DE19938623C2 - System zur Minimierung der Verlustleistungsäquivalente eines Antriebssystems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Minimierung der Verlustleistungsäquivalente eines Antriebssystems mit mehreren Komponenten nach der im Oberbegriff von An­ spruch 1 näher definierten Art.

Als Verlustleistungsäquivalente eines Antriebssystems sind dabei die Werte zu verstehen, die prinzipiell nicht gewünscht sind, deren Existenz jedoch nicht ver­ hindert werden kann. Als primäres Beispiel sei hier die Verlustleistung, welche durch jede der Komponenten beim Betrieb des Antriebssystems beigesteuert wird, genannt. Diese Verlustleistung liegt darin begründet, daß keine der in einem Antriebssystem auftretenden Komponenten einen Wirkungsgrad von 100% aufweist und damit also unter Leistungsanforderung eine gewisse Verlustleistung verursacht.

Die Erfindung betrifft dabei primär den Anwendungsfall der Minimierung der Verlustleistungen in einem An­ triebssystem, kann jedoch für vergleichbare Verlust­ leistungsäquivalente bzw. Gütefunktionale eingesetzt werden, wie z. B. einer Minimierung der Schadstoffemis­ sion oder einer Minimierung der Warmlaufverluste kurz nach der Inbetriebnahme des Antriebssystems.

Eine solche Minimierung der Verlustleistungsäquivalen­ te bzw. eine Optimierung der Betriebsweise eines An­ triebssystems wird dabei durch eine Betriebsstrategie festgelegt. Dies kann sich insbesondere auf Fahrzeug­ antriebssysteme und/oder auf die Antriebssysteme von Nebenaggregaten und deren Auswirkungen auf einen Pri­ märenergiewandler, wie z. B. einer Brennkraftmaschine, des Fahrzeugantriebssystems und gegebenenfalls deren gleichzeitige Auswirkungen auf den Antrieb selbst be­ ziehen.

Eine Optimierung ist immer dann möglich, wenn minde­ stens ein Freiheitsgrad zur Einstellung des Betriebs­ punktes bei vorgegebenen Anforderungen z. B. bezüglich einer Abtriebsleistung bzw. Leistungsanforderung vor­ handen ist. Dies kann sich sowohl auf die Einstellung der Brennkraftmaschine, als auch auf die Übersetzungs­ einstellung eines gegebenenfalls nachgeschalteten An­ triebsstrangs beziehen.

Bei herkömmlichen Antrieben ist eine Betriebspunktop­ timierung bzw. Minimierung der Verlustleistungen noch über die Kette der Wirkungsgrade vergleichsweise leicht möglich. Mit großen Nachteilen verbunden und noch nicht befriedigend gelöst, ist die Problematik bei komplex vernetzten Antriebssystemen.

Als Beispiel für ein komplex vernetztes Antriebssystem soll hier, wie auch im weiteren Verlauf der Beschrei­ bung, ein Hybridantrieb vorgestellt werden. Der Hybri­ dantrieb besteht aus einem Elektromotor, einem Pri­ märenergiewandler, wie z. B. einer Brennkraftmaschine oder einem Brennstoffzellensystem, einer Energiespei­ chereinheit, wie z. B. einem Akkumulator oder einer Batterie, sowie zusätzlichen Elementen des Antriebs­ strangs, wie z. B. Differentialgetriebe. Daneben exi­ stieren außerdem noch weitere Antriebsaggregate und/ oder an den Abtrieb gekoppelte Nebenverbraucher, wie z. B. Klimakompressor und/oder Kleinverbraucher in ei­ nem Kraftfahrzeug.

Bei solchen komplex vernetzten Antriebssystemen wird eine Wirkungsgradberechnung extrem aufwendig, da hier keine herkömmliche, eindeutig definierte Energiefluß­ kette mehr vorhanden ist und die Energie darüber hin­ aus für bestimmte Zeiträume in Zwischenspeichern gela­ gert werden kann. Eine exakte Wirkungsgradberechnung zu jedem Zeitpunkt, wie z. B. eine online-Berechnung, ist somit nicht mehr möglich. Eine Wirkungsgradberech­ nung wäre allenfalls über ein Zeitintegral zu realsie­ ren.

In der US 5,820,172 ist ein gattungsgemäßes System beschrieben, bei dem eine kosten- bzw. verbrauchsko­ stenoptimierte Betriebsstrategie für ein Antriebssy­ stem aus einem Verbrennungsmotor und einer Energie­ speichereinheit erfolgt. Dabei werden sämtliche Ener­ gien und Energieflüsse auf ein Kraftstoffkostenäquiva­ lent umgerechnet und die Betriebsstrategie wird so realisiert, daß dieses Kraftstoffkostenäquivalent zu möglichst vielen Zeitpunkten des Betriebs minimal sind.

Als Nachteil der dort beschriebenen Betriebsstrategie erweist sich leider, daß diese nicht über die gesamten Betriebsbedingungen des Antriebssystems realisiert werden kann. Mit einer zusätzlichen Sicherheitsabfrage muß nämlich der Ladezustand, der sogenannte "state of charge" (SOC) der Energiespeichereinheit überwacht werden. Wenn der SOC unter einen Schwellenwert ab­ fällt, also eine Entladung oder sogar eine Tiefentla­ dung der Batterie droht, so wird die Strategie zur Mi­ nimierung der Kraftstoffkosten verlassen und je nach Größe des aktuellen SOC wird die Batterie entweder über einen Schnelladevorgang oder einen optimierten Ladevorgang geladen.

Das beschriebene System zu Optimierung bzw. Minimie­ rung der Brennstoffkosten wird also durch das von Zeit zu Zeit erforderliche Laden der Batterie "ausge­ hebelt".

Aus der DE 197 03 863 A1 ist ferner eine Vorrichtung zur Ermittlung eines optimalen Betriebspunktes eines Antriebssystems mit mehreren Komponeneten bekannt, wo­ bei der Betriebspunkkt hinsichtlich eines Satzes von Bewertungsgrößen, wie bspw. Gesamtwirkungsgrad, Motor­ wirkungsgrad, Emissionsverhalten etc. ermittelt wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein System zur Minimierung der Verlustleistungsäquivalente eines An­ triebssystems, insbesondere der Summe der Verlustlei­ stungen der Komponenten des Antriebssystems, zu schaf­ fen, bei der während des gesamten Betriebs des Antriebssystems über eine Beeinflussung der Betriebs­ punkte der Einzelkomponenten ein möglichst optimaler, also mit minimalen Verlustleistungsäquivalenten behaf­ teter Betrieb möglich ist, wobei das Erreichen von kritischen Werten der Zustandsgrößen der Komponenten des Antriebssystems vermieden werden soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im An­ spruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Der wenigstens eine Freiheitsgrad eines Antriebssy­ stems wird in der Art genutzt, daß durch eine Variati­ on wenigstens eines der Betriebspunkte Verlustlei­ stungsäquivalente bzw. eine Summe der Verlustleistun­ gen von Komponenten des Antriebssystems bei einer vor­ gegebenen Anforderung, wie z. B. einer Leistungsanfor­ derung an das Antriebssystem ein zumindest lokales Mi­ nimum der Verlustleistungsäquivalente bzw. seiner Gü­ tefunktionale aufweist. Dadurch, daß das System in dem Minimum, oder dem lokalen Minimum, betrieben wird, wird erreicht, daß die mit dem Betreiben an sich ver­ bundenen "unerwünschten" Nebeneffekte nach Möglichkeit weitestgehend unterdrückt werden.

Die zu überwachenden Zustandsgrößen besitzen jeweils einen idealen Betriebsbereich. Während des Betriebs des Antriebssystems kann es vorkommen, daß bestimmte Zustandsgrößen des Antriebssystems kritische Werte er­ reichen. Die Komponenten des Antriebssystems werden deshalb, in an sich bekannter Art und Weise, auf ihre Zustandsgrößen hin überwacht, wobei eine Einflußnahme auf mit der jeweiligen Zustandsgröße korrespondieren­ den Stellparameter durch die Variation eines der Be­ triebspunkte erfolgt, wenn die jeweilige Zustandsgröße einen kritischen Wert annimmt.

Kritische Werte für die Zustandsgrößen können z. B. kritische Bauteiltemperaturen oder kritische Werte ei­ nes Energiespeichers bezüglich seines gespeicherten Energieinhalts sein.

Die Zustandsgrößen der Komponenten erfahren die an sich bekannte Regelung, wobei die Regelung auf Stell­ parameter zurückgreift. Durch eine Variation der Be­ triebspunkte über den wenigstens einen Freiheitsgrad des Antriebssystems können jetzt diese Steilparameter mehr oder weniger direkt beeinflußt werden. Ziel einer solchen erfindungsgemäßen Modifikation ist also die Beeinflussung der Stellparameter, die einen indirekten Einfluß auf die Regelung der Zustandsgrößen haben, da sie eine Sollgrößen-Vorgabe für die an sich bekannte Regelung bzw. Steuerung darstellen. Die Betriebsstra­ tegie zur Minimierung der Verlustleistungsäquivalente des Systems wird also durch das Auftreten eines kriti­ schen Wertes einer der Zustandsgrößen verändert bzw. modifiziert, um die Zustandsgrößen wieder in ihren idealen Betriebsbereich zurückzuführen.

Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise bei der Modifikation der Betriebsstrategie zur Mini­ mierung der Verlustleistungsäquivalente beschrieben. Als Maß für die Effektivität der Modifikation wird als Gradmesser eine Sensitivität genutzt.

Eine Modifikation der Betriebsstrategie zur Minimie­ rung der Verlustleistungsäquivalente weg von dem opti­ malen Betriebspunkt, einem globalen Minimum der Ver­ lustleistungsäquivalente, bedeutet zwangsläufig eine Erhöhung der Verlustleistungsäquivalente. Das Ziel ist jedoch die Minimierung dieser zusätzlich durch die Modifikation auftretenden Verluste. Um die interessie­ renden Zustandsgrößen, insbesondere die, welche kriti­ sche Werte angenommen haben, wieder in ihren Sollzu­ stand zurückzuführen, müssen deren beeinflussende Stellparameter ermittelt werden. So ist z. B. der beeinflussende Stellparameter für den Ladezustand einer Batterie der Lade- bzw. Entladestrom der Batterie.

Dazu wird die Sensitivität ermittelt, welche ein Wert dafür ist, wie stark sich die Variation des wenigstens einen Betriebspunkts auf die Steilparameter der jewei­ ligen den kritischen Wert erreichenden Zustandsgröße und auf die Verlustleistungsäquivalente an sich aus­ wirkt. Mittels einer Sensitivitätsanalyse wird nun außerdem ermittelt, wie sich die oben genannte Modifi­ kation der Betriebsstrategie zur Minimierung der Ver­ lustleistungsäquivalente einerseits auf die zu beein­ flussenden Stellparameter der interessierenden Zu­ standsgrößen und andererseits auf die Summe der Ver­ lustleistungsäquivalente auswirkt. Die Sensitivität zeigt also an, um wieviel sich die Verluste in Bezug auf die Veränderung der interessierenden Steilparame­ ter ändern. Daher könnte man in diesem Fall auch von den "Kosten" für eine Betriebspunktänderung sprechen.

Bei der Modifikation der Betriebsstrategie zur Mini­ mierung der Verlustleistungsäquivalente geht man dann folgendermaßen vor: man setzt die zulässigen "Kosten", d. h. die zulässige Erhöhung der Gesamtverlustleistung pro Veränderung der die interessierenden Zustandsgrö­ ßen beeinflussenenden Stellparameter fest. Dies ge­ schieht durch das Festsetzen eines bestimmten maximal zulässigen Sensitivitätswertes. Durch das Festsetzen dieses Sensitivitätswertes, sind die "Kosten", d. h. die zusätzlich auftretenden Verluste aufgrund der Ver­ änderung der Betriebsstrategie zur Minimierung der Verlustleistungsäquivalente für Betriebspunktänderung genau vorgegeben.

Durch das Festsetzen der zulässigen Sensitivität erge­ ben sich im allgemeinen eine Menge neuer Betriebspunk­ te für die Steilparameter, bei denen sich für eine bestimmte Anforderung bzw. Fahraufgabe genau diese zulässige oder eine kleinere Sensitivität einstellt. Für die Modifikation der Betriebsstrategie zur Mini­ mierung der Verlustleistungsäquivalente wird unter dieser Menge nun derjenige Betriebspunkt gewählt, bei dem die Veränderung der die interessierenden Zustands­ größen beeinflussenden Stellparameter am größten ist.

Aus der Menge von verschiedenen Betriebspunkten, deren korrespondierende Sensitivität kleiner ist als die zulässige Sensitivität, wird derjenige ausgewählt, der die größte Änderung des Stellparameters der jeweiligen Zustandsgröße bewirkt und welcher gleichzeitig ein lokales Minimum bezüglich der Summe der Verlustlei­ stungsäquivalente darstellt. Es erfolgt zwar zwangs­ läufig eine Erhöhung der Verlustleistungsäquivalente, aufgrund der Modifikation der Betriebsstrategie zur Minimierung der Verlustleistungsäquivalente, aller­ dings so, daß die Summe der Verlustleistungsäquivalen­ te sich weiterhin zumindest in einem lokalen Minimum befindet.

Die Modifikation der Betriebsstrategie zur Minimierung der Verlustleistungsäquivalente verändert die Wahl der Betriebspunkte also in der Art, daß die Betriebspunkte von einem globalen Minimum der Verlustleistungsäquiva­ lente, im Falle des Auftretens eines der kritischen Werte bei wenigstens einer der Zustandsgrößen, hin zu einem lokalem Minimum der Verlustleistungsäquivalente verschoben werden. Gleichzeitig dazu werden die Werte der Stellparameter so beeinflußt, daß durch die Regelung ein Verlassen der kritischen Bereiche der inter­ essierenden Zustandsgröße bewirkt wird.

Die Komponenten des Antriebssystems werden dazu mit dem ausgewählten Betriebspunkt betrieben und die durch die Variation des Betriebspunkts veränderten Stellpa­ rameter bzw. der veränderte Steilparameter wird als neue Vorgabe für die Regelung der Zustandsgrößen ge­ nutzt.

Dies bedeutet, daß der Eingriff auf die Komponenten des Antriebssystems nicht in einer direkten Regelung, sondern in einer Veränderung der vorgegebenen Stellpa­ rameter, im Prinzip also indirekt, erfolgt.

Die Wahl eines relativ hohen zulässigen Sensitivitäts­ werts bedeutet, daß die zusätzlich auftretenden Ver­ lustleistungsäquivalente bei der Modifikation der Be­ triebsstrategie zur Minimierung der Verlustlei­ stungsäquivalente ebenfalls relativ hoch sind.

Daher sollte in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei der Modifikation der Betriebsstrategie zur Minimierung der Verlustleistungsäquivalente die zulässige Sensitivität so klein wie möglich vorgegeben werden, um die zusätzlichen Verlustleistungsäquivalen­ te zu minimieren.

Ansonsten gilt, daß je weiter die Abweichung der in­ teressierenden Zustandsgröße von ihrem Sollzustand entfernt ist, desto größer muß der Wert für die zuläs­ sige Sensitivität sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann über eine exakte Beziehung zwischen der Abweichung der Zustandsgröße vom Sollzustand und einem zulässigen Sensitivitätswert gewährleistet werden, daß sich ein minimaler Wert für die zulässige Sensitivität einstellt und somit die zusätzlich auftretenden Verlu­ ste ebenfalls minimal bleiben. Die Beziehung ist dabei als streng monoton steigende Funktion vorzugeben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnungen prinzipmäßig dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine prinzipielle, schematische Darstellung eines Hybridsystems;

Fig. 2 eine prinzipielle, schematische Darstellung der Funktionsweise des Blocks "Verlust­ minimierung";

Fig. 3 ein Ablaufschema der Wirkungsweise der Modi­ fikation der Betriebsstrategie;

Fig. 4 ein prinzipmäßiges Diagramm einer Summe von Verlustleistungen in Abhängigkeit von Be­ triebsparametern;

Fig. 5 ein prinzipmäßiges Diagramm eines Batteriela­ destroms in Abhängigkeit von Betriebsparame­ tern;

Fig. 6 ein prinzipmäßiges Diagramm einer Sensitivität in Abhängigkeit von Betriebsparametern;

Fig. 7 ein prinzipmäßiges Diagramm einer Änderung des Batterieladestroms in Abhängigkeit von Betriebsparametern;

Fig. 8A ein prinzipmäßiges Diagramm der Sensitivität in Abhängigkeit einer Änderung eines Ladezu­ stands einer Batterie;

Fig. 8B ein prinzipmäßiges Diagramm der Summe von Verlustleistungen in Abhängigkeit von einem Fahrzustand, und

Fig. 8C ein prinzipmäßiges Diagramm des Batterielade­ stroms in Abhängigkeit von dem Fahrzustand.

Der Erfindungsgegenstand wird beispielhaft anhand ei­ nes komplexen Fahrantriebs, nämlich eines praxisrele­ vanten Hybridantriebs 1, dargestellt. Dieser in Fig. 1 nur prinzipiell angedeutete Hybridantrieb 1 weist eine Brennkraftmaschine 2, eine Elektromaschine 3 und eine Energiespeichereinheit 4, wie z. B. einen elektrochemi­ schen Akkumulator bzw. eine Batterie 4, auf. Dadurch, daß die Bereitstellung der Energie für die Elektroma­ schine 3 bzw. den Elektromotor 3, sowohl aus der Bat­ terie 4 als auch von der Brennkraftmaschine 2 direkt erfolgen kann, ergibt sich ein Freiheitsgrad, welcher für eine Variation von Betriebspunkten erforderlich ist.

Beispielhaft sind noch weitere Komponenten des Hybrid­ antriebs 1 angedeutet, wobei eine Kupplung 5 und Ne­ benverbraucher 6 in Fig. 1 erkennbar sind. Alle Komponenten 2 bis 5 sowie die Nebenverbraucher 6 haben da­ bei einen direkten oder indirekten Einfluß auf den Abtrieb bzw. die Abtriebsleistung an einem symbolisch angedeuteten Rad 7.

Jede der Komponenten 2 bis 5 in dem Hybridantrieb 1 hat einen Wirkungsgrad von < 100% und produziert, so­ bald sie in Betrieb ist, damit Verlustleistung P_v. Die Summe der Verlustleistungen ΣP_v, als primäres Beispiel für ein Verlustleistungsäquivalent bzw. Güte­ funktional des Hybridantriebs 1, ist bei jeder der Komponenten 2 bis 5 von ihrem jeweiligen Betriebszu­ stand abhängig und kann für jede der Komponente 2 bis 5 ermittelt und abgespeichert werden.

Aus den Anforderungen seitens der Fahrleistung am Rad 7 und der Leistung der Nebenverbraucher 6 ergibt sich eine Gesamtleistungsanforderung an den Hybridantrieb 1. Nun wird abhängig vom aktuellen Fahrzustand bzw. der Gesamtleistungsanforderung der gegebene Freiheits­ grad so genutzt, daß die Summe aller im Fahrzeug bzw. in dem Hybridantrieb 1 auftretenden Verlustleistungen P_v minimal wird.

Die Verlustleistung jeder der Komponenten 2 bis 5 wird dazu mittels ihres jeweiligen Betriebszustandes ermit­ telt. In Fig. 1 ist dies durch die dünnen Pfeile 8 bis 12 dargestellt. Sowohl von dem Antrieb bzw. dem Rad 7, als auch von den Nebenverbrauchern 6 wird ein jeweili­ ger Leistungsbedarf bzw. eine Leistungsanforderung A, B erzeugt und unter Berücksichtigung dieser Leistungs­ anforderungen A, B wird unter Variation aller zur Ver­ fügung stehenden Freiheitsgrade die Summe aller Ver­ lustleistungen ΣP_v minimiert. In Fig. 1 ist diese Minimierung durch einen Block 13 "Verlustleistungs­ minimierung" dargestellt. In diesem Block 13 werden anhand der nachfolgend erläuterten Kriterien sämtliche Sollgrößen für die Lasteinstellungen, Übersetzungszu­ ordnungen sowie gegebenenfalls Drehzahlverhältnissen bei Ausgleichsgetrieben für einen optimalen Antriebs­ fall mit minimalen Verlustleistungen P_v ermittelt.

Eine Übertragung dieser Sollgrößen bzw. Steilparameter an einen Block 14 "Stellparameter" ist durch einen Pfeil C angedeutet. Die Stellparameter 14 werden dann durch Aktuatoren automatisch umgesetzt, was durch Pfeile 15, 16, 17 angedeutet wird.

Alternativ dazu können die Stellparameter 14 aus­ schließlich, oder parallel zur Übertragung gemäß dem Pfeil C, durch Kommunikationsmittel an einen Maschi­ nenbetreiber mitgeteilt werden (nicht dargestellt).

Gemäß Fig. 1 beeinflussen die Stellparameter 14 dabei die Vorgabegrößen für eine an sich bekannte Steue­ rungs- bzw. Regelungseinheit (nicht dargestellt) des Hybridantriebs 1, insbesondere der Brennkraftmaschine 2 und des Elektromotors 3. Aas System zur Minimierung der Verlustleistungsäquivalente bzw. die Betriebsstra­ tegie zur Minimierung der Verlustleistungsäquivalente liefert also nur Vorgabewerte (Sollgrößen) für die an sich bekannte Steuerungs- bzw. Regelungseinheit des Hybridantriebs 1.

Je nach Wunsch des Maschinenbetreibers können hier auch nur Teiloptimierungen durchgeführt werden, z. B. wenn der Betreiber bestimmte Stellparameter 14 nicht optimal vorgibt, wie dies z. B. bei einem Sportprogramm für eine höhere Verstelldynamik und ein schnelleres Ansprechverhalten beim Antrieb von Fahrzeugen der Fall sein kann.

Gemäß Fig. 1 erhält man also einen direkten Zusammen­ hang zwischen dem Fahrzustand des Fahrzeugs und Soll­ zustandsgrößen der Brennkraftmaschine 2 und des An­ triebsstrangs. Dieser Zusammenhang kann z. B. in einer Datenmatrix bzw. einem Kennfeld abgespeichert und/oder online ermittelt werden und kann dann als Betriebs­ strategie im Fahrzeug implementiert sein. Ein Teil der Daten kann auch fest abgespeichert sein und dann durch online-Daten ergänzt werden. Darin liegt auch der be­ sondere Wert für den Kfz-Entwickler, da ein gutes Ver­ hältnis zwischen Speicherplatzbedarf und Rechnerkapa­ zität gewählt werden kann.

In Fig. 2 ist nun die prinzipielle Funktionsweise des Blocks 13 "Verlustminimierung" dargestellt, dessen Funktionsweise nachfolgend anhand des Beispiels eines Absinkens des Ladezustands Q_bat der Batterie 4 des Hybridantriebs 1 näher dargestellt werden soll.

Wie bereits eingangs erwähnt, kann es während des Be­ triebs des Antriebssystems vorkommen, daß Zustandsgrö­ ßen 18 des Antriebssystems kritische Werte erreichen. Als Beispiel hierfür kann ein unzulässig niedriger Ladezustand Q_bat der Batterie 4 genannt werden.

Verlassen bestimmte Zustandsgrößen 18 der Batterie 4 ihren idealen Betriebsbereich, so muß die Betriebs­ strategie zu Minimierung der Verlustleistungsäquiva­ lente eine entsprechende Modifikation 19 erfahren, um die Zustandsgrößen 18 wieder in ihren idealen Betriebsbereich zurückzuführen. Ziel der Modifikation 19 ist dabei die Beeinflussung der Steilparameter 14 auf dem durch den Pfeil C angedeuteten Weg, da die Stell­ parameter 14 als Sollgrößen-Vorgabe für die an sich bekannte Regelung bzw. Steuerung einen zumindest indi­ rekten Einfluß auf die Zustandsgrößen 18 haben.

Nachfolgend wird die genaue Vorgehensweise bei der Modifikation 19 der Betriebsstrategie zu Minimierung der Verlustleistungsäquivalente beschrieben. Als Maß für die Effektivität der Modifikation 19 wird außerdem ein Gradmesser, eine sogenannte "zulässige Sensitivi­ tät" S_zul eingeführt.

Ausgehend von einer weiterhin existierenden Verlust­ leistungsminimierung 13 bzw. 13', bedeutet die Modifi­ kation 19 der Betriebsstrategie zur Minimierung der Verlustleistungsäquivalente weg von dem optimalen Be­ triebspunkt zwangsläufig eine Erhöhung der Verluste bzw. der Verlustleistungsäquivalente.

Das Ziel ist jedoch die Minimierung auch dieser zu­ sätzlich durch die Modifikation 19 auftretenden Verlu­ ste. Um die interessierenden Zustandsgrößen 18, welche kritische Werte angenommen haben, wieder in ihren Sollzustand zurückzuführen, müssen deren beeinflussen­ de Stellparameter 14 ermittelt werden. Der beeinflus­ sende Stellparameter 14 für den Ladezustand Q_bat der Batterie 4 ist der Lade- bzw. Entladestrom I_bat der Batterie 4. Der beeinflussende Stellparameter 14 für die Temperatur der Batterie 4 wäre z. B. der Betrag des Lade- bzw. Entladestroms.

Mittels einer Sensitivitätsanalyse 20 wird nun ermittelt, wie sich die oben genannte Modifikation 19 der Betriebsstrategie zu Minimierung der Verlustlei­ stungsäquivalente einerseits auf die zu beeinflussen­ den Steilparameter 14 der interessierenden Zustands­ größen 18 und andererseits auf die Summe der Verlust­ leistungen ΣP_v auswirkt.

Für das Beispiel "Absinken des Ladezustands Q_bat der Batterie 4" bedeutet dies, daß die Batterie 4, welche einen bestimmten Solladezustand besitzt, bei einem beginnenden Absinken des Ladezustands Q_bat der Batte­ rie 4 verstärkt nachgeladen werden muß.

Fig. 2 zeigt also das Ablaufschema der Modifikation 19 der Betriebsstrategie anhand des bekannten Hybridan­ triebs 1. Die Modifikation 19 findet nur dann statt, wenn eine Abfrage 21 der Zustandsgrößen 18 einen kri­ tischen Wert einer dieser Zustandsgrößen 18 ergeben hat. Ist dies nicht der Fall, findet die Verlustmini­ mierung 13' ohne die Modifikation 19 statt, wie dies durch den Pfeil 22 angedeutet wird.

Anderenfalls findet eine Modifikation 19 statt, wobei der Kern der so modifizierten bzw. erweiterten Be­ triebsstrategie weiterhin die eigentliche Verlustmini­ mierung 13' ist. Sie ist weiterhin vom Leistungsbedarf B der Nebenverbraucher 6 und vom aktuellen Fahrzu­ stand, also der Leistunganforderung A an den Hybridan­ trieb 1, abhängig. Die Betriebsstrategie wird dann zur indirekten Regelung des Ladezustands Q_bat der Batte­ rie 4 über die Stellparameter 14 modifiziert. Mittels der Zustandsgrößen 18 bzw. der Batterieeigenschaften 18 und der Verlustminimierung 13' kann die Sensitivi­ tätsanalyse 20 durchgeführt werden. Eine Sensitivität S berechnet sich in diesem Beispiel aus dem Quotienten der Änderungen des Batterieladestroms I_bat und der Änderung der Verlustleistung P_v, zu ΔI_bat/ΔP_v. Dann wird abhängig vom aktuellen Ladezustand Q_bat der Bat­ terie 4 eine zulässige Sensitivität S_zul ausgewählt, wobei diese Auswahl bzw. das Festsetzen der zulässigen Sensitivität S_zul in Fig. 2 durch den Block 23 ange­ deutet wird.

Mittels der Sensitivitätsanalyse 20 und dem zulässigen Sensitivitätswert S_zul erfolgt die Modifikation 19 der Betriebsstrategie. Daraus ergeben sich die modifi­ zierten Stellparameter 14, welche gemäß dem Pfeil C analog zu Fig. 1 verwendet werden.

Fig. 3 zeigt in einem etwas detaillierterem Ablauf­ schema nochmals die Wirkungsweise der Modifikation 19 der Betriebsstrategie. Ein Block "Schnittpunkte" deu­ tet dabei eine Menge 24 von neuen Betriebspunkten an, welche bestimmte, gestellte Anforderungen erfüllen. Die Menge 24 bzw. die darin enthaltenen Punkte werden mittels der nachfolgenden Figuren erläutert.

Anhand von Fig. 4 und Fig. 5 läßt sich die oben be­ schriebene Vorgehensweise näher verdeutlichen. Eine Linie c stellt die Summe aller Verluste ΣP_v bzw. eine Gesamtverlustleistung ΣP_v, in Abhängigkeit der Be­ triebsparameter B_par des Hybridantriebs 1, dar. Haben die Betriebsparameter B_par einen Betriebsparameter­ satz a, so wird die Gesamtverlustleistung ΣP_v mini­ mal. Dies ist der anzustrebende Zustand während des annähernd gesamten Fahrbetriebs und dieser Zustand wird gemäß den vorher beschriebenen Figuren von dem Block 13 bzw. 13' "Verlustminimierung" immer dann an­ gestrebt, wenn kein kritischer Ladezustand Q_bat der Batterie 4 vorliegt und von der Batterie 4 keine Ein­ flüsse auf die Verlustminimierung 13 ausgeübt werden (Pfeil 22), also keine Modifikation 19 der Betriebs­ strategie stattfindet.

Zu dem Betriebsparametersatz a gehört gemäß Linie d in Fig. 5 auch ein bestimmter Batterieladestrom I_bat.

Betrachtet man den Betriebsparametersatz b, so ergibt sich gemäß Linie c in Fig. 4 eine um ΔP_v erhöhte Ge­ samtverlustleistung ΣP_v. Gemäß Linie d erhöht sich allerdings auch der Batterieladestrom I_bat um eine Änderung ΔI_bat. Die Sensitivität S ist in diesem Fall dann ΔIbat/ΔPv.

In Fig. 6 ist die Sensitivität S anhand der Linie h nochmals in Abhängigkeit von den Betriebsparametern B_par dargestellt.

Die Sensitivität S zeigt damit also an, um wieviel sich die Verluste in Bezug auf die Veränderung der interessierenden Stellparameter ändern. Daher könnte man in diesem Fall auch von "Kosten" für eine Be­ triebspunktänderung sprechen.

Bei der Modifikation 19 der Betriebsstrategie zur Mi­ nimierung der Verlustleistungsäquivalente geht man dann folgendermaßen vor: man setzt die zulässigen "Kosten", d. h. die zulässige Erhöhung der Gesamtver­ lustleistung ΣP_v pro Veränderung der die interessie­ renden Zustandsgrößen 18 beeinflussenden Stellparameter 14 fest. Dies geschieht durch das Festsetzen 23 einer bestimmten maximal zulässigen Sensitivität S_zul. Durch das Festsetzen 23 dieser Sensitivität S_zul, sind die "Kosten", d. h. die zusätzlich auftre­ tenden Verluste aufgrund der Veränderung der Betriebs­ strategie, für Betriebspunktänderungen genau vorgege­ ben. Durch das Festsetzen 23 der zulässigen Sensitivi­ tät S_zul ergibt sich im allgemeinen die Menge 24 neu­ er Betriebspunkte für die Stellparameter 14, bei denen sich für eine bestimmte Fahraufgabe eine Sensitivität S einstellt, die kleiner oder gleich der zulässigen Sensitivität S_zul ist (vergleiche auch Fig. 3).

Durch das Festsetzen 23 der zulässigen Sensitivität S_zul ergibt sich im Ausführungsbeispiel die Menge 24 neuer Betriebspunkte bzw. die Betriebsparametersätze e, f, g gemäß Fig. 6 und Fig. 7. Diese Betriebsparame­ tersätze e, f, g haben exakt die zulässige Sensitivi­ tät S_zul. Prinzipiell ist es jedoch auch denkbar, andere Betriebsparametersätze auszuwählen, da diese lediglich eine Sensitivität S aufweisen müssen, welche kleiner oder maximal gleich der zulässigen Sensitivi­ tät S_zul ist.

Für die Modifikation 19 der Betriebsstrategie zur Mi­ nimierung der Verlustleistungsäquivalente wird unter dieser Menge 24 an Betriebsparametersätzen e, f, g nun derjenige Betriebsparametersatz ausgewählt, bei dem die Batterieladestromerhöhung ΔI_bat am höchsten ist.

In Fig. 7 ist die Batterieladestromerhöhung ΔI_bat für die verschiedenen Betriebsparametersätze e, f, g dar­ gestellt. Die Batterieladestromerhöhung ΔI_bat ist für den Betriebsparametersatz f am höchsten. Daher wird für die Modifikation 19 der Betriebsstrategie der Be­ triebsparametersatz a, gemäß Fig. 4 der verlustminima­ le Betriebspunkt (globales Minimum), hin zu dem neuen Betriebsparametersatz f verschoben. In Fig. 4 ist die­ ser Betriebsparametersatz f nicht explizit darge­ stellt. Er sollte sich jedoch vergleichbar dem Be­ triebsparameterpunkt b in Fig. 4 in einem lokalen Mi­ nimum der Summe der Verlustleistungen ΣP_v gemäß der Linie c befinden.

Die Wahl einer relativ hohen zulässigen Sensitivität S_zul bedeutet, daß die zusätzlich auftretenden Ver­ lustleistungen P_v bei der Modifikation 19 der Be­ triebsstrategie ebenfalls relativ hoch sind. Daher muß bei der Modifikation 19 der Betriebsstrategie die zu­ lässige Sensitivität S_zul so klein wie möglich ge­ wählt werden, um auch die zusätzlichen Verluste zu minimieren. Dabei gilt: je weiter die Abweichung der interessierenden Zustandsgröße 18 von ihrem Sollzu­ stand entfernt ist, desto größer muß der Wert für die zulässige Sensitivität S_zul gewählt werden. Über eine exakte Beziehung zwischen der Abweichung der Zustands­ größe vom Sollzustand und einer zulässigen Sensitivi­ tät S_zul ist gewährleistet, daß sich ein minimaler Wert für die zulässige Sensitivität S_zul einstellt und somit die zusätzlich auftretenden Verluste eben­ falls minimal bleiben.

Die genaue Vorgehensweise wird anhand Fig. 8A für die Batterie 4 besser ersichtlich. Dabei hängt die zuläs­ sige Sensitivität S_zul nach einer streng monoton steigenden Funktion k bzw. Linie k von einer Änderung des Ladezustands ΔQ_bat der Batterie 4 ab.

In Fig. 8B und Fig. 8C zeigen die Linien l und m das Ergebnis der Verlustminimierung 13, 13'. Dieses Ergeb­ nis ist für jeden Fahrzustand FZ ein jeweiliges Mini­ mum an Verlustleistung P_v gemäß Linie l. Dazu ergibt sich ein bestimmter Batterieladestrom I_bat gemäß der Linie m.

Die Linie k in Fig. 8A stellt den oben beschriebenen Zusammenhang zwischen Änderung des Ladezustands ΔQ_bat der Batterie 4 und der zulässigen Sensitivität S_zul dar. Bei einer Abweichung des Ladezustands ΔQ_bat der Batterie 4 von i ergibt sich nach der Line k die zu­ lässige Sensitivität S_zul_i. Mittels dieser Sensiti­ vität S_zul_i wird diese Verlustminimierung 13, 13' entsprechend modifiziert und es ergibt sich daraus ein geänderter Verlauf der Gesamtverlustleistung ΣP_v ge­ mäß der Linie n und ein veränderter Batterieladestrom gemäß der Linie o, wie dies aus Fig. 8B und Fig. 8C ersichtlich wird.

Durch die Erhöhung des Batterieladestroms I_bat hat sich auch die Gesamtverlustleistung ΣP_v erhöht. Die Erhöhung der Gesamtverlustleistung ΣP_v ist jedoch strikt auf den Wert der zulässigen Sensitivität S_zul_i beschränkt.

Bei kleiner zulässiger Sensitivität S_zul ist daher die zusätzlich entstehende Verlustleistung P_v mini­ mal. Durch ein Anpassen der Abweichung des Ladezu­ stands ΔQ_bat der Batterie 4 an die zulässige Sensiti­ vität S_zul erreicht man im Mittel eine minimale zu­ sätzliche Erhöhung der Verlustleistung P_v.

Die Linie k gemäß der Fig. 8A ist dabei ein festgeleg­ ter Wert bzw. eine festgelegte Funktion, welche prin­ zipiell streng monoton steigend verlaufen muß. Neben der mittels der Linie k dargestellten Wurzelfunktion der Fig. 8A, könnte der funktionale Zusammenhang zwi­ schen der Abweichung des Ladezustands ΔQ_bat der Bat­ terie 4 und der zulässigen Sensitivität S_zul z. B. auch ein linearer Zusammenhang sein. Grundsätzlich muß die Art der Funktion k jedoch festgelegt werden, da sie nicht zu messen oder über Berechnungen zu generie­ ren ist.

Für die Betriebsstrategie zur Minimierung der Verlust­ leistungsäquivalente kann ein eingesetztes Berech­ nungsverfahren mit Kennfeldern und/oder Algorithmen für die jeweiligen Komponenten 2 bis 5 sowie die Ne­ benverbraucher 6 arbeiten. Es sind für die Minimierung nur einfache Rechenoperationen notwendig, daher ist es möglich, Teiloptimierungen online zu errechnen. Dies spart einerseits eine Menge Speicherplatz. Anderer­ seits können die Kennfelder oder die Konstanten der Algorithmen z. B. durch Sensoranalysen ständig aktuali­ siert werden und zum Beispiel die alterungs-, tempera­ tur- oder durch die Umwelt bedingte Änderung der Kom­ ponenten 2 bis 5 erfaßt und die Betriebsstrategie on­ line mit den ständig aktualisierten Kennfeldern durch­ geführt werden. Eine schnelle Betriebspunktoptimierung bei schnell veränderlichen Rahmenbedingungen wird so­ mit überhaupt erst möglich.

Als zusätzlicher Sonderfall kann das beschriebene Sy­ stem auf vorhersehbare Zyklen angewendet werden. In diesem Fall ist der Energieverbrauch vorhersehbar und daher kann nicht nur eine Verlustleistungsoptimierung, sondern eine Verlustenergieoptimierung durchgeführt werden.

Claims (7)

1. System zur Minimierung der Verlustleistungsäqui­ valente eines Antriebssystems mit mehreren Kompo­ nenten, darunter wenigstens einem Primärenergie­ wandler und wenigstens einer Energiespeicherein­ heit, mit folgenden Merkmalen:

• 1. 1.1 das Antriebssystem weist wenigstens einen Frei­ heitsgrad zu einer Variation eines Betriebs­ punktes wenigstens einer der Komponenten des Antriebssystems auf, wobei die Variation durch eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung des Antriebssystems erfolgt;
• 2. 1.2 verschiedene Zustandsgrößen der Komponenten des Antriebssystems werden unter Berücksichtigung von vorgegebenen Stellparametern geregelt, wo­ bei diese Regelung durch eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung des Antriebssystems auf Basis der Stellparameter als Sollgrößen der Re­ gelung erfolgt;

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. 1.3 der Freiheitsgrad in der Art genutzt wird, daß durch die Variation wenigstens eines der Be­ triebspunkte eine Summe der Verlustlei­ stungsäquivalente (ΣP_v) der Komponenten (2 bis 6) des Antriebssystems (1) bei einer vorgegebe­ nen Anforderung (A, B) zumindest ein lokales Mi­ nimum aufweist;
• 2. 1.4 die Komponenten (2 bis 6) des Antriebssystems (1) auf die Zustandsgrößen (18) hin überwacht werden, wobei eine Einflußnahme auf den mit der jeweiligen Zustandsgröße (18) korrespondieren­ den Stellparameter (14) durch die Variation we­ nigstens eines der Betriebspunkte erfolgt, wenn die jeweilige Zustandsgröße (18) einen kriti­ schen Wert annimmt;
• 3. 1.5 eine Sensitivität (S) ermittelt wird, welche ein Wert dafür ist, wie stark sich die Variati­ on wenigstens eines der Betriebspunkte auf die Stellparameter (14) der jeweiligen Zustandsgrö­ ße (18) und auf die Summe der Verlustlei­ stungsäquivalente (ΣP_v) auswirkt;
• 4. 1.6 aus einer Menge der ermittelten Betriebspunkte mit einer korrespondierenden Sensitivität (S), die kleiner als eine vorgegebene zulässige Sen­ sitivität (S_zul) ist, derjenige Betriebspunkt ausgewählt wird, der die größte Änderung der jeweiligen Zustandsgröße, welche mit dem jewei­ ligen Stellparameter (14) korrespondiert, be­ wirkt und gleichzeitig ein lokales Minimum be­ züglich der Summe der Verlustleistungsäquiva­ lente (ΣP_v) darstellt;
• 5. 1.7 die Komponenten (2 bis 6) mit dem ausgewählten Betriebspunkt betrieben werden und der oder die dadurch veränderte(n) Stellparameter (14) als neue vorgegebene Stellparameter (14) für die Regelung genutzt werden.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensitivität (S) in einem streng monoton steigenden funktionalen Zusammenhang zu wenig­ stens einer der Zustandsgrößen (18) wenigstens einer der Komponenten (2 bis 6) des Antriebssy­ stems (1) steht.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene zulässige Sensitivität (S_zul) möglichst minimal vorgegeben wird.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlustleistungsäquivalente die Verlustlei­ stungen (P_v) der Komponenten (2 bis 6) des An­ triebssystems (1) sind, während die Anforderung die Leistungsanforderung (A, B) an das Antriebssy­ stem (1) darstellt.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebssystem ein Hybridsystem (1) mit dem Primärenergiewandler (2), wenigstens einer Elek­ tromaschine (3) und wenigstens einem elektroche­ mischen Energiespeicher (4) darstellt.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Primärenergiewandler eine Brennkraftmaschine (2) aufweist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärenergiewandler eine Brennstoffzelle (2) aufweist.