SE535514C2 - Energistyrsystem och metod för ett hybridfordon - Google Patents

Description

535 514 2 energi till en elmotor som förflyttar fordonet. När stora kvantiteter energi behövs, tar motom energi både från batteri och generator.

I parallellhybridfordon är förbränningsmotom och en elmaskin, som används både som generator och motor, mekaniskt kopplade via motoraxel. Ett exempel på ett parallellhybridsystem visas i figur 2. Kopplingen kan placeras mellan förbränningsmotorn och elmaskinen, vilket gör det möjligt att driva fordonet enbart elektriskt. Eftersom fórbränningsmotom och elmotorn roterar med exakt samma hastighet (när kopplingen är tillslagen), kompletterar de varandra och arbetar parallellt.

Då hybridsystem skall implementeras för bussar är det ofta ett seriehybridsystem som används. En stadsbuss gör många inbromsningar till stopp per dag.

En viktig aspekt för att spara energi är att ta till vara så stor del som möjligt av energin som regenereras under inbromsningen. För att kunna ta emot den regenererade energin måste det finnas plats i energilagret.

Detta innebär att man i god tid bör sänka energinivån i energilagret innan inbromsningen inleds.

Enligt de system som används idag vet man inte hur lång tid/ sträcka det är till nästa hållplats och då kan det inträffa att man laddar ur energilagret för långsamt vilket innebär att man inte hinner göra plats för energin som förväntas komma in i energilagret under nästa inbromsning. Vid acceleration enligt den körteknik som ofta används idag töms energilagret snabbt vilket resulterar i att de inre resístiva förlustema blir stora. En anledning till detta är att man vill vara säker på att energilagret är på en förutbestämd låg nivå då en kommande retardationsfas skall påbörjas, dvs. så att det finns tillräckligt lagringsutrymme för den energi som genereras då.

För bussar används företrädesvis s.k. superkondensatorer för energilagring. Fördelen med en kondensator framför ett batteri är att den tål ett stort antal upprepade urladdningar på kort tid, vilket ofta är tillämpligt för bussar.

För ett energilager (kondensatorer, batterier, etc.) gäller generellt: U = C x Q, där U är spänning, C kapacitans och Q laddning. 10 15 20 25 30 535 514 P = U X I där P är effekten och I är strömstyrkan. mm=RxF där Ploss är effektförlusten i energilagret och R den inre resistansen.

Således ökar effektförlustema för energilagret med kvadraten på strömmen, vilket innebär att ett stort strömuttag, tex. under en accelerationsfas, är negativt ur ett energiperspektiv.

Följande patentdokument avser olika system och anordningar inom området regenerering av energi för hybridfordon.

US-6,4l4,40l avser ett styrsystem avseende regenerering av energi i ett hybridfordon så att tillräckligt mycket energi kan lagras vid regenerering under retardation av fordonet.

US-2007/0018608 avser en anordning för styrning av laddningen av ett batteri i ett hybridfordon för att kunna begränsa laddningsmängden som laddar batteriet under regenereringsfasen. Även US-7,242,159 avser en anordning för att styra laddningen av batteri och/eller kondensatorer i ett hybridfordon.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en förbättrad och mera optimal energianvändning för ett hybridfordon, speciellt för att hålla nere de inre resistiva förlustema i kondensatorema/batteriema.

Sammanfattning av uppfinningen Ovan nämnda syfte åstadkommes med uppfinningen definierad av de oberoende patentkraven.

Föredragna utföringsformer definieras av de beroende patentkraven.

Uppfinningen avser ett energistyrsystem för ett hybridfordon med åtminstone en elmaskin och en förbränningsmotor och minst ett uppladdningsbart energilager, där systemet 10 15 20 25 30 535 514 4 innefattar en styrenhet och en laddningsnivåmätare anpassad att mäta laddningsnivån fór energilagret. Styrenheten omfattar en beräkningsenhet som är anpassad att beräkna, vid en tidpunkt to, bland annat baserat på nuvarande hastighet och fordonets vikt, en tidpunkt t1 som anger starten för en retardationsfas under vilken fordonet bromsas för att stanna vid en förutbestämd position P, varvid styrenheten är anpassad att styra uttaget av energi från energilagret under tidsperioden to till t1 så att laddningsnivån för energilagret vid tidpunkten t] är under en förutbestämd låg laddningsnivå QL.

Uppfinning avser även en metod i ett energistyrsystem fór ett hybridfordon där systemet innefattar en styrenhet och en laddningsnivåmätare anpassad att mäta laddningsnivån för energilagret. Metoden omfattar att: A) beräkna, vid en tidpunkt tg, bland annat baserat på nuvarande hastighet och fordonets vikt, en tidpunkt t; som anger starten för en retardationsfas under vilken fordonet bromsas fór att stanna vid en förutbestämd position P, B) styra uttaget av energi från energilagret under tidsperioden to till t] så att laddningsnivån för energilagret vid tidpunkten t; är på en förutbestämd låg laddningsnivå QL.

Enligt en viktig aspekt för uppfinningen beräknas eller bestäms avståndet till nästa hållplats till exempel från påbyggarens/operatörens utropssystem, tex. ett så kallat buss- PC-system eller liknande system, altemativt räknas avståndet ut med hjälp av information från buss-PCn om hur långt det är mellan de två aktuella busstoppen. Information från GPS eller liknande skulle också kunna användas.

Med användning av föreliggande uppfinning kommer man att kunna sänka energilagernivån snabbare eller annorlunda, än vad man annars hade valt att göra, inför en busshållplats för att få plats för den del av fordonets rörelse- och lägesenergi som man förväntar sig att man vill föra upp i energilagret.

Således, genom att veta avståndet till nästa planerade stopp vid hållplats och fordonets hastighet kan man beräkna när retardationsfasen påbörjas. Därigenom vet man också när laddningsnivån måste vara nere på en förutbestämd låg nivå. Att ett stopp vid en hållplats 10 15 20 25 30 535 514 5 verkligen blir av vet man först då någon tryckt på stoppknappen och det är vid denna tidpunkt som beräkningarna görs.

Kort ritningsbeskrivning Figur 1 illustrerar schematiskt ett seriehybridsystem för ett fordon.

Figur 2 illustrerar schematiskt ett parallellhybridsystem för ett fordon.

Figur 3 är ett blockschema som illustrerar föreliggande uppfinning.

Figur 4 är ett flödesdiagram som illustrerar föreliggande uppfinning.

Figur 5 visar tidsdiagram som illustrerar föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer av uppfinningen Med hänvisning till figur 3, som visar ett blockschema illustrerande föreliggande uppfinning, kommer nu denna att beskrivas i detalj.

Uppfinning avser alltså ett energistyrsystem för ett hybridfordon, där hybridfordonet omfattar åtminstone en elmaskin, åtminstone en förbränningsmotor och åtminstone ett uppladdningsbart energilager.

Hybridfordonet kan vara ett serie- eller parallellhybridsystem eller en kombination av dessa.

Energistyrsystemet innefattar en styrenhet, och en laddningsnivåmätare anpassad att mäta laddningsnivån för energilagret.

Styrenheten omfattar i sin tur en berälmingsenhet som är anpassad att beräkna, vid en tidpunkt to, bland annat baserat på nuvarande hastighet och fordonets vikt, en tidpunkt t1 som anger starten för en retardationsfas under vilken fordonet bromsas för att stanna vid en förutbestämd position P (se figur 5).

Figur 5 visar tidsdiagram som illustrerar föreliggande uppfinning. Överst i figur 5 visas ett fordon, i detta fall en buss, som befinner sig mellan hållplatsema PA och PB.

Sedan finns två tidsdiagram som visar hur laddningsnivån Q för energilagret varierar för fordonet längs sträckan visad överst i figuren. Det översta tidsdiagrammet illustrerar schematiskt hur laddningsnivån varierar enligt en idag vanligt förekommande modell, 10 15 20 25 30 535 514 6 medan den nedersta tidsdiagrammet illustrerar hur laddningsnivån varierar fór energilagret i ett fordon med användning av energistyrsystemet enligt föreliggande uppfinning.

Under retardationsfasen (RET.) höjs laddningsnivån från en låg nivå QL, som i figuren är ca. 25% av maximal laddningsnivå, med hjälp av den energi som regenereras. Denna del av laddningskurvan överensstämmer fór de båda visade fallen. Under accelerationsfasen (ACC.) kan laddningsnivån exempelvis sänkas enligt det som illustreras i det översta tidsdiagrammet, dvs. det sker ett högt energiuttag från energilagret.

För att minska de inre fórlustema för energilagret är styrenheten, enligt en föredragen utföringsforrn, anpassad att styra energiuttaget från energilagret under accelerationsfaser fór fordonet så att de inre förlusterna för energilagret minimeras. Detta illustreras i det understa diagrammet i figur 5 genom att laddningsnivån mellan PA och A1 (betecknar slutet på accelerationsfasen) ligger kvar på en hög nivå.

Vid tidpunkten to erhåller beräkningsenheten en indikering att fordonet skall stanna vid positionen PB. Indikeríngen kan till exempel utgöras av att någon trycker på stoppknappen i bussen och en stoppsignal genereras som påfórs styrenheten.

Beräkningsenheten beräknar då som nämnts ovan, bland annat baserat på nuvarande hastighet och fordonets vikt, en tidpunkt t; som anger starten fór en retardationsfas under vilken fordonet bromsas fór att stanna vid en förutbestämd position P och att styrenheten är anpassad att styra uttaget av energi från energilagret under tidsperioden tO till t] så att laddningsnivån fór energilagret vid tidpunkten t; är under en förutbestämd låg laddningsnivå QL. Detta fiamgår tydligt från den understa figuren där laddningsnivån sjunker ned till en låg nivå QL.

Enligt en utfóringsforrn ligger den låga laddningsnivån QL i intervallet 20-35% av energilagrets maximala laddningsnivå. En fóredragen nivå är 25% vilket också angetts i figur 5.

Under tidsperioden fram till retardationsfasens början, vid positionen A2, prioriteras uttag från energilagret så att laddningsnivån sänks till den låga laddningsnivån QL. Detta sker i första hand genom att elmaskinen utnyttjas fór att driva fordonet, men energin kan även l0 15 20 25 30 535 514 7 tänkas användas till annat, till exempel kan det vara mer fördelaktigt att köra hjälpsystem, etc. under den perioden.

Enligt en föredragen utföringsform är styrenheten anpassad att styra energiuttaget under accelerationsfaser för fordonet så att energiuttag från rörbränningsmotorn prioriteras framför energiuttag från elmaskinen.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsfonn är styrenheten anpassad att styra energiuttaget från energilagret under accelerationsfasen för fordonet så att lågt energiuttag från energilagret sker och att laddningsnivån vid slutet av accelerationsfasen ligger över en förutbestämd hög laddningsnivå Qn.

Enligt en utföringsforrn ligger den förutbestämda höga laddningsnivån QH i intervallet 70- l00% av energilagrets maximala laddningsnivå. En föredragen nivå är 80% vilket också angetts i figur 5.

Under retardationsfasen laddas sedan energilagret.

Nivåema i procent för QL och QH är svåra att ange med värden eftersom de beror på fordonets aktuella hastighet, vikt, energilagerstorlek och hybridkomponenternas prestanda.

För ett fordon där energilagerstorleken och prestanda är konstant återstår ändå aktuell hastighet och vikt vid bestämmandet av QL och QH.

T.ex. om fordonet accelereras upp till en hastighet x måste vi se till att det finns plats i energilagret för den rörelseenergi som är möjlig att regenerera när föraren påbörjar sin bromsning till stopp. Om hastigheten ökas till 2x ökas rörelseenergin med en faktor 4 och således behövs mer plats i energilagret när föraren påböij ar sin bromsning till stopp. Det år dock inte givet att det är 4 gånger så mycket plats vi ska ha i energilagret eñersom komponenter kan vara effektbegränsade så att vi inte har möjlighet att regenerera all extra rörelseenergi.

I ett fall då energilagret är tämligen litet, innebär det att procentgränsema ändras snabbt med tex. ändrad hastighet. Redan vid en inbromsning från 40 km/h krävs att energinivån 10 15 20 25 30 535 514 8 är ca 25% för att vi ska kunna ta hand om all energi som går att regenerera. Om hastigheten "bara" är 20 km/h, vilket inte är en orimlig marschhastighet fór en stadsbuss i tät stadstrañk, är ju enligt resonemanget ovan rörelseenergin endast en fjärdedel av rörelseenergin i 40 km/h. I dessa fall är gränsen för QL snarare 80% eftersom det inte är mer energi som kan regenereras vid inbromsningen. Om energilagemivån då skulle vara 25% ligger vi alldeles fór låg och energilagemivå skulle bli ca 40% när fordonet stod stilla.

De intervall som har angivits för QL och Qn är att betrakta som föredragna exempel som angivits i illustrativt syfte, men generellt gäller att QL och QH beräknas utifrån bl.a. fordonshastigheten resp. fordonsmassan enligt ovan resonemang.

Styrenheten innefattar, enligt en töredragen uttöringsform, en minnesenhet där förutbestämda positioner fór fordonsstopp, t.ex. hållplatser, finns lagrade, till exempel i form av en elektronisk karta. Positionen för fordonet i förhållande till hållplatsema kan sedan enkelt bestämmas eftersom tid och hastighet fór fordonet är kända. Altemativt kan olika typer av positioneringssystem användas, t.ex. GPS, där fordonets nuvarande position, erhållen via GPS, kan mappas mot en elektronisk kartbild, och avståndet till nästa hållplats kan då beräknas.

Som nämnts ovan utgörs energilagret, företrädesvis av en eller flera kondensatorer, ofta används så kallade superkondensatorer.

Uppfmning omfattar också en metod i ett system för ett hybridfordon med en elmaskin, en förbränningsmotor och ett uppladdningsbart energilager, där systemet innefattar en styrenhet, och en laddningsnivåmätare anpassad att mäta laddningsnivån fór energilagret.

Med hänvisning till figur 4 omfattar metoden att: A) beräkna, vid en tidpunkt to, bland annat baserat på nuvarande hastighet och fordonets vikt, en tidpunkt t1 som anger starten fór en retardationsfas under vilken fordonet bromsas för att stanna vid en förutbestämd position P, B) styra uttaget av energi från energilagret under tidsperioden to till t; så att 10 15 20 25 30 535 514 9 laddningsnivån för energilagret vid tidpunkten t] är under en förutbestämd låg laddningsnivå QL.

Enligt en variant genomförs steg A om en stoppsignal mottagits som indikerar en begäran att fordonet skall stanna. Beräkningen som genomförs i steg A görs företrädesvis kontinuerligt, alltså inte som en konsekvens av till exempel en knapptryckning och det värde på t1 används, som föreligger vid knapptryckningen, dvs. vid tidpunkten to.

Sedan laddas energilagret under retardationsfasen.

Vidare styrs, företrädesvis, energiuttaget från energilagret under en accelerationsfas för fordonet så att de inre förlustema för energilagret minimeras. Detta kan till exempel ske genom att, under en accelerationsfas, styra energiuttaget för fordonet så att energiuttag från förbränningsmotorn prioriteras framför energiuttag från elmaskinen. Mera specifikt kan detta ske genom att energíuttaget från energilagret styrs så att lågt energiuttag från energilagret sker under accelerationsfasen och att laddningsnivån vid slutet av accelerationsfasen ligger över en förutbestämd hög laddningsnivå QH.

I det följ ande ges ett exempel på en tillämpning av föreliggande uppfinning bland annat med hänvisning till figur 5.

En av busshållplatsema i figur 5 ligger vid positionen PB. Antag att föraren bromsar någorlunda jämt vid alla inbromsningar till stopp och att den minsta gränsen för normala retardationer ges av A2, dvs. tidigast vid den positionen måste fordonet börja bromsa för att ínbromsningen skall uppfylla kraven på komfort för passagerama. Det finns en maximalt tillåten retardation under retardationsfasen som bestämts bland annat med hänsyn till förar- och passagerarkomfort. Denna ligger ungefär i storleksordningen 2 m/sz.

Med retardationsgränsen enligt ovan kan den minsta förväntade sträckan från början av bromsning till stopp räknas ut för den aktuella hastigheten, dvs. sträckan bussen hinner mellan to och ti. Tiden man har på sig för att göra plats för mer energi, alltså t|-t0, blir då sträckan som är kvar dividerad med aktuell hastighet. 10 15 20 535 514 10 Fördelen med lösningen enligt uppfinningen är att man i vissa körfall kan spara mer bränsle genom att man cyklar ur mer energi ur energilagret. Genom att veta hur lång tid det är till bromsningen inför en hållplast startar, vet man bättre hur mycket tid man har på sig för att göra plats för energin. Även om stoppknappen inte trycks in genomförs företrädesvis beräkningarna så att uttaget av energi sker på sådant sätt att laddningsnivån är på en förutbestämd låg nivå då en retardation eventuellt påbörjas, till exempel då det står folk vid hållplatsen som skall åka med bussen.

Med en ändrad körstrategi under accelerationsfasen, som innebär att man under accelerationsfasen inte utnyttjar energilagret maximalt utan istället låter förbränningsmotom arbeta, kommer de intema effekttörlustema i energilagret (kondensatom/batteriet) att bli lägre jämfört med fallet då elmaskinen utnyttjas maximalt under accelerationsfasen, vilket innebär att ett mera energieffektivt system åstadkommes.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till ovan-beskrivna föredragna utföringsforrner.

Olika alternativ, modifieringar och ekvivalenter kan användas. Ovan utfóringsforrner skall därför inte betraktas som begränsande uppfinningens skyddsomfång vilket definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (13)

10 15 20 25 30 535 514 ll Patentkrav

1. Energistyrsystem för ett hybridfordon med åtminstone en elmaskin och en förbränningsmotor och minst ett uppladdningsbart energilager, där systemet innefattar en styrenhet, och en laddningsnivårnätare anpassad att mäta laddningsnivån för energilagret, varvid styrenheten omfattar en beräkníngsenhet som är anpassad att beräkna, vid en tidpunkt to, bland annat baserat på nuvarande hastighet och fordonets vikt, en tidpunkt t; som anger starten fór en retardationsfas under vilken fordonet bromsas för att stanna vid en förutbestämd position P, k ä n n e t e c k n a d a v att styrenheten år anpassad att styra uttaget av energi från energilagret under tidsperioden to till t; så att laddningsnivån för energilagret vid tidpunkten t; är under en förutbestämd låg laddningsnivå QL, vidare är styrenheten anpassad att mottaga en stoppsignal som indikerar en begäran av en förare eller en passagerare att fordonet skall starma och att beräkningen av tidpunkten t; sker då stoppsignalen mottagits.

2. Energistyrsystem enligt krav l, varvid styrenheten är anpassad att styra energiuttaget från energilagret under en accelerationsfas för fordonet så att de inre förlusterna för energilagret minimeras.

3. Energistyrsystem enligt något av kraven 1-2, varvid styrenheten är anpassad att styra energiuttaget under en accelerationsfas för fordonet så att energiuttag från förbränningsmotom prioriteras framför energiuttag från energilagret.

4. Energistyrsystem enligt något av kraven 1-3, varvid styrenheten är anpassad att styra energiuttaget från energilagret under en accelerationsfas för fordonet så att lågt energiuttag från energilagret sker och att laddningsnivån vid slutet av accelerationsfasen ligger över en förutbestämd hög laddningsnivå QH.

5. Energistyrsystem enligt något av kraven 1-4, varvid energilagret uppladdas under retardationsfasen.

6. Energistyrsystem enligt något av kraven 1-5, varvid styrenheten innefattar en lO 15 20 25 30 535 514 12 minnesenhet där förutbestämda positioner för fordonsstopp finns lagrade,

7. Energistyrsystern enligt något av kraven 1-6, varvid nämnda energilager innefattar en eller flera kondensatorer.

8. System enligt krav 6, varvid nämnda förutbestämda låga laddningsnivå QL och höga laddningsnivå QH beräknas utifrån bl.a. fordonshastigheten och fordonsmassan.

9. Metod i ett energistyrsystem för ett hybridfordon med en elmaskin, en förbränningsmotor och ett uppladdningsbart energilager, där systemet innefattar en styrenhet, och en laddningsnivåmätare anpassad att mäta laddningsnivån för energilagret, innefattande steget att A) beräkna, vid en tidpunkt to, bland annat baserat på nuvarande hastighet och fordonets vikt, en tidpunkt t; som anger starten för en retardationsfas under vilken fordonet bromsas för att stanna vid en förutbestämd position P, kännetecknad av attmetodenomfattaratt B) styra uttaget av energi från energilagret under tidsperioden to till t, så att laddningsnivån för energilagret vid tidpunkten tt är under en förutbestämd låg laddningsnivå QL, vidare genomförs steg A om en stoppsignal mottagits som indikerar en begäran av en förare eller passagerare att fordonet skall stanna.

10. Metod enligt krav 9, varvid energiuttaget från energilagret under en accelerationsfas för fordonet styrs så att de inre förlusterna för energilagret minimeras.

11. 1 1. Metod enligt något av kraven 9-10, varvid energiuttaget under en accelerationsfas för fordonet styrs så att energiuttag från förbränningsmotom prioriteras framför energiuttag fiån energilagret.

12. Metod enligt något av kraven 9-l 1, varvid energiuttaget från energilagret under en accelerationsfas för fordonet styrs så att lågt energiuttag från energilagret sker och att laddningsnivån vid slutet av accelerationsfasen ligger över en förutbestämd hög laddningsnivå QH. 535 514 IB

13. Metod enligt något av kraven 9-12, varvid energilagret uppladdas under retardationsfasen.