DE19829150A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energieverteilung in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieverteilung in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches wenigstens eine Batterie und wenigstens einen Generator aufweist. Dabei wird eine hierarchische Steuerstruktur eingesetzt, die aus einer übergeordneten Komponente und diesem untergeordneten Komponenten zur Steuerung des wenigstens einen Generators und der wenigstens einen Batterie besteht. Zwischen der übergeordneten und den untergeordneten Komponenten sind vorgegebene Schnittstellen mit vorgegebenen Kommunikationsbeziehungen vorhanden. Als Kommunikationsbeziehungen sind Aufträge, die von der beauftragten Komponente erfüllt werden müssen, Anforderungen, die von der angeforderten Komponente erfüllt werden sollten und Abfragen sind, die von der abgefragten Komponente beantwortet werden müssen, vorgegeben, wobei zwischen der Komponente des wenigstens einen Generators und der übergeordneten Komponente als Auftrag die einzustellende Leistung bzw. Spannung, als Abfrage das Potential zur Leistungserzeugung des Generators übermittelt wird, zwischen der Komponente der wenigstens einen Batterie und der übergeordneten Komponente als Abfrage das elektrische Leistungspotential der Batterie übermittelt wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieverteilung in einem Kraftfahrzeug.

Bei bekannten Steuerungen von Kraftfahrzeugkomponenten ist die Software nach Funktionen strukturiert. Dabei besteht die Möglichkeit, daß verschiedene Funktionen auf die gleichen Stellglieder zugreifen. Eine Austauschbarkeit von Software­ teilen ist nur mit erheblichem Aufwand möglich. Eine modula­ re Entwicklung wird nicht unterstützt.

Um diese Situation zu verbessern, wird beispielsweise in der DE-A-41 11 023 (US-Patent 5,351,776) ein Steuerverfahren bzw. eine Steuervorrichtung beschrieben, die eine Steuerung des Gesamtfahrzeugs erlaubt und die eine hierarchische Auf­ tragsstruktur für die Steueraufgaben aufweist. Die dort be­ schriebene Steuerungsstruktur umfaßt Koordinationselemente, welche einen aus einer höheren Hierarchieebene ausgehenden Befehl in Befehle für Elemente einer nachgeordneten Hierar­ chieebene umsetzen. Die Inhalte der von oben nach unten in der Hierarchiestruktur weitergegebenen Befehle stellen phy­ sikalische Größen dar, die die Schnittstellen zwischen den einzelnen Hierarchieebenen bestimmen. Die beschriebenen Schnittstellen orientieren sich dabei an den physikalischen Gegebenheiten der Fahrzeugbewegung, insbesondere des An­ triebsstrangs und der Bremse. Eine darüber hinaus gehende Betrachtung einer Fahrzeugsteuerung unter Berücksichtigung der Energieverteilung im Bordnetz wird nicht beschrieben.

Die installierte elektrische Leistung kann in einigen Fällen in der Zukunft 15 kW übersteigen. Im "worst case" sind 7 kW elektrische Dauerleistung möglich (entspricht der denkbaren Verbraucherkornbination mit maximaler Leistung der einzelnen Verbraucher im Normalbetrieb). Durch zusätzliche Betätigung von Kurzzeitverbrauchern kann dieser Wert auf über 10 kW steigen. Bei gleichzeitigem Einschalten von Elektromotoren und/oder Glühlampen, entsteht ein zusätzlicher nicht ver­ nachlässigbarer Leistungspeak, verursacht durch Anlaufströ­ me.

Diese Zahlenwerte verdeutlichen die Anforderungen an ein zu­ künftiges Bordnetz sowie an ein Steuersystem für ein solches Bordnetz. Batterie(n) und Generator sind so auszulegen, daß das Fahrzeug jederzeit verfügbar ist. Dies bedeutet, daß die elektrische Leistungsbilanz im Mittel ausgeglichen sein muß, mit der Randbedingung, daß der Batterieladezustand einen kritischen Wert nicht unterschreiten darf, um jederzeit ei­ nen Motorstart zu ermöglichen. Die spezifizierten Spannungs­ grenzen dürfen nicht unter- bzw. überschritten werden, um Verbraucherausfälle (z. B. Steuergeräteausfall durch Unter­ spannung) zu vermeiden. Zukünftige Antriebskonzepte wie Start-Stop-Systeme oder Schwungnutzsysteme verschärfen die Anforderungen an das Bordnetz weiter, da bei Motorstop ein motorgekoppelter Generator keine Leistung erzeugt.

Die Erzeugung von elektrischer Leistung hat auch Auswirkun­ gen auf den Kraftstoffbedarf eines Fahrzeugs. Die Erzeugung von 100 W elektrischer Leistung erhöht den Kraftstoffbedarf um ca. 0,171/100 km. Eine Gewichtserhöhung des Fahrzeugs um 50 kg verursacht den gleichen Mehrverbrauch. Eine Reduzierung des Kraftstoffbedarfs bei gleichzeitiger deutlicher Erhöhung der elektrischen Leistung ist nur möglich, wenn einerseits der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung, -verteilung und -nutzung verbessert wird und andererseits das Zusammenspiel von Triebstrang und Bordnetz optimiert wird (Gesamtwirkungs­ grad).

Eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads ist mit Hilfe ei­ nes Bordnetzmanagements erreichbar, das die Steuerung der Bordnetzkomponenten (z. B. Generator, Batterie(n), Verbrau­ cher, Spannungsregler, DC/DC-Wandler) koordiniert. Ebenso können durch ein Bordnetzmanagement die worst-case Anforde­ rungen an Batterie und Generator reduziert werden (z. B. Startfähigkeit bei -25°C). Diese selten auftretende Fälle können durch Maßnahmen des Bordnetzmanagements gemeistert werden (z. B. durch Anhebung des Drehzahlniveaus des Antriebs oder Reduktion der Verbraucherleistung).

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Struktur eines Bordnetzma­ nagements anzugeben, mit dessen Hilfe die beschriebenen For­ derungen erfüllt werden können und welches in eine hierar­ chische Steuerstruktur eingebunden ist.

In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 197 45 849.1 vom 16.10.1997 ist ein Bordnetzmanagement dar­ gestellt. Die Energieverteilung wird mit Hilfe einer Steuer­ einrichtung, die als Bordnetzmanager arbeitet, realisiert. Der Steuereinheit werden die erforderlichen Informationen zugeführt, aus denen sie eine Strategie für die Steuerung der Komponenten des Bordnetzes und der Brennkraftmaschine durchführt. Die Energieverteilung zwischen Bordnetz und Brennkraftmaschine erfolgt gemäß vorgebbaren Anforderungen unter Berücksichtigung der Bedingung, daß die Bordnetz-Soll- Spannung (U_s) innerhalb vorgebbarer Grenzen liegt. Eine konkrete Ausgestaltung des Bordnetzmanagers sowie eine Ein­ bindung in eine hierarchische Steuerstruktur wird nicht be­ schrieben.

Aus der ebenfalls nicht vorveröffentlichten deutschen Pa­ tentanmeldung 197 09 317.5 vom 7.3.1997 ist das Prinzip ei­ ner hierarchischen Grundstruktur eines Fahrzeuggesamtsystems bekannt. Dort ist ein Fahrzeugkoordinator Auftraggeber für die Komponenten Antrieb (Quelle mechanischer Leistung), Fahrzeugbewegung, Karosserie und Innenraum und Elektrisches Bordnetz (Quelle elektrischer Leistung). Die Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten dieser Struktur erfolgt nur zwischen der übergeordneten Komponente und den dieser zugewiesenen Komponenten im Rahmen fest vorgegebener Kommu­ nikationsbeziehungen. Diese sind der Auftrag, der grundsätz­ lich von einer Komponente in einer höheren an eine Komponen­ te in einer niedrigeren Hierarchieebene gegeben wird und von der beauftragten Komponente erfüllt werden muß, die Anforde­ rung, die auch von einer Komponente in einer niedrigeren an eine Komponente in einer höheren Hierarchieebene gegeben wird und die von der angeforderten Komponente erfüllt werden sollte, und die Anfrage, bei der von der gefragten Komponen­ te eine Antwort an die fragenden Komponente erwartet wird. Im Rahmen dieser vorgegebenen Kommunikationsbeziehungen zwi­ schen den Komponenten findet die Steuerung des Fahrzeugs statt. Es werden zur Steuerung des Fahrzeugs fest vorgegebe­ ne physikalische Größen übermittelt, die definierte Schnitt­ stellen zwischen den einzelnen Komponenten darstellen. Eine Ausgestaltung des Koordinators Elektrisches Bordnetz wird nicht gezeigt.

Vorteile der Erfindung

Der beschriebene Bordnetzmanager ermöglicht es, die Steue­ rung des elektrischen Bordnetzes und damit die Steuerung der Energieverteilung in eine hierarchische Gesamtfahrzeugstruk­ tur einzubetten. Dadurch wird eine größere Übersichtlichkeit des Gesamtsystems und des Steuersystems zur Energievertei­ lung erreicht und eine modulare Entwicklung von Software er­ möglicht. Dies deshalb, weil eine objektorientierte Struktur des Bordnetzmanagers entsprechend der Struktur des Gesamtsy­ stems vorgegeben ist.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Struktur des elektrischen Bordnetzes bzw. des Bordnetzmanagers besonders einfach ist. Die Schnittstellen zwischen den einzelnen Komponenten und die ausgetauschten Größen sind rein logischer Natur, d. h. hardware- und realisierungsunabhängig (z. B. Drehzahl, Lei­ stung, Moment, Spannung, etc.). Dadurch ergeben sich als Vorteile die Wiederverwendbarkeit von Software, eine leichte Erweiterbarkeit, eine gute Übersichtlichkeit und eine leich­ te Applizierbarkeit.

Vorteilhaft ist ferner, daß der unten näher beschriebene Bordnetzkoordinator das Zusammenspiel von Generator, Span­ nungsregler, elektrischen Verbrauchern, Batterien und even­ tuell vorhandenen DC/DC-Wandlern koordiniert. Eine Koordina­ tion mit dem Triebsstrang wird von einer dem Bordnetzkoordi­ nator übergeordneten Komponente (Fahrzeugkoordinator) bere­ itgestellt. In einer weiteren Ausführung ist ein Bordnetz­ manager vorgesehen, der zusätzlich diese Aufgabe der über­ geordneten Komponente übernimmt und den Triebsstrang mit berücksichtigt. Es wird eine geeignete Strategie zur Erzeugung, Verteilung, Speicherung und Nutzung der elektri­ schen Leistung festgelegt. Dadurch wird die Fahrzeugverfüg­ barkeit erhöht, weil die Ladebilanz sichergestellt ist, die Bordnetzspannung im spezifizierten Bereich, dynamisch und statisch, gehalten wird, das dynamische Zusammenspiel von Bordnetz und Antrieb verbessert wird und die Lebensdauer der Batterie verlängert wird. Dabei wird als Randbedingung ein möglichst minimaler Kraftstoffbedarf berücksichtigt.

Durch die nachfolgend beschriebenen Strukturen mit einem übergeordneten Block, der die untergeordnete Teilsysteme ko­ ordiniert, werden die Teilsysteme optimal koordiniert. Die Struktur ermöglicht ein übergeordnetes Energiemanagement.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 5 der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt das aus dem eingangs genannten Stand der Tech­ nik bekannte Prinzip einer hierarchischen Grundstruktur ei­ nes Fahrzeuggesamtsystems. Ein Fahrzeugkoordinator ist Auf­ traggeber für die Komponenten Antrieb, Fahrzeugbewegung, Ka­ rosserie und Innenraum und Elektrisches Bordnetz. Im folgen­ den wird die Komponente Elektrisches Bordnetz und die zuge­ hörigen Schnittstellen zum Fahrzeugkoordinator näher be­ schrieben. Die einzelnen Komponenten können je nach Ausfüh­ rungsbeispiel als einzelne Steuergeräte oder in einem Steu­ ergerät als einzelne Softwareblöcke oder als Mischung die Ausgestaltungen realisiert werden.

Fig. 2 zeigt das Prinzip der Verfeinerung der Komponente Elektrisches Bordnetz. Die Aufgabe des elektrischen Bordnet­ zes ist die Bereitstellung elektrischer Leistung für die elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs. Zusätzlich be­ steht die Möglichkeit, durch das Bordnetz (über den Genera­ tor) eine mechanische Leistung einzustellen, indem die Gene­ ratorerregung und damit die Aufnahme mechanischer Leistung gesteuert wird. In Sonderfällen ist sogar die Bereitstellung von mechanischer Leistung möglich, indem der Generator im motorischen Betrieb betrieben wird, in dem er mechanische Leistung abgibt. Die Einstellung der mechanischen Aufnahme­ leistung des Bordnetzes dient z. B. der Warmlaufunterstützung eines Verbrennungsmotors, wobei der Antrieb ein zusätzliches Lastmoment fordert und somit die Warmlaufphase abkürzt oder zur Aufbringung eines zusätzlichen Bremsmoments, z. B. auf Anforderung der Komponente Fahrzeugbewegung. Die mechanische Leistungsabgabe des Bordnetzes kann als "Boost" des Antriebs genutzt werden.

Die Bordnetzkomponenten Generator und Batterie sind zur Er­ füllung der Bordnetzaufgaben unbedingt erforderlich. Dabei sind mehrere Batterien, z. B. ein Zwei-Batterienbordnetz, denkbar. Für ein übergeordnetes Bordnetzmanagement besitzen sowohl die Komponente Generator als auch die Komponente Bat­ terie eine Zustandserkennung (GZE Generatorzustandserken­ nung, BZE Batteriezustandserkennung), um Angaben über das Leistungspotential machen zu können, z. B. Abschätzen des Batterieladezustandes und des Batteriealters, Abschätzung der Generatortemperatur, etc., sofern diese Daten nicht als Meßgrößen vorliegen. Bei Mehrspannungsbordnetzen sind als weitere Komponenten ein oder mehrere DC/DC-Wandler für die Spannungswandlung erforderlich.

Der Koordinator elektrisches Bordnetz steuert die Bordnetz­ komponenten, d. h. er legt die Strategie fest, wie die Anfor­ derungen des Fahrzeugkoordinators an das Bordnetz umgesetzt werden. Der Koordinator elektrische Verbraucher ist je nach Ausführung eine eigene Bordnetzkomponente oder Teil des Ko­ ordinators elektrisches Bordnetz. Seine Aufgabe ist das Sam­ meln der Leistungsanforderungen der der Komponente elektri­ sches Bordnetz zugehörigen, elektrischen Verbraucher (z. B. Heizung), das Anfordern dieser Leistung beim Fahrzeugkoordi­ nator sowie die Leistungszuteilung an die Verbraucher.

Die Bordnetzkomponente Spannungsregler ist nicht zwingend erforderlich. Sie dient bei einem Bordnetzmanagement dazu, die Bordnetzspannung im spezifizierten Bereich zu halten, wenn der Generator an seiner Leistungsgrenze ist, d. h. den elektrischen Leistungsbedarf nicht mehr abdecken kann. Er teilt dem Bordnetzmanagement den Leistungsfehlbedarf mit (ermittelt aus der Differenz U_soll-U_ist zwischen der Bord­ netzsollspannung U_soll und der Bordnetzistspannung U_ist). Das Bordnetzmanagement leitet daraufhin Maßnahmen ein, die den elektrischen Leistungsbedarf reduzieren (z. B. Abschalten von elektrischen Verbrauchern) oder die eine höhere elektrische Leistungserzeugung ermöglichen, wie z. B. eine Änderung der Generatordrehzahl. Der Spannungsregler kann vereinfacht als virtueller elektrischer Verbraucher mit hoher Priorität ge­ sehen werden. Der Spannungsregler ist nicht identisch mit dem Generatorregler, der der Komponente Generator zugeordnet ist und der durch Regelung der Generatorerregung die gefor­ derte Bordnetzspannung einstellt.

Fig. 3 zeigt die Kommunikation zwischen den Komponenten für eine Anforderung nach Bereitstellung elektrischer Leistung. Der Fahrzeugkoordinator erfragt (Abfragebeziehung) vom Koor­ dinator Bordnetz das Potential der elektrischen Leistungsbe­ reitstellung P_Potential, aufgeteilt auf alle vorhandenen Span­ nungsebenen. Die Frage wird weitergegeben an den Generator und die Batterie. Das Potential wird bei Bedarf in unter­ schiedlich priorisierten Teilmengen angegeben. So ist das Potential der Batterie aufgeteilt in die aus Batteriesicht wünschenswerte Batterieleistung (Lade- oder Entladelei­ stung), in die maximal mögliche Entladeleistung und die ma­ ximal mögliche Ladeleistung, jeweils inkl. zugehöriger Bat­ teriespannung. Je nach Batteriezustand sind diese Leistungen priorisiert. So hat bei niedrigem Batterieladezustand die Ladung sehr hohe Priorität. Gleichzeitig fragt der Bordnetz­ koordinator das Potential der DC/DC-Wandler ab (falls vor­ handen). Dieses ist z B. durch die Grenztemperatur der Lei­ stungshalbleiter begrenzt. Dieses Potential kann das Lei­ stungspotential von Batterie und Generator begrenzen. Das elektrische Leistungspotential wird z. B. durch Auswertung eines Vollastkennfeldes ermittelt, das den Generatoraus­ gangsstrom über der Drehzahl bei maximaler Erregung und un­ terschiedlichen Generatorausgangsspannnungen darstellt. Das Potential der Batterie(n) wird ermittelt, indem z. B. abge­ schätzt wird, wieviel Leistung der Batterie entnehmbar oder zuführbar ist bei vorgegebenen Spannungen, die aus der Bord­ netzspezifikation ableitbar sind. Das Potential des DC/DC- Wandlers ist abhängig vom Layout des Wandlers und äußeren Einflüssen, z. B. Temperatur. Der Wandler kann die seiner Spezifikation entsprechende Leistung übertragen, bei hoher Bauteiletemperatur ist diese jedoch zu reduzieren. Das Po­ tential des Wandlers kann z. B. über eine temperaturabhängige Kennlinie ermittelt werden.

Der Bordnetzkoordinator interpretiert die Potentialangaben von Batterie und Generator und beantwortet die Potentialfra­ ge an den Fahrzeugkoordinator.

Es folgt der Auftrag (Auftragsbeziehung) nach Leistungsbe­ reitstellung (elektrische Leistung P_el) vom Fahrzeugkoordina­ tor an den Koordinator Bordnetz. Der Koordinator Bordnetz entscheidet (bei Abfragen nach Leistungsbereitstellung ent­ sprechend den priorisierten Potentialabgaben) abhängig vom Batterie- und Generatorzustand über die Aufteilung des Lei­ stungsauftrags auf die einzelnen Teilkomponenten (z. B. Bat­ terie und Generator) und beauftragt daraufhin den Generator mit der Leistungserzeugung unter Vorgabe einer Sollspannung (U_soll). Ist die Verbraucherleistung bekannt, dann entspricht U_soll einer bestimmten Generatorleistung, d. h. statt U_soll kann auch eine Leistung P vorgegeben werden. Ist die Verbraucher­ leistung nicht genau bekannt, dann stellt sich bei Lei­ stungsvorgabe eine von der Sollspannung verschiedene Lei­ stung ein, d. h. die Batterieleistung entspricht nicht mehr dem gewollten Wert. Bei U_soll-Vorgaben sorgt der Generator­ regler dafür, daß so viel Leistung erzeugt wird, daß die Spannung eingestellt wird (wenn möglich). Die sich ergebende Bordnetzspannung entscheidet über die Batterieleistung (die Batterieleistung ist nicht direkt steuerbar, sondern stellt sich gemäß der Batteriespannung ein). Gleichzeitig gibt der Bordnetzkoordinator die Ausgangsspannungen (_out) für die DC/DC-Wandler vor (Auftrag). Im Rahmen der Auftragsbeziehung teilt der Fahrzeugkoordinator dem Bordnetzkoordinator gege­ benenfalls die abzunehmende elektrische Verbraucherleistung (P_eV) zu.

Der Spannungsregler erhält im Rahmen einer Auftragsbeziehung den Spannungssollwert (U_soll). Diesen vergleicht er mit dem Spannungsistwert. Er fordert abhängig vom Ergebnis virtuelle elektrische Leistung (P_eV) über den Bordnetzkoordinator vom Fahrzeugkoordinator an mit dem Ziel, die Spannungsdifferenz auszugleichen (Anforderungsbeziehung).

Fig. 4 zeigt den Kommunikationsablauf bei Anforderung einer mechanischen Leistung (P_mech) des Bordnetz. Diese Leistung kann sowohl positiv (Aufnahme mechanischer Leistung) als auch negativ (Abgabe mechanischer Leistung) sein.

Der Fahrzeugkoordinator fragt das mechanische Leistungspo­ tential (P_{mech, Potential}) des elektrischen Bordnetzes ab. Der Koordinator Bordnetz fragt das mechanische Leistungspoten­ tial des Generators, das elektrische Leistungspotential der Batterie und das elektrische Leistungspotential der DC/DC- Wandler ab (Abfragebeziehungen). Das Potential der Abgabe mechanischer Leistung (erzeugbare mechanische Leistung) bei motorischem Betrieb des Generators wird berechnet aus der Drehzahl, bei der die Leistung abzugeben ist, und der Bord­ netzspannung (P_mech = f(n, U)). Die Drehzahl wird dabei bei der Abfrage mitgeteilt (auch mehrere Werte, abhängig von zulässigen Getriebestufen). Die Antwort enthält zugleich eine Aussage über die benötigte elektrische Leistung. Das Potential der Aufnahme der mechanischen Leistung wird ermit­ telt aus dem Vollastkennfeld und dem Wirkungsgrad. Abhängig von der elektrischen Leistungsforderung an das Bordnetz, dem Batterie-, Generator- und Wandlerpotential bestimmt der Koordinator Bordnetz des Potential der mechanischen Leis­ tungsbereitstellung. Dieses ist wiederum nach verschiedenen Prioritäten unterteilt. Bei einer Forderung nach Abgabe mechanischer Leistung ist das Batteriepotential die begren­ zende Größe, da die Batterie die elektrische Leistung für Bordnetz und motorischen Betrieb des Generators liefern muß. Eine Forderung nach zusätzlicher Aufnahme von mechanischer Leistung bedeutet erhöhte Abgabe elektrischer Leistung. Kann diese Leistung nicht von der Batterie aufgenommen werden, ist entweder keine zusätzliche mechanische Leistungsaufnahme möglich oder es müssen zusätzliche elektrische Verbraucher eingeschaltet werden. D. h. es ist evtl. eine zusätzliche Ab­ frage des Generators über den Bordnetzkoordinator an den Fahrzeugkoordinator einzufügen: Potential der elektrischen Verbraucher (P_eV) (wieviel Leistung kann zusätzlich aufgenom­ men werden). Der Fahrzeugkoordinator beauftragt das el. Bordnetz mit der Bereitstellung der mechanischen Leistung (P_mech). Der Koordinator Bordnetz beauftragt den Generator, die mechanische Leistung einzustellen (Auftragsbeziehungen) Dies ist möglich durch direkte Leistungsvorgabe (P_mech). Diese Leistung wird z. B. vom Antrieb beim Fahrzeugkoordinator angefordert für Funktionen wie Warmlaufunterstützung oder durch Vorgabe der Sollspannung (U_soll). P_mech wird vorgegeben bei einer Forderung nach Abgabe einer mechanischer Leistung, U_soll bei Forderung nach Aufnahme einer mechanischer Leistung. Die Batterieleistung stellt sich abhängig von der Bordnetz­ spannung ein.

Die Spannungsregelung etc. läuft analog zum Fall Anforderung elektrischer Leistung ab.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 beschrieben, mit der dieselbe Funktionalität erreicht wird. Die Kopplung mit dem Gesamtfahrzeug findet über die Komponenten Verbrau­ chermanagement und Triebstrangmanagement statt. Beim Ausfüh­ rungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 4 bilden die Komponen­ ten DC/DC-Steuerung, Generator- und Batteriemanagement das elektrische Bordnetz. Das Verbrauchermanagement ist dabei auf alle Komponenten verteilt, inklusive dem Fahrzeugteil, während das Triebstrangmanagement im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 die Schnittstelle zur Fahrzeugbewegung und An­ trieb darstellt, aber nur die bordnetzrelevanten Teile ab­ bildet.

Der Bordnetzkoordinator im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 ist daher auch nicht mit dem nachfolgend beschriebenen Bordnetzmanagement identisch. Der Bordnetzkoordinator ist im Ausführungsbeispiel der Fig. l bis 4 Teil eines Bordnetz­ managements, welches hauptsächlich im Fahrzeugkoordinator abläuft. Während die Struktur nach den Fig. 1 bis 4 die gesamte Fahrzeugstruktur berücksichtigt, wird in Fig. 5 nur der bordnetzrelevante Teil dargestellt.

Um die elektrische Leistungserzeugung und Nutzung koordinie­ ren zu können, werden im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 Angaben über den Generator-, Batterie-, Antriebs- und Ver­ braucherzustand verwendet. Entsprechend sind als Teilkompo­ nenten Batteriemanagement, Generatormanagement, Triebstrang­ management, Verbrauchermanagement und bei Mehrspannungsbord­ netzen die Steuerung der DC/DC-Wandler angegeben.

Die Batterie ist ein Speicher für elektrische Energie. Sie kann sowohl Leistung aufnehmen als auch abgeben. Das Batte­ riemanagement koordiniert den Betrieb aller im Bordnetz vor­ handenen Batterien (z. B. einer 36V-Batterie und einer 12V- Batterie). Es legt die aus Batteriesicht optimale Batterie­ spannung fest und bestimmt die zugehörige Batterieleistung sowie das Entlade- und Ladepotential (maximale Lade- bzw. Entladeleistung). Die Leistungsangaben sind gewichtet, um die Dringlichkeit einer Ladung bzw. Entladung zu betonen. So wird z. B. bei kritischem Batterieladezustand mit hoher Prio­ rität eine Ladeleistung gefordert, für sicherheitsrelevante Verbraucher kann jedoch noch Leistung aus der Batterie ent­ nommen werden.

Der Generatormanager berechnet das Potential der elektri­ schen Leistungserzeugung: die momentan abgegebene Leistung, die maximal abgebbare Leistung bei aktueller Generatordreh­ zahl und eine Drehzahlinformation. Diese beschreibt den Drehzahlbereich in dem der Generator bei Vollerregung die maximale Leistung abgeben kann. Das mechanische Leistungspo­ tential ist ebenfalls zu bestimmen: die momentan aufgenomme­ ne mechanische Leistung und die maximal abgebbare mechani­ sche Leistung im Motorbetrieb (Boost des Fahrzeugantriebs; nur bei triebstranggekoppeltem Startergenerator). Ebenso ist die zu erwartende mechanische Leistung abzuschätzen, die zur Erzeugung einer vom Bordnetzmanager angeforderten elektri­ schen Leistung benötigt wird. Das Generatormanagement setzt den Auftrag nach Leistungserzeugung vom Bordnetzmanagement um, indem er die vorgegebene Sollspannung einregelt.

Ein Triebstrangmanagement ist für das Bordnetzmanagement er­ forderlich, da sich Bordnetz und Antrieb über den Generator gegenseitig beeinflussen: Der Antrieb bestimmt die aktuelle Generatordrehzahl und damit die momentan maximal erzeugbare elektrische Leistung. Der Generator hingegen stellt für den Antrieb eine zusätzliche mechanische Last dar. Das Drehzahl­ niveau des Antriebs und damit des Generators ist entschei­ dend für die längerfristige Leistungsbilanz und damit eine wichtige Größe bei der Auslegung des Bordnetzes. Für das Bordnetz sind folgende Größen des Antriebs wichtig: das Drehzahlpotential und das mechanische Leistungspotential. D. h. in welchem Umfang kann der Antrieb seine aktuelle Dreh­ zahl variieren (bei konstanter Geschwindigkeit) bzw. kann der Antrieb die für den Generatorantrieb relevante mechani­ sche Leistung bereitstellen. Dies ist besonders in Vollastphasen und bei zukünftigen Generatoren, die die er­ wähnten Leistungsanforderungen abdecken können, nicht selbstverständlich. Die Potentialangaben sind jeweils ge­ wichtet, d. h. der Antrieb bewertet die für die Änderung von Drehzahl bzw. Leistung erforderlichen Maßnahmen hinsichtlich ihres Einflusses auf Wirkungsgrad, Emissionen etc. und legt abhängig vom Ergebnis Prioritäten für die einzelnen Potentia­ le fest. Andererseits beeinflußt das Bordnetz durch die Mo­ mentenrückwirkung auch den Antrieb. Der Antrieb kann daher Leistungsanforderungen an das Bordnetz stellen, die seinen Wirkungsgrad verbessern. Dazu gehört z. B. eine erhöhte Bela­ stung des Verbrennungsmotors durch den Generator in Schwach­ lastphasen oder eine verringerte Belastung durch den Genera­ tor bei Vollast.

Die elektrischen Verbraucher fordern über das Verbraucherma­ nagement Leistung an. Gleichzeitig hat das Verbrauchermana­ gement die Aufgabe, die vom Bordnetzmanager zugeteilte Lei­ stung auf die einzelnen Verbraucher zu verteilen.

Der Bordnetzmanager ist den zuvor genannten Komponenten übergeordnet. Er vergleicht die Leistungsanforderung der elektrischen Verbraucher mit dem Potential der Leistungser­ zeugung und legt unter Beachtung der Anforderungen der ein­ zelnen Komponenten eine Strategie für die Leistungserzeugung und -nutzung fest. Die Leistungserzeugung ist dabei abhängig von der Priorität der Leistungsanforderung der elektrischen Verbraucher, der Priorität der Batterieanforderungen und der Priorität der Anforderungen vom Antrieb. Die zu beachtende Randbedingung ist dabei stets, daß die spezifizierten Span­ nungsgrenzen nicht verletzt werden und der Batterieladezu­ stand nie unter einen kritischen Wert sinkt. Der Bordnetzma­ nager legt die einzustellende Generatorleistung, die zur Verfügung stehende Verbraucherleistung und die Batterielei­ stung fest und fordert vom Antrieb bei Bedarf ein veränder­ tes Drehzahlniveau. Er kommuniziert zum Antrieb die zu er­ wartende Belastung durch den Generator (load response) bevor er den Auftrag zur elektrischen Leistungserzeugung gibt. Da­ durch kann sich der Motor auf dynamische Laständerungen vor­ bereiten. Danach gibt er den Auftrag zur Leistungsbereit­ stellung und Leistungsabnahme. Aus der zugeteilten Batterie­ leistung ergibt sich die Batteriespannung. Z. B. ist beim 14V/42V-Bordnetz die Spannung der 36V-Batterie der Sollwert für den Generatorausgang und legt damit die Generatorlei­ stung fest. Die 14V-Spannung wird über einen oder mehrere DC/DC-Wandler (Netzwandler, Batteriewandler) aus der 42V- Generatorspannung erzeugt. D.h. die Spannung der 14V- Batterie wird dem DC/DC-Batterie-Wandler als Ausgangsspan­ nungswert vorgegeben (der Batteriewandler kann identisch mit dem Netzwandler sein). Die abzunehmende Verbraucherleistung wird dem Verbrauchermanagement zugeteilt, das die Verbrau­ cher schaltet.

Damit ergeben sich folgende Schnittstellen vom Bordnetzman­ ager zu den Teilkomponenten:

zum DC/DC-Wandler:
Abfrage von jedem Wandlertyp (z. B. Netzwandler, Batterie­ wandler) bezüglich Wandlertemperatur T_Wandler (wird durch Mes­ sung ermittelt) unter gleichzeitiger Mitteilung der Maxi­ maltemperatur (Halbleitergrenztemperatur) T_grenz laut Daten­ blatt und des aktuellen, gemessenen Wandlerstroms I_Wandler. Als Auftrag die Vorgabe der Ausgangsspannung U_{wandler_out} sowohl für Netzwandler als auch für Batteriewandler (falls vorhanden) Die Ausgangsspannung wird vom Bordnetzmanager z. B. unter Be­ rücksichtigung der einzustellenden Batteriespannung be­ stimmt.

zum Verbrauchermanagement:
Anforderung der Verbraucherleistung P_{v_Forderung}, deren Größe z. B. aus Festwerten, die den einzelnen Verbraucher zugeord­ net sind, bestimmt wird.

Die Abfrageschnittstelle stellt das Zuschalt-Potential (P_{v_pot}) der Verbraucher dar, welches aus Tabellenwerten durch Summation der einzelnen nicht aktiven Verbrauchern gewonnen wird.

Eine weitere Abfrageschnittstelle ist Abfrage, wieviel der vorläufig zugeteilten (aufgeteilt nach Nenn- und Spitzenlei­ stung) Leistung verwertet werden kann (P_{v_verwert}). Auch diese wird aus einer Tabelle bestimmt. Die umfaßt in einem Ausfüh­ rungsbeispiel Komponenten für 12V- und 42V-Verbraucher. Dies ist nötig, falls keine kontinuierliche Leistungsverstellung möglich ist. Findet diese Abfrage nicht statt, teilt das Bordnetzmanagement Leistung zu, die nicht verbraucht wird, mit der Folge einer steigenden Bordnetzspannung.

Die Auftragsschnittstelle bildet P_v mit den Komponenten P_12V, P_42V. Über diese Schnittstelle übermittelt der Bordnetzmana­ ger dem Verbrauchermanagement Aufträge nach Einstellung (Abnahme) der Verbraucherleistung. Die Aufteilung der Lei­ stung auf die einzelnen Verbraucher findet im Verbraucherma­ nagement statt.

Zum Generatormanagement:
Der Bordnetzmanager frägt beim Generatormanagement das wie oben bestimmte Potential der Leistungserzeugung P_{gen_pot} ab. In dieser Abfrage sind z. B. folgende Komponenten umfaßt: die aktuell erzeugte gemessenen elektrische Leistung P_ist und die maximal erzeugbare Leistung P_max. Dieser Wert ist drehzahlab­ hängig. Die maximal erzeugbare Leistung wird angegeben für die einstellbare Generatordrehzahl, die eine Funktion der Drehzahl des Antriebs und der Übesetzung zwischen Antrieb und Generator ist. Es wird also eine Maximalleistung bei der Generatoristdrehzahl, der maximal und der minimal möglichen Drehzahl angegeben. Außerdem geht eine mögliche Generator­ übererregung in die maximale Leistung ein. Das Generatorma­ nagement entscheidet dabei selbständig über die Boostfähig­ keit des Generators. Eine Unterteilung des Leistungswerts in verschiedene Klassen ist denkbar, z. B. wirkungsgradoptimale Leistungserzeugung, leistungsoptimale Leistungserzeugung, zeitlich begrenzt mögliche Leistungserzeugung aufgrund des thermischen Generatorzustands (Übererregung). Eine Randbe­ dingung des Leistungspotentials ist die Zeit, die benötigt wird, um die Leistung zur Verfügung zu stellen.

Ferner wird der mechanischen wie oben bestimmte Leistungsbe­ darfs (P_mech) des Generators bei vorgegebener zu erzeugender elektrischer Leistung abgefragt. Bei Fahrzeugen mit trieb­ stranggekoppeltem Starter-Generatoren oder Generatoren, die im motorischen Betrieb den Fahrzeugantrieb verstärken oder ersetzen können, ist eine Erweiterung der Schnittstelle er­ forderlich. P_mech ist dann auch die Leistung bei Motorbetrieb der elektrischen Maschine bei vorgegebener Drehzahl. P_mech ist in diesem Fall negativ (die elektrische Maschine gibt Lei­ stung ab).

Die Auftragsbeziehung zwischen Bordnetz und Generator stellt der Auftrag an den Generator nach Leistungserzeugung (P_gen) dar. Diese Schnittstelle definiert eine Ausgangsspannung für den Generator, die als Sollspannung der Generatorsteuerung vorgegeben wird. D.h. die Umrechnung der zu erzeugenden Lei­ stung in eine entsprechende Spannung kann auch im Bordnetz­ manager stattfinden. Diese Schnittstelle ändert sich dann in eine Spannungsschnittstelle U_{gen_out}.

Zum Triebstrangmanager:
Als Anforderungsbeziehung zwischen Bordnetz und Triebstrang ist die Anforderung einer mechanischen Leistung P_BN, z. B. zur Warmlaufunterstützung (höhere Last) oder Entlastung beim Be­ schleunigen, an den Bordnetzmanager vorhanden. Über die Zu­ teilung der angeforderten Leistung entscheidet der Bordnetz­ manager. Die Leistung wird hauptsächlich über den Generator eingestellt (mechanische Rückkopplung der elektrischen Lei­ stungserzeugung). Bei Fahrzeugen mit möglicher Antriebsun­ terstützung durch motorischen Betrieb des Generators ist dies auch die Anforderung einer unterstützenden Leistung bei vorgegebener Drehzahl (entspricht einer Momentenforderung) In diesem Fall ist jedoch eine weitere Schnittstelle vorzu­ sehen: die Potentialabfrage des Antriebs an das Bordnetz, z. B. das mechanisches Antriebspotential des Generators bei vorgegebener Drehzahl P_{BN_P}.

Die Abfragebeziehung stellt die Abfrage des Potentials der Leistungserzeugung des Antriebs (P_{Antrieb_max}) durch den Bord­ netzmanager dar. Das Potential ist die maximale Leistung des Antriebs, die für die elektrische Leistungserzeugung zur Verfügung steht und wird aus einem Kennfeld gewonnen. Rand­ bedingung ist dabei jeweils eine der Generatordrehzahl ent­ sprechende Größe. Beim Ziel einer Momentenänderung wird die maximale Leistung bei konstanter Generatordrehzahl abge­ fragt, ist eine Drehzahländerung das Ziel, so daß die elek­ trische Leistungserzeugung verbessert wird, wird die maxima­ le Leistung bei Änderung der Drehzahl übermittelt. Die Ant­ wort auf diese Abfrage enthält zudem die Zeit, in der das Potential zur Verfügung gestellt werden kann.

Eine weitere Anforderungsbeziehung ist P_Antrieb. Sie repräsen­ tiert die Anforderung nach Einstellung einer mechanischen Leistung für die elektrische Leistungserzeugung. Als Randbe­ dingung ist die Ursache der Leistungsforderung mitzuteilen: Leistungsänderung durch Drehzahländerung oder Leistungsände­ rung durch Momentenänderung (bei konstanter Drehzahl).

Zum Batteriemanager:
Als Abfragebeziehung ist vorhanden die Abfrage nach elektri­ schem Leistungspotential P_{bat_pot} der Batterie(n) und zugehöri­ ger Batteriespannung(en), sowohl für Ladung als auch Entla­ dung, d. h. Aufnahmeleistung bzw. Abgabeleistung. Das Potenti­ al wird abhängig von der maximalen Ladeleistung und der La­ despannung, bzw. der maximalen Entladeleistung und Entla­ despannung gebildet. Ferner ist als Abfragebeziehung die Ab­ frage nach Wunschspannung(en) aus Batteriesicht U_batopt und zugehörige Leistung P_batopt vorgesehen. Die Spannung ist ab­ hängig von der Lade-/Entladestrategie und von die Lebensdau­ er beeinflussenden Faktoren.

Die beschriebenen Komponenten sind dabei Softwareteile zur Verwaltung und Steuerung der Hardwareteile wie Generator, Batterie, DC/DC-Wandler.

Claims (11)

1. Verfahren zur Energieverteilung in einem Kraftfahrzeug, welches wenigstens eine Batterie und wenigstens einen Gene­ rator aufweist, wobei eine hierarchische Steuerstruktur ein­ gesetzt wird, die aus einer übergeordneten Komponente (Koordinator elektrisches Bordnetz, Bordnetzmanagement) und dieser untergeordneten Komponenten zur Steuerung des wenig­ stens einen Generators und der wenigstens einen Batterie be­ steht, wobei zwischen der übergeordneten Komponente und den untergeordneten Komponenten vorgegebene Schnittstellen mit vorgegebenen Kommunkationsbeziehungen vorhanden sind, da­ durch gekennzeichnet, daß als Kommunikationsbeziehungen Auf­ träge, die von der beauftragten Komponente erfüllt werden müssen, Anforderungen, die von der angeforderten Komponente erfüllt werden sollten und Abfragen sind, die von der abge­ fragten Komponente beantwortet werden müssen, vorgegeben sind, wobei zwischen der untergeordneten Komponente des we­ nigstens einen Generators und der übergeordneten als Auftrag die einzustellende Leistung bzw. Spannung, als Abfrage das Potential zur Leistungserzeugung des Generators übermittelt wird, zwischen der untergeordneten Komponente der wenigstens einen Batterie und der übergeordneten als Abfrage das elek­ trische Leistungspotential der Batterie übermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abgefragte Potential der Leistungserzeugung die aktuell erzeugte elektrische Leistung des Generators und die maximal erzeugbare Leistung umfaßt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Abfrage von der übergeordneten Komponente zur Komponente Generator der mechanische Lei­ stungsbedarf des Generators übermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnete daß als Abfrage von der übergeordneten Komponente zur Komponente Batterie die Wunschspannung und die Wunschleistung der Batterie übermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Komponente wenigstens ein DC/DC-Wandler vorgesehen ist, zwischen dem und der überge­ ordneten Komponente als Auftrag die Ausgangsspannung des Wandlers, als Abfrage das Leistungspotential übermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Abfrage des Leistungspotential Wandlerstrom, Wandlertemperatur und Grenztemperatur abgefragt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Komponente wenigstens ein Reg­ ler der Bordnetzspannung vorgesehen ist, zwischen dem und der übergeordneten Komponente als Auftrag die Sollspannung, als Anforderung vom Regler zur übergeordneten Komponente die elektrische Leistung übermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der übergeordneten Komponente ein Fahrzeugkoordinator übergeordnet ist, der als Auftrag zur übergeordneten Komponente die Bereitstellung elektrischer und/oder machanischer Leistung und/oder eine abzunehmende elektrische Verbraucherleistung übermittelt wird, als Abfra­ ge vom Fahrzeugkoordinator das Potential der elektrischen und/oder mechanischen Leistungsbereitstellung, ggf. als An­ forderung elektrische Leistung übermittelt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Komponente ein Verbraucherma­ nagement vorgesehen ist, welche bei der übergeordneten Kom­ ponente Verbraucherleistung anfordert, bei der die überge­ ordnete Komponente das Zuschaltpotential der Verbraucher ab­ fragt und als Auftrag die einzustellende Verbraucherleistung übermittelt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Komponente ein Triebstrangma­ nagement vorgesehen ist, welche bei der übergeordneten Kom­ ponente mechanische Leistung anfordert, bei der von der übergeordneten Komponente das Potential der Leistungserzeu­ gung des Antriebs abgefragt und von der die übergeordnete Komponente eine einzustellende mechanische Leistung anfor­ dert.

11. Vorrichtung zur Energieverteilung in einem Kraftfahr­ zeug, welches wenigstens eine Batterie und wenigstens einen Generator aufweist, mit einer hierarchischen Steuerstruktur, die aus einer übergeordneten Komponente und diesem unterge­ ordneten Komponenten zur Steuerung des wenigstens einen Ge­ nerators und der wenigstens einen Batterie besteht, mit vor­ gegebenen Schnittstellen mit vorgegebenen Kommunkationsbe­ ziehungen zwischen der übergeordneten und den untergeordne­ ten Komponenten, dadurch gekennzeichnet, daß als Kommunika­ tionsbeziehungen Aufträge, die von der beauftragten Kompo­ nente erfüllt werden müssen, Anforderungen, die von der an­ geforderten Komponente erfüllt werden sollten und Abfragen sind, die von der abgefragten Komponente beantwortet werden müssen, vorgegeben sind, und die Schnittstelle zwischen der Komponente des wenigstens einen Generators und der überge­ ordneten Komponente als Auftrag die einzustellende Leistung bzw. Spannung, als Abfrage das Potential zur Leistungserzeu­ gung des Generators, zwischen der Komponente der wenigstens einen Batterie und der übergeordneten Komponente als Abfrage das elektrische Leistungspotential der Batterie umfaßt.