WO2007028755A1 - Energieversorgung eines hybridfahrzeugs - Google Patents

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Karsten Mann
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Jochen Fassnacht
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    • B60W2520/10—Longitudinal speed

Definitions

  • the invention relates to a device for power supply in a hybrid vehicle according to the preamble of claim 1 and a corresponding method according to claim 8.
  • the best-known hybrid vehicles have an internal combustion engine and an electric machine as traction motors.
  • the electric machine is also associated with a traction power supply battery.
  • this battery can provide energy for the driving operation, but on the other hand it can also absorb the recuperation energy which can be absorbed when the kinetic energy of the hybrid vehicle is reduced, that is to say when braking.
  • a central vehicle control system is available for controlling the power flows between the combustion engine, the electric machine and the vehicle drive.
  • the invention proposes to provide a charge controller which adjusts a nominal charge state of the first energy store.
  • the energy storage should first be noted that in the hybrid vehicle targeted at least two energy storage are integrated, which are deliberately optimized in different directions. This makes it possible, with suitable operation of the two energy stores, to utilize both the advantages of power optimization and the advantages of energy optimization. For example, microcycles, that is, charging and discharging operations with a small amount of energy Charging and discharging processes with a small energy content are recorded by the energy-optimized energy storage device, as this usually has a higher cycle stability than the energy-optimized storage system.
  • the energy-optimized memory can be used when there are longer-lasting, in particular low, power requirements.
  • the power supply in the hybrid vehicle can be improved.
  • the named charge controller which adjusts the nominal charge state of the first energy store, contributes to a controlled control of the energy flows.
  • the charge controller is in particular designed such that the desired desired voltage is dependent on the speed of the hybrid vehicle. As will be explained in the further course of the application, it was recognized that at different speeds of the vehicle advantageously different energy flows are set. This setting is made using the charge controller.
  • the first energy store is a capacitor, in particular a double-layer capacitor (DLC), or a power-optimized accumulator.
  • DLC double-layer capacitor
  • Such energy stores are particularly suitable for delivering high performance.
  • the second energy store is a lead / acid, a nickel metal hydride or a lithium ion secondary battery.
  • Such accumulators have a particularly good ability to store energy.
  • the energy storage devices are part of a traction board network of the hybrid vehicle.
  • the energy flows in the hybrid vehicle, in particular between the energy storage and the output can be controlled very well.
  • the second energy store is electrically coupled into the traction on-board network via a DC / DC converter. In this way, the flow of energy into or out of the second energy store can be easily regulated.
  • the charge controller is designed for carrying out a method described below.
  • the invention further relates to a method for energy flow control in a hybrid vehicle having a first energy store and a second energy store, in which the nominal charge state of the first energy store is lowered with increasing speed of the hybrid vehicle.
  • This results in the advantage that, especially at low vehicle speeds, a maximum charge of the first energy store is available for a boost or for electric driving.
  • the high recuperation potential can be used to advantage.
  • This is particularly interesting for hybrid vehicles with one (or more) large-dimensioned electrical machine and small energy storage in the DC link.
  • this method can be used favorably in vehicles with a downsizing concept, ie a low-torque torque of the internal combustion engine. To- In this way, the aforementioned microcycles are largely or completely absorbed by the power-optimized energy store and do not act on the energy-optimized energy store.
  • the first energy store is charged when its actual state of charge is lower than the nominal state of charge and the first energy store is discharged when its actual state of charge is greater than the nominal state of charge.
  • charging and / or discharging of the first energy store takes place only when the absolute difference between the actual state of charge and the nominal state of charge exceeds a predetermined minimum difference.
  • the first energy storage is optimized for performance and the second energy storage energy-optimized.
  • FIG. 1 shows a device for powering a hybrid vehicle
  • FIG. 2 shows a characteristic example for a speed-dependent nominal charging state.
  • FIG. 1 shows a device 10 for supplying power to a hybrid vehicle, not shown.
  • a drive train 12 which is associated with an electric machine 14, a traction board 16 and a vehicle electrical system 18 are shown.
  • the traction board network 16 is connected via a pulse inverter 20 to the machine 14 and by a first DC / DC converter 22 to the vehicle electrical system 18.
  • the vehicle electrical system 18 is shown here only symbolically by a battery 24 and a continuation indicated by the dashed lines.
  • the traction board 16 is shown in simplified form and shows a first energy-optimized energy storage 26 and a second, energy-optimized energy storage 28, which are connected in parallel to intermediate rails 30.
  • the second energy store 28 is connected to the DC bus bars 30 via a second DC / DC converter 32.
  • a charge controller for setting a nominal charge state of the first energy store 26 is integrated in the device 10.
  • FIG. 2 a diagram is shown in FIG. 2, in which the velocity v is plotted on the ordinate and the nominal charge state QS is plotted on the abscissa.
  • the diagram shows three areas, wherein a first area S1 (dead band) separates a second area S2 from a third area S3. If the actual charging state Q1 (exemplified by a small cross) is within the first range, the charge control for the first energy store 26 is not active. If the actual charging state Q1 exceeds the upper limit line OG, then the first energy store 26 is discharged.
  • the first Energy storage 26 recharged. This can be done by absorbing energy from the electric machine 14 or from the second energy store 28, possibly also by absorbing power from the vehicle electrical system 18. In this way, microcycles can be kept away from the second energy store 28. At low speeds, the first energy store 26 has a greater charge and thus more energy for boosting or electric driving.
  • the subordinate charge control of the first energy store receives necessary input data (here the vehicle speed v) and supplies the associated desired charge state QS as well as the region S1, S2 or S3 determined on the basis of the actual charge state Q1.
  • the state of charge of the second energy store 28 and / or the power requirement of the vehicle electrical system 18 can be taken into account.

Abstract

Vorrichtung (10) zur Energieversorgung eines Hybridfahrzeugs mit einem ersten, leistungsoptimierten Energiespeicher (26) und einem zweiten, energieoptimierten Energiespeicher (28) und einem einen Sollladezustand (QS) des ersten Energiespeichers (26) einstellenden Laderegler. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zur Energieflusssteuerung in einem Hybridfahrzeug mit einem ersten Energiespeicher (26) und einem zweiten Energiespeicher (28), bei dem der Sollladezustand des ersten Energiespeichers (26) mit zunehmender Geschwindigkeit (v) des Hybridfahrzeugs gesenkt wird.

Description

Energieversorgung eines Hybridfahrzeugs
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung in ei- nem Hybridfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Anspruch 8.
Stand der Technik
Verfahren zur Energieflusssteuerung in einem Hybridfahrzeug sind bekannt. Dabei verfügen die bekanntesten Hybridfahrzeuge über einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine als Fahrmotoren. Neben einer üblichen Batterie, insbesondere einer Blei/Säure-Batterie, die der Versorgung des Bordnetzes dient, ist der elektrischen Maschine ferner eine Traktionsbordnetzbatterie zugeordnet. Diese Batterie kann einerseits Energie für den Fahrbetrieb zur Verfügung stellen, andererseits aber auch die Rekuperations- energie aufnehmen, die bei einer Verringerung der kinetischen E- nergie des Hybridfahrzeugs, also insbesondere beim Bremsen, auf- genommen werden kann. Für die Steuerung der Leistungsflüsse zwischen dem Verbrennungsmotor, der elektrischen Maschine und dem Fahrzeugabtrieb steht eine zentrale Fahrzeugsteuerung zur Verfügung. Bei der Auslegung der Batterien, beziehungsweise allgemein der Energiespeicher, sind aus dem Stand der Technik Optimierungen in Hinsicht auf die Energie (maximal speicherbare Energiemenge) oder der Leistung (maximal mögliche Leistungsabgabe) bekannt. Es hat sich dabei jedoch herausgestellt, dass für jede dieser Optimierungen erheblich unterschiedliche und teilweise konträre Maßnahmen erforderlich sind. Daher lässt sich die gewünschte Optimierung in beiden Richtungen nur sehr begrenzt umsetzen. Eine Optimierung in beiden Richtungen ist aber gerade bei einem Hybridfahrzeug erforderlich, denn einerseits sollen sowohl Aufnahme und Abgabe von großen, kurzzeitigen Leistungen, zum Beispiel bei Rekuperation und Boost, und andererseits eine Bereitstellung einer länger dauernden niedrigen Leistungsanforderung, zum Beispiel für eine Standklimatisierung, Infotainmentanwendungen oder elektrischem Fahrbetrieb mög- lieh sein.
Vorteile der Erfindung
Bei einer Vorrichtung zur Energieversorgung eines Hybridfahrzeugs mit einem ersten, leistungsoptimierten und einem zweiten, energieoptimierten Energiespeicher, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen einen Sollladezustand des ersten Energiespeichers einstellenden Laderegler vorzusehen. Hinsichtlich der Energiespeicher soll zunächst darauf hingewiesen werden, dass in das Hybridfahrzeug gezielt mindestens zwei Energiespeicher integriert sind, die bewusst in unterschiedliche Richtungen optimiert sind. Damit wird es nun bei geeignetem Betrieb der beiden Energiespeicher möglich, sowohl die Vorteile einer Leistungsoptimierung als auch die Vorteile einer E- nergieoptimierung zu nutzen. So können beispielsweise Mikrozyklen, also Lade- und Entladevorgänge mit kleinem also Lade- und Entladevorgänge mit kleinem Energieinhalt, vom leis- tungsoptimierten Energiespeicher aufgenommen werden, da dieser in der Regel eine höhere Zyklenfestigkeit als der energieoptimierte Speicher besitzt. Auf der anderen Seite kann der energieoptimierte Speicher dann zum Einsatz kommen, wenn länger andauernde, insbesondere niedrige, Leistungsanforderungen bestehen. Auf diese Weise kann die Energieversorgung im Hybridfahrzeug verbessert werden. Der genannte Laderegler, der den Sollladezustand des ersten Energiespeichers einstellt, trägt zu einer kontrollierten Steuerung der Energieflüsse bei. Dabei ist der Laderegler insbesondere derart ausgelegt, dass die gewünschte Sollspannung von der Geschwindigkeit des Hybridfahrzeugs abhängig ist. Wie im weiteren Verlauf der Anmeldung noch erläutert wird, wurde erkannt, dass bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs vorteilhafterweise unterschiedliche Energieflüsse einzustellen sind. Diese Einstellung wird mittels des Ladereglers vorgenommen.
Vorteilhafterweise ist der erste Energiespeicher ein Kondensator, insbesondere ein Doppelschichtkondensator (double layer capacitor, DLC), oder ein leistungsoptimierter Akkumulator. Solche Energiespeicher sind besonders dafür geeignet, hohe Leistungen abzugeben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Energiespeicher ein Blei/Säure-, ein Nickelmetallhydrid- oder ein Lithiumionen-Akkumulator. Derartige Akkumulatoren verfügen über eine besonders gute Fähigkeit, Energie zu speichern. - A -
Es ist vorteilhaft, wenn die Energiespeicher Bestandteil eines Traktionsbordnetzes des Hybridfahrzeugs sind. Dadurch lassen sich die Energieflüsse in dem Hybridfahrzeug, insbesondere zwischen den Energiespeichern und dem Abtrieb besonders gut kontrollieren.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Energiespeicher über einen DC/DC-Wandler in das Traktionsbordnetz elektrisch eingekoppelt. Auf diese Weise kann der Energiefluss in den beziehungsweise aus dem zweiten Energiespeicher einfach reguliert wer- den.
Bevorzugt ist der Laderegler zur Durchführung eines nachfolgend beschriebenen Verfahrens ausgebildet.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Energieflusssteuerung in einem Hybridfahrzeug mit einem ersten Energiespeicher und einem zweiten Energiespeicher, bei dem der Sollladezustand des ersten Energiespeichers mit zunehmender Geschwindigkeit des Hybridfahrzeugs gesenkt wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass gerade bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten eine maximale Ladung des ersten Energiespeichers für einen Boost oder zum elektrischen Fahren zur Verfügung steht. Bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten, wenn der Sollladezustand gesenkt wurde, kann das hohe Rekupera- tionspotential vorteilhaft genutzt werden. Dies ist insbesondere für Hybridfahrzeuge mit einer (oder mehreren) großdimensionierten e- lektrischen Maschine und kleinem Energiespeicher im Zwischenkreis interessant. Außerdem lässt sich dieses Verfahren bei Fahrzeugen mit Downsizing-Konzept, also einer Drehmomentschwäche des Verbrennungsmotors bei niedriger Drehzahl, günstig einsetzen. Zu- dem werden auf diese Weise die zuvor genannten Mikrozyklen wei- testgehend oder vollständig vom leistungsoptimierten Energiespeicher aufgenommen und wirken nicht auf den energieoptimierten E- nergiespeicher ein.
Es ist vorteilhaft, wenn der Zusammenhang zwischen Sollladezustand und Geschwindigkeit durch eine Kennlinie beschrieben wird. Dadurch lässt sich die gewünschte Energieflusssteuerung einfach einstellen und bei Bedarf unterschiedlichen Anforderungen anpas- sen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der erste E- nergiespeicher geladen, wenn sein Istladezustand geringer als der Sollladezustand ist und wird der erste Energiespeicher entladen, wenn sein Istladezustand größer ist als der Sollladezustand.
Vorteilhafterweise findet ein Laden und/oder Entladen des ersten Energiespeichers erst dann statt, wenn die betragsmäßige Differenz zwischen Istladezustand und Sollladezustand eine vorgegebene Mindestdifferenz überschreitet. Durch die Einführung eines Bereichs, in dem auf eine Laderegulierung verzichtet wird, also gewissermaßen ein Totband zwischen dem Lade- und dem Entladezu- stand, können Mikrozyklen weiter verringert werden.
Ferner ist es bevorzugt, wenn ein Zusammenhang zwischen vorgegebener Mindestdifferenz und Geschwindigkeit durch mindestens eine Kennlinie beschrieben wird. Dadurch kann eine zusätzliche Flexibilität erreicht werden, wenn die Breite des Totbandes nicht für alle Geschwindigkeiten konstant sein soll. Mit Vorteil ist der erste Energiespeicher leistungsoptimiert und der zweite Energiespeicher energieoptimiert.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines Hybridfahrzeugs, und
Figur 2 ein Kennlinienbeispiel für einen geschwindigkeitsabhängigen Sollladezustand.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Energieversorgung eines nicht näher dargestellten Hybridfahrzeugs. Zur Verdeutlichung der Funktion sind ein Antriebsstrang 12, der einer elektrischen Maschine 14 zugeordnet ist, ein Traktionsbordnetz 16 und ein Fahrzeugbordnetz 18 dargestellt. Das Traktionsbordnetz 16 ist über einen Pulswechselrichter 20 mit der Maschine 14 und durch einen ersten DC/DC-Wandler 22 mit dem Fahrzeugbordnetz 18 verbunden. Das Fahrzeugbordnetz 18 ist hier lediglich symbolisch durch eine Batterie 24 und eine mittels der gestrichelten Linien angedeutete Fortsetzung dargestellt. Das Traktionsbordnetz 16 ist vereinfacht dargestellt und zeigt einen ersten, leistungsoptimierten Energiespeicher 26 und einen zweiten, energieoptimierten Energiespeicher 28, die an Zwischenschienen 30 parallel geschaltet sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der zweite Energiespeicher 28 über einen zweiten DC/DC-Wandler 32 mit den Zwischenkreisschienen 30 verbunden. Ferner ist in der Vorrichtung 10 ein Laderegler zum Einstellen eines Sollladezustand des ersten Energiespeichers 26 integriert.
Beim Betrieb des Hybridfahrzeugs stellen sich verschiedene Energieflüsse ein. So wird beim elektrischen Fahren oder im Boostbetrieb (symbolisiert durch den Pfeil 34) dem Traktionsbordnetz 16 Leistung entnommen (symbolisiert durch den Pfeil P1 ) und im Fall der Reku- peration (symbolisiert durch den Pfeil 36) Energie von der elektri- sehen Maschine 14 in das Traktionsbordnetz 16 eingespeist. Sofern der Sollladezustand QS des ersten Energiespeichers 28 unterschritten wird und sofern Ladeenergie verfügbar ist, stellt sich in den zweiten Energiespeicher 28 ein Energiefluss ein, der durch den Pfeil P2 symbolisiert ist. Ferner wird das Traktionsbordnetz 16, sofern ent- sprechende Energie verfügbar ist, auch zum Laden des Fahrzeugbordnetzes 18 eingesetzt, wobei sich dann der mittels des Pfeils P3 symbolisierte Energiefluss einstellt.
Die Energieflusssteuerung zur Erzielung eines Sollladezustands QS des ersten Energiespeichers 28 in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit v des Hybridfahrzeugs soll nun unter Hinzuziehung der Figur 2 näher erläutert werden. Dazu ist in der Figur 2 ein Diagramm dargestellt, bei dem auf der Ordinate die Geschwindigkeit v und auf der Abszisse der Sollladezustand QS abgetragen sind. In dem Diagramm sind drei Bereiche zu erkennen, wobei ein erster Bereich S1 (Totband) einen zweiten Bereich S2 von einem dritten Bereich S3 trennt. Befindet sich der Istladezustand Ql (beispielhaft dargestellt durch ein kleines Kreuz) innerhalb des ersten Bereichs, so ist die Ladungsregelung für den ersten Energiespeicher 26 nicht aktiv. Überschreitet der Istladezustand Ql die obere Begrenzungslinie OG, so wird der erste Energiespeicher 26 entladen. Dies kann durch eine Leistungsabgabe P1 an die elektrische Maschine 14 oder durch eine Leistungsabgabe P3 an das Fahrzeugbordnetz 18 reali- siert werden, gegebenenfalls auch durch eine Leistungsabgabe P2 an den zweiten Energiespeicher 28. Unterschreitet der Istladezustand Ql die untere Begrenzungslinie UG, so wird der erste Energiespeicher 26 nachgeladen. Dies kann durch eine Aufnahme von Energie aus der elektrischen Maschine 14 oder aus dem zweiten Energiespeicher 28 erfolgen, gegebenenfalls auch durch eine Aufnahme von Leistung aus dem Fahrzeugbordnetz 18. Auf diese Weise lassen sich Mikrozyklen vom zweiten Energiespeicher 28 fernhalten. Bei geringen Geschwindigkeiten steht im ersten Energiespeicher 26 eine größere Ladung und somit mehr Energie für Boostvor- gänge oder elektrisches Fahren zur Verfügung. Da bei steigender Fahrzeuggeschwindigkeit v die mögliche, rekuperierbare Leistung steigt und zudem empirisch eine erhöhte Anzahl an Bremsimpulsen angenommen werden kann, lässt sich bei geringerem Sollladezustand QS eine große Rekuperationsenergie durch den ersten Ener- giespeicher 26 aufnehmen. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass sein Sollladezustand QS geschwindigkeitsabhängig so reduziert wird, wie bei einem Bremsvorgang Rekuperationsenergie zu erwarten ist. Für den Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit v und dem Sollladezustand QS wurde hier der Einfachheit halber ein linearer Zusammenhang angenommen. Natürlich sind ebenso verschiedene Funktionen oder Kennlinien denkbar.
Die Einbindung dieser Regelstrategie kann vorteilhaft in einem Ge- samtenergiemanagement erfolgen. Dazu erhält die untergeordnete Laderegelung des ersten Energiespeichers notwendige Eingangsdaten (hier die Fahrzeuggeschwindigkeit v) und liefert den zugehörigen Sollladezustand QS sowie den anhand des Istladezustands Ql bestimmten Bereich S1 , S2 oder S3 zurück. Durch eine übergeordnete Steuerung können dann die Energieflüsse P1 , P2 (über den zweiten DC/DC-Wandler 32) und P3 (über den ersten DC/DC-Wandler 22) je nach Bereich S1 , S2 oder S3 und/oder abhängig von einer Gesamtfahrzeugkoordination eingestellt werden. Dabei können zudem der Ladezustand des zweiten Energiespeichers 28 und/oder der Leis- tungsbedarf des Fahrzeugbordnetzes 18 berücksichtigt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Energieversorgung eines Hybridfahrzeugs mit einem ersten, leistungsoptimierten Energiespeicher (26) und einem zweiten, energieoptimierten Energiespeicher (28), gekenn- zeichnet durch einen einen Sollladezustand (QS) des ersten Energiespeichers (26) einstellenden Laderegler.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (26) ein Kondensator, insbesondere ein Doppelschichtkondensator, oder ein leistungsoptimierter Akkumulator ist.
3. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (28) ein Blei/Säure-, ein Nickelmetallhydrid- oder ein Lithiumionen- Akkumulator ist.
4. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher (26,28) Bestand- teile eines Traktionsbordnetzes (16) des Hybridfahrzeugs sind.
5. Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiespeicher (28) über einen DC/DC-Wandler (32) in das Traktionsbordnetz (16) elektrisch eingekoppelt ist.
6. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laderegler zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 11 ausgebildet ist.
7. Verfahren zur Energieflusssteuerung in einem Hybridfahrzeug mit einem ersten Energiespeicher (26) und einem zweiten Energiespeicher (28), dadurch gekennzeichnet, dass der Sollladezustand (QS) des ersten Energiespeichers (26) mit zunehmender Geschwindigkeit (v) des Hybridfahrzeugs gesenkt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen Sollladezustand (QS) und Geschwindigkeit (v) durch eine Kennlinie beschrieben wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (26) geladen wird, wenn sein Istladezustand (Ql) geringer ist als der Sollladezustand (QS) und dass der erste Energiespeicher (26) entladen wird, wenn sein Istladezustand (Ql) größer ist als der Sollladezustand (QS).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laden und/oder Entladen des ersten E- nergiespeichers (26) erst dann stattfindet, wenn die betragsmäßige Differenz zwischen Istladezustand (Ql) und Sollladezustand (QS) eine vorgegebene Mindestdifferenz überschreitet.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusammenhang zwischen vorgegebener Mindestdifferenz und Geschwindigkeit (v) durch mindestens eine Kennlinie beschrieben wird.
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