WO2007000362A1

WO2007000362A1 - Fahrzeug mit hybridantrieb und verfahren zum betrieb eines solchen fahrzeugs

Info

Publication number: WO2007000362A1
Application number: PCT/EP2006/061895
Authority: WO
Inventors: Richard Aumayer; Karsten Mann
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2007-01-04
Also published as: DE102005029836A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug (2) mit einem Hybridantrieb, der einen Verbrennungsmotor (4) und mindestens eine Elektromaschine (6) umfasst, sowie mit einer Antriebsbatterie (22) zur Speisung der im Motorbetrieb arbeitenden Elektromaschine (6) und zur Wiederaufladung durch die im Generatorbetrieb arbeitende Elektromaschine (6). Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Fahrzeugs. Es ist vorgesehen, dass die Antriebsbatterie (22) eine leistungsoptimierte Batterie (18) und eine energieoptimierte Batterie (20) umfasst, von denen in Abhängigkeit von einem augenblicklichen Betriebszustand des Fahrzeugs (2) entweder die energieoptimierte Batterie (18) oder die leistungsoptimierte Batterie (20) zur Speisung der Elektromaschine (6) eingesetzt bzw. von dieser wieder aufgeladen wird.

Description

Fahrzeug mit Hybridantrieb und Verfahren zum Betrieb eines solchen Fahrzeugs

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einem Hybridantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Stand der Technik

Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb besitzen neben einer Verbrennungskraftmaschine mindestens eine Elektromaschine, die mit einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs koppelbar ist, eine Antriebsbatte- rie, aus der die Elektromaschine im Motorbetrieb die benötigte elektrische Energie entnimmt und die von der Elektromaschine im Generatorbetrieb wieder aufgeladen wird, sowie eine zur Regelung der Entlade- und Aufladezyklen der Antriebsbatterie dienende Batteriesteuerung, die eine Überschreitung vorgegebener Grenzwerte des Ladezustandes bzw. Ladestroms der Antriebsbatterie verhindern soll. Neben der zumeist als NiMH-Batterie ausgebildeten Antriebsbatterie weisen Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb in der Regel noch eine weitere, als Blei-/Säure-Batterie ausgebildete Batterie zur Versorgung ihres 12 V-Bordnetzes auf. Bei der Auslegung von Batterien ist allgemein entweder eine Optimierung in Richtung Energie oder in Richtung Leistung möglich, da für jede Richtung bestimmte Maßnahmen erforderlich sind, die eine gleichzeitige Optimierung in der anderen Richtung erschweren. Es wird daher zumeist ein Kompromiss gewählt, der sowohl eine gewisse Energie- und Leistungsoptimierung ermöglicht. Solche Kompromisse sind jedoch nur in einem begrenzten Ausmaß möglich, da die Lebensdauer der Batterien unter den jeweils vorgegebenen Betriebsbedingungen von den verwendeten Konstruktionsparametern der Batterien, wie Elektrodenmaterial, Elektrodenfläche und Gewicht beeinflusst wird. Bei zentralen Antriebsbatterien von Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb sind zudem der Stromaufnahme bei der Wiederaufladung (Rekuperation) enge Grenzen gesetzt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Fahrzeug mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass durch die Verwendung einer Antriebsbatterie aus einer energieoptimierten und einer leistungsoptimierten Batterie eine Optimierung des Gesamtsystems sowohl in Richtung Energie als auch in Richtung Leistung ermöglicht wird. Außerdem wird auch die Auslegung des Gesamtsystems vereinfacht, wenn dieses zwei Batterien umfasst, bei denen jeweils nur ein einziges Optimierungskriterium, d.h. Leistung oder Energie, berücksichtigt werden muss. Darüber hinaus besteht ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Fahrzeugs darin, dass die Lebensdauer der Antriebsbatterie verlängert werden kann.

Als energieoptimierte Batterie wird im Rahmen dieser Erfindung ein hinsichtlich seines Energiespeichervermögens optimiertes robustes elektrochemisches System mit relativ wenigen aber dicken Elektrodenplatten, einem verhältnismäßig großen Energieinhalt aber einer begrenzten Anzahl von möglichen Ladezyklen bezeichnet, das bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug vorzugsweise von einer NiMH- Batterie gebildet wird, während als leistungsoptimierte Batterie ein hinsichtlich seiner Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe optimiertes kondensatorähnliches System mit großer Elektrodenfläche, einer im Verhältnis größeren Energiedichte und einer sehr viel höheren Anzahl von möglichen Ladezyklen bezeichnet wird, das bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug vorzugsweise von einer Supercap- Batterie gebildet wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Fahrzeug eine Batteriesteuerung umfasst, die in Abhängigkeit von einem augenblicklichen Betriebszustand des Fahrzeugs und/oder vom jeweiligen Ladezustand entweder die leistungsoptimierte Batterie oder die energieoptimierte Batterie mit der Elektromaschine verbindet, um diese letztere im Motorbetrieb zu speisen bzw. im Generatorbetrieb die mit der Elektromaschine verbundene Batterie aufzu- laden.

Dazu werden entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren Verteilungsregeln aufgestellt, d.h. Regeln, mit denen für den Betrieb des Fahrzeugs mit Hybridantrieb festgelegt wird, unter welchen Bedin- gungen die leistungsoptimierte Batterie bzw. die energieoptimierte Batterie wiederaufgeladen bzw. zur Speisung der Elektromaschine eingesetzt werden soll, wobei neben dem augenblicklichen Ladezustand der Batterien, wie bei herkömmlichen Hybridfahrzeugen, vor allem die von der Elektromaschine benötigte bzw. erzeugte Leistung als Verteilungskriterium herangezogen wird. - A -

In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei vorgesehen, dass von der Elektromaschine immer dann die leistungsoptimierte Batterie aufgeladen wird, wenn die Geschwindig- keit des Fahrzeugs einen vorbestimmten Wert übersteigt, der vorzugsweise bei etwa 50 km/h liegt, und das Fahrzeug bei dieser Geschwindigkeit unter Rückgewinnung von elektrischer Energie abgebremst wird. Da die kinetische Energie des Fahrzeugs mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs steigt, wird beim Bremsen des mit ho- her Geschwindigkeit fahrenden Fahrzeugs in kurzer Zeit viel elektrische Energie erzeugt, die von der leistungsoptimierten Batterie problemlos aufgenommen werden kann, während eine Zufuhr in die e- nergieoptimierte Batterie infolge eines übermäßig hohen Ladestroms oder einer übermäßig hohen Änderung des Ladezustands zu einer Verminderung der Lebensdauer führen könnte.

Um andererseits jedoch auch das große Energiespeichervermögen der energieoptimierten Batterie optimal auszunutzen, wird diese immer dann aufgeladen, wenn beim Abbremsen des Fahrzeugs die Dauer des Bremsvorgangs eine vorbestimmte Zeit übersteigt und damit der anfänglich hohe Energiefluss auf ein Niveau abgesunken ist, das weder zu einem übermäßig hohen Ladestrom noch zu einer übermäßigen Änderung des Ladezustands der energieoptimierten Batterie führt. Die vorbestimmte Zeit kann entweder eine festgelegte Zeitspanne sein, die zum Beispiel etwa 3 Sekunden beträgt, kann jedoch alternativ auch von der Ausgangsgeschwindigkeit zu Beginn des Bremsvorgangs abhängig sein, wobei sie bei einer hohen Ausgangsgeschwindigkeit länger und bei einer niedrigeren Ausgangsgeschwindigkeit kürzer ist. Was die Stromversorgung der im Motorbetrieb arbeitenden Elektro- maschine angeht, so wird diese vorzugsweise bei normalen Belastungen aus der energieoptimierten Batterie und bei kurzzeitigen hohen Belastungen aus der leistungsoptimierten Batterie gespeist, zum Beispiel indem die Stromaufnahme der Elektromaschine im Motorbetrieb gemessen und bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromwerts die Elektromaschine mit der leistungsoptimierten Batterie verbunden wird.

Allgemein wird die energieoptimierte Batterie im normalen zyklischen Fahrbetrieb des Fahrzeugs, das heißt bei den im Stadtverkehr üblichen Geschwindigkeiten von maximal 50 bis 60 km/h, mit der energieoptimierten Batterie verbunden sein, da unter diesen Bedingen kaum Betriebszustände auftreten, durch die ihre Lebensdauer infolge eines übermäßigen Lade- oder Entladestroms oder infolge einer Veränderung ihres Ladezustands von mehr etwa +/- 5 % beeinträchtigt werden kann.

Selbstverständlich wird mindestens die energieoptimierte Batterie ähnlich wie bei konventionellen Hybridfahrzeugen auch immer dann wieder aufgeladen, wenn ihr Ladezustand einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet, woraufhin die Elektromaschine im Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine als Generator betrieben werden kann, um die von ihr erzeugte elektrische Energie in die e- nergieoptimierte Batterie zuzuführen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen werden, dass die leistungsoptimierte Batterie zur Wiederaufladung der energieoptimierten Batterie dient, indem aus der leistungsoptimierten Batterie ein begrenzter Ladestrom in die energieoptimierte Batterie zugeführt wird, wenn der Ladezustand der letzteren einen vorbestimmten Wert unterschreitet und ggf. der Ladezustand der ersteren einen vorbestimmten Wert übersteigt.

Durch die vorgenannten Maßnahmen können die beiden Batterien in der Nähe des Optimums ihrer Ladestromaufnahme betrieben werden, wobei bei einer zyklischen Belastung die leistungsoptimierte Batterie die energieoptimierte Batterie vorzugsweise derart unterstützt, dass die Änderung des Ladezustands der letzteren vorzugs- weise immer kleiner als maximal +/- 5 % bleibt.

Durch den Einsatz der preiswerteren leistungsoptimierten Batterie kann zudem die teurere energieoptimierte Batterie geschont werden, wenn im Falle hoher Energieflüsse, wie bei einer Hochstromentla- düng oder einer Hochstromwiederaufladung, die leistungsoptimierte Batterie von der Batteriesteuerung mit der Elektromaschine verbunden wird.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit Hybridantrieb;

Figur 2 eine schematische Ansicht der Betriebsspannungen verschiedener Komponenten des Kraftfahrzeugs aus Figur 1. Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in Figur 1 dargestellte Kraftfahrzeug 2 besitzt einen Hybridantrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine 4 und einer Elektroma- schine 6, die in bekannter Weise über ein Getriebe 8 mit einer Antriebsachse 10 des Kraftfahrzeugs 2 koppelbar sind. Während die Verbrennungskraftmaschine 4 über eine Kraftstoffleitung 12 mit einem Kraftstofftank 14 verbunden ist, ist die Elektromaschine 6 über einen Wechselrichter 16 wahlweise entweder mit einer energieopti- mierten Batterie 18 oder einer leistungsoptimierten Batterie 20 verbindbar, die gemeinsam eine Antriebsbatterie 22 des Kraftfahrzeugs 2 bilden. Das Kraftfahrzeug 2 umfasst weiter ein Motorsteuergerät 24, das die Verbrennungskraftmaschine 4 steuert, sowie eine Batteriesteuerung 26, die in Abhängigkeit von einem augenblicklichen Be- triebszustand des Kraftfahrzeugs 2 und/oder von einem jeweiligen Ladezustand der Batterien 18, 20 über den Wechselrichter 16 entweder die energieoptimierte Batterie 18 oder die leistungsoptimierte Batterie 20 mit der Elektromaschine 6 verbindet. Eine übergeordnete Steuerung 28 steuert das Zusammenwirken der Verbrennungskraft- maschine 4 und der Elektromaschine 6, das heißt welche der beiden Maschinen 4, 6 gerade als Antrieb für das Kraftfahrzeug 2 eingesetzt wird, und legt im Zusammenwirken mit der Batteriesteuerung 26 fest, ob die Elektromaschine 6 im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben wird. Das Kraftfahrzeug 2 umfasst weiter eine Blei-/Säure-Batterie 30, die über einen Gleichspannungstransformator 32 von der energieoptimierten Batterie 18 wiederaufgeladen wird.

Wie am besten in Figur 2 dargestellt, werden elektrische Komponenten des Kraftfahrzeugs 2 mit einer von drei verschiedenen Gleich- Spannungen betrieben, nämlich mit 14 V, 42 V oder > 250 V. Die zu- erst genannte Spannung von 14 V stellt die Nennspannung der Blei- /Säure-Batterie 30 und eines von dieser gespeisten Bordnetzes des Kraftfahrzeugs 2 dar, während es sich bei der zuletzt genannten Spannung um die Nennspannung der aus einer NiMH-Batterie be- stehenden energieoptimierten Batterie 18 bzw. der aus einer Super- cap-Batterie bestehenden leistungsoptimierten Batterie 20 handelt.

Während für eine Beleuchtung 34 des Kraftfahrzeugs, für Stellmotoren 36 von Fensterhebern, Außenspiegeln, Schiebedächern oder dergleichen, für Multimediageräte 38 und für Steuergeräte, wie das Motorsteuergerät 24, die Batteriesteuerung 26 und die Steuerung 28, eine Betriebsspannung von 14 V vorgesehen ist, die von der Blei- /Säure-Batterie 30 bereitgestellt wird, können Elektromotoren 40 von Pumpen, Lüftern oder Scheibenwischern entweder mit einer Be- triebsspannung von 14 V oder mit einer Betriebsspannung von 42 V betrieben werden, die mittels des Transformators 32 aus der Spannung von > 250 V erzeugt wird, wobei der Strom wegen der mäßigen Stromstärken entsprechend dem augenblicklichen Bedarf von der energieoptimierten Batterie 20 geliefert wird, so dass für diese Span- nung kein Speicher benötigt wird. Eine elektrische Servolenkung 42 des Kraftfahrzeugs 2, eine Ventilsteuerung 44 der Verbrennungskraftmaschine 4, sowie eine elektrohydraulische Bremse 46 und e- ventuelle elektrische Zusatzheizungen 48 des Fahrzeugs werden ebenfalls mit dieser Spannung von 42 V betrieben und von der ener- gieoptimierten Batterie 18 über den Transformator 32 versorgt, während eine elektromotorische Bremse 50 vorzugsweise bei einer Spannung von > 250 V betrieben und wegen der hohen Stromstärken im Betrieb von der leistungsoptimierten Batterie 20 versorgt wird. Sofern die elektromotorische Bremse 50 und/oder eine elektrische Lenkung 52 als XBW-Komponenten ausgebildet sind, muss auch die energieoptimierte Batterie 18 auf eine Hochstromentladung ausgelegt werden, um bei einem Ausfall der leistungsoptimierten Batterie 20 für eine Redundanz zu sorgen. Wenn die elektrische Lenkung 52 nicht wie dargestellt mit einer Spannung von 42 V sondern wie die elektromotorische Bremse 50 mit einer Spannung von > 250 V betrieben wird, können die übrigen Komponenten 42, 44, 48, 46 mit einer Spannung von 14 V betrieben werden, wodurch eine Stufe des Transformators 32 entbehrlich wird.

Zur Versorgung der im Motorbetrieb arbeitenden Elektromaschine 6 wird im zyklischen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs 2 vor allem die energieoptimierte Batterie 18 eingesetzt, da sie unter solchen Be- triebszuständen unter mittlerer Strombelastung entladen bzw. wieder aufgeladen werden kann. Demgegenüber wird die leistungsoptimier- te Batterie 20 vor allem im Fall einer kurzzeitigen Hochstrom- Entladung bzw. Wiederaufladung eingesetzt, wie sie zum Beispiel auftritt, wenn im Motorbetrieb der Elektromaschine 6 eine stärkere Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 2 angefordert wird bzw. wenn das Kraftfahrzeug 2 bei hoher Fahrtgeschwindigkeit abgebremst und dabei von der im Generatorbetrieb arbeitenden Elektromaschine 6 eine große elektrische Leistung abgegeben wird. Der Einsatz der jeweils gewünschten Batterie 18 bzw. 20 wird mit Hilfe von zwei durch die Batteriesteuerung 26 angesteuerten Schaltern 54, 56 (Figur 1 ) zwischen dem Wechselrichter 16 und der Batterie 18 bzw. 20 ermöglicht, von denen jeweils immer einer geschlossen und der andere geöffnet ist.

Zum Beispiel schließt die Batteriesteuerung 26 den Schalter 54 zwischen der energieoptimierten Batterie 18 und dem Wechselrichter 16 und öffnet den Schalter 56 zwischen der leistungsoptimierten Batte- rie 20 und dem Wechselrichter 16, wenn sich das Kraftfahrzeug 2 mit einer Geschwindigkeit von weniger als etwa 50 km/h bewegt, wie dies typischerweise im Stadtverkehr der Fall ist. Da bei den im Stadtverkehr auftretenden Betriebszuständen in der Regel weder bei der Entladung noch bei der Wiederaufladung der Antriebsbatterie 22 hohe Energieflüsse auftreten, wird dort die energieoptimierten Batterie 18 eingesetzt, um die im Motorbetrieb arbeitende Elektromaschine 6 zu speisen, und wird umgekehrt von dieser auch wieder aufgeladen.

Wenn hingegen das Kraftfahrzeug 2 schneller als etwa 50 km/h fährt und durch die Elektromaschine 6 abgebremst wird, die dabei einen Teil der kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs 2 in elektrische E- nergie umwandelt, könnte es bei einer Wiederaufladung der energieoptimierten Batterie 18 vorkommen, dass sich deren Ladezustand um mehr als 5 % verändert, wodurch die Lebensdauer der Batterie 20 abnehmen kann. Wenn das Kraftfahrzeug 2 in einem solchen Betriebszustand abgebremst wird, wird daher der Schalter 54 zwischen der energieoptimierten Batterie 18 und dem Wechselrichter 16 geöffnet und der Schalter 56 zwischen der leistungsoptimierten Batterie 20 und dem Wechselrichter 16 geschlossen, wie in Figur 1 dargestellt, so dass zumindest während der Anfangsphase der Abbremsung die leistungsoptimierte Batterie 20 von der Elektromaschine 6 wiederaufgeladen wird. Nach der Anfangsphase der Abbremsung, d.h. zum Beispiel 3 Sekunden nach dem Beginn des Bremsvor- gangs, wird erneut der Schalter 56 geöffnet und der Schalter 54 geschlossen, um während einer ggf. anschließenden Endphase der Abbremsung die energieoptimierte Batterie 18 wiederaufzuladen.

Durch die vorgenannten Verteilungsregeln kann vor allem die ener- gieoptimierte Batterie 18 in der Nähe ihres Optimums der Lade- Stromaufnahme betrieben werden, d.h. einem Ladezustand mit optimaler Stromaufnahmefähigkeit unter Berücksichtigung ihres Tieftem- peraturverhaltens, wobei ihre Ladezustandsänderung auf maximal +/- 5 % begrenzt werden kann, um für eine lange Nutzlebensdauer zu sorgen.

Claims

Patentansprüche

1. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem Hybridantrieb, der einen Verbrennungsmotor und mindestens eine Elektroma- schine umfasst, sowie mit einer Antriebsbatterie zur Speisung der im Motorbetrieb arbeitenden Elektromaschine und zur Wiederaufladung durch die im Generatorbetrieb arbeitende Elektromaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsbatterie (22) einen leistungsopti- mierten elektrischen Speicher (18) und einen energieoptimierten e- lektrischen Speicher (20) umfasst.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der leistungsoptimierte elektrische Speicher (20) eine Supercap- Batterie ist.

3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die energieoptimierte Batterie (18) eine Ni M H -Batterie oder eine

Blei-Batterie, oder eine Li-Ionen-Batterie ist.

4. Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Batteriesteuerung (26), die in Abhängig- keit von einem augenblicklichen Betriebszustand des Fahrzeugs (2) entweder die leistungsoptimierte Batterie (18) oder die energieoptimierte Batterie (20) mit der Elektromaschine (6) verbindet.

5. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit einem Hybridan- trieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einem augenblicklichen Betriebszustand des Fahrzeugs (2) entweder die energieoptimierte Batterie (18) oder die leistungsoptimierte Batterie (20) aufgeladen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungsoptimierte Antriebsbatterie (20) aufgeladen wird, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs (2) einen vorbestimmten Wert übersteigt und das Fahrzeug (2) abgebremst wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die energieoptimierte Antriebsbatterie (18) aufgeladen wird, sobald die Dauer des Bremsvorgangs eine vorbestimmte Zeit übersteigt.

8. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit einem Hybridan- trieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Motorbetrieb arbeitende Elektromaschine (6) in Abhängigkeit von einem augenblicklichen Betriebszustand des Fahrzeugs (2) entweder von der energieoptimierten Batterie (18) oder von der leistungsoptimierten Batterie (20) gespeist wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (6) bei kurzzeitigen hohen Belastungen von der leistungsoptimierten Batterie (20) gespeist wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im zyklischen Fahrbetrieb bei mittlerer Last die energieoptimierte Antriebsbatterie (18) zur Speisung der im Motorbetrieb arbeitenden Elektromaschine (6) eingesetzt bzw. von der im Generatorbetrieb arbeitenden Elektromaschine (6) aufgeladen wird.