Betreiben der elektrischen Verbraucher dient, dadurch gekennzeichnet, daß während einer ersten Betriebsbedingung des Kraftfahrzeuges ein elektrischer Speicher über den Stromgenerator aufgeladen wird, daß während einer zweiten Betriebsbedingung der aufgeladene elektrische Speicher zum Betreiben der elektrischen Verbraucher und/oder zum Laden des Akkumulators dient, wobei der elektrische Speicher eine Lade-/Entladeleistung von mindestens 0,5 kW und/oder einen zyklisch nutzbaren Speicher von mindestens 20 kJ hat.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der ersten Betriebsbedingung der Generator gegenüber der zweiten Betriebsbedingung einen niedrigeren theoretischen spezifischen Kraftstoffverbrauch hat.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Betriebsbedingung eine Schubphase, eine Bremsphase bzw. eine Phase ist, in der der Verbrennungskraftmaschine maximal 20% ihrer maximalen drehzahlbezogenen Leistung abverlangt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Betriebsbedingung abhängig von dem Ladezustand des Kondensators bzw.

des elektrischen Speichers und/oder von dem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine und/oder vom NOx-Ausstoß der Verbrennungskraftmaschine ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kondensator bzw. Speicher ein Goldkondensator eingesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromgenerator mit einer Leistung von mindestens 1,5 kWh, insbesondere mindestens 2 kWh eingesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuergerät vorgesehen wird, das die Ladespannung des Kondensators bzw. elektrischen Speichers erhöht.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuergerät eingesetzt wird, das die Entladespannung des Kondensators bzw. des elektrischen Speichers an die für die Verbraucher erforderliche Spannung anpaßt.