WO2009065691A2 - Verfahren zur berechnung des wirkungsgrades eines energiespeichers und verwendung des wirkungsgrades - Google Patents

Verfahren zur berechnung des wirkungsgrades eines energiespeichers und verwendung des wirkungsgrades Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for calculating the efficiency of the energy storage connected to the electric machine of a parallel hybrid vehicle in a parallel hybrid vehicle according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to the use of the calculated efficiency.
  • hybrid vehicles comprising a hybrid transmission are known. They comprise, in addition to the internal combustion engine, at least one electric motor or one electrical machine.
  • a generator is driven by the internal combustion engine, with the generator supplying electric power to the electric motor driving the wheels.
  • parallel hybrid vehicles are known in which an addition of the torques of the internal combustion engine and at least one connectable to the internal combustion engine electric machine.
  • the electric machines can be connected to the belt drive or to the crankshaft of the internal combustion engine. The torques generated by the internal combustion engine and / or the at least one electric machine are transmitted to the driven axle via a downstream transmission.
  • a drive train with an electrically adjustable hybrid transmission and an electrohydraulic control system a plurality of electric power units and a plurality of torque-transmitting mechanisms is known.
  • the torque-transmitting mechanisms can be selectively engaged by the electro-hydraulic control system to four forward gears, a neutral state, a low and high speed electrical operation, a to provide electrically variable low and high speed operating modes and a hill hold mode.
  • From US 7,174,980 B2 is a method for controlling the performance of a hybrid drive of a vehicle, wherein the hybrid drive as a prime mover comprises an internal combustion engine and at least one electric machine, and the output shafts of the prime movers are operatively connected to a drive train of the vehicle. It is provided that a drag torque characteristic of the hybrid drive is adjusted by selective control of the at least one electric machine
  • the present invention has for its object to provide a method for calculating the efficiency of the connected to the electric machine of a parallel hybrid vehicle energy storage in a parallel hybrid vehicle comprising an internal combustion engine and at least one electric machine, by its implementation, the efficiency can be accurately calculated with little computational effort. Furthermore, advantageous uses of the invention calculated efficiency should be specified.
  • the current energy storage-specific measured variables current, voltage and / or temperature are used continuously to calculate the efficiency of the energy store.
  • a required current can be used, whereby a short-term prognosis for a specific power requirement is made possible.
  • energy storage parameters determined "offline”, such as the at least one internal resistance, the double-layer time constant and the charging time constant, are used to calculate the efficiency of the energy storage device Energy storage transposed voltage in relation set.
  • the current temperature measured value is used to track the internal resistance value, which can take place, for example, via a characteristic curve preferably stored in the energy storage module.
  • the calculated efficiency of the energy storage device at the interface between the energy storage module and the functional module of the hybrid sub-train is transmitted to the functional module of the hybrid sub-train, thereby ensuring that energy storage-specific data is only required in the energy storage module, so that the functional module of the hybrid powertrain is independent of the currently used energy storage.
  • the efficiency of the energy storage in the calculation of the overall efficiency in the hybrid powertrain.
  • the module efficiency is calculated and transmitted to the parent function module of the hybrid sub-train, wherein in the functional module of the hybrid sub-train from the chain of efficiencies of the individual modules the overall driveline efficiency for a required power path is calculated.
  • the functional module of the hybrid sub-train from the chain of efficiencies of the individual modules the overall driveline efficiency for a required power path is calculated.
  • the battery efficiency is used to calculate the resulting overall efficiency, whether this is after passing through the entire system Efficiency chain from the energy point of view worth or not.
  • operating areas with unfavorably calculated overall efficiency in hybrid operation are marked as "areas to be avoided", which should be avoided as far as possible during operation.
  • the inventive concept of the continuous calculation of the efficiency of the energy storage is accurately recorded with a reasonable computational effort. Furthermore, the independence of the functional module or of the functional model of the hybrid drivetrain from a specific energy store is ensured by the calculation of the efficiency in the energy storage module and transmission of the efficiency at the interface to the parent function module of the hybrid sub-train, so that the energy storage with little effort can be exchanged. Furthermore, the described consideration of the efficiency of the energy storage in strategic functions leads to an optimal use of energy storage.

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Abstract

Im Rahmen des Verfahrens zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor und zumindest eine Elektromaschine, wird im Energiespeichermodul eine kontinuierliche „Online'-Berechnung bzw. Echtzeit-Berechnung des Wirkungsgrades des Energiespeichers anhand eines Energiespeichermodels unter Verwendung bekannter energiespeicherspezifischer Parameter und energiespeicherspezifischer Messgrößen durchgeführt.

Description

Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades eines Enerqiespeichers und Verwendung des Wirkungsgrades
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des berechneten Wirkungsgrades.
Aus dem Stand der Technik sind Hybridfahrzeuge umfassend ein Hybridgetriebe bekannt. Sie umfassen zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor zumindest einen Elektromotor bzw. eine elektrische Maschine. Bei seriellen Hybridfahrzeugen wird ein Generator vom Verbrennungsmotor angetrieben, wobei der Generator den die Räder antreibenden Elektromotor mit elektrischer Energie versorgt. Des weiteren sind parallele Hybridfahrzeuge bekannt, bei denen eine Addition der Drehmomente des Verbrennungsmotors und zumindest einer mit dem Verbrennungsmotor verbindbaren elektrischen Maschine erfolgt. Hierbei sind die elektrischen Maschinen mit dem Riementrieb oder mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbindbar. Die vom Verbrennungsmotor und/oder der zumindest einen elektrischen Maschine erzeugten Drehmomente werden über ein nachgeschaltetes Getriebe an die angetriebene Achse übertragen.
Beispielsweise ist im Rahmen der DE102006019679 A1 ein Antriebsstrang mit einem elektrisch verstellbaren Hybridgetriebe und einem elektrohyd- raulischen Steuersystem, mehreren elektrischen Leistungseinheiten und mehreren Drehmomentübertragungsmechanismen bekannt. Hierbei können die Drehmomentübertragungsmechanismen durch das elektrohydraulische Steuersystem selektiv eingerückt werden, um vier Vorwärtsgänge, einen neutralen Zustand, eine elektrische Betriebsart mit niedriger und hoher Drehzahl, eine elektrisch verstellbare Betriebsart mit niedriger und hoher Drehzahl und eine Berghalte-Betriebsart bereitzustellen.
Aus de US 7,174,980 B2 ist ein Verfahren zur Steuerung des Betriebsverhaltens eines Hybridantriebes eines Fahrzeuges, wobei der Hybridantrieb als Antriebsmaschine eine Verbrennungskraftmaschine und wenigstens eine elektrische Maschine umfasst, und die Abtriebswellen der Antriebsmaschinen mit einem Antriebsstrang des Fahrzeuges wirkverbindbar sind. Hierbei ist vorgesehen, dass durch gezielte Ansteuerung der wenigstens einen elektrischen Maschine eine Schleppmoment-Kennlinie des Hybridantriebes eingestellt wird
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Energiespeicher Verlustleistungen aufweisen, die sich im LadeVEntladevorgang quadratisch auswirken. In der Regel werden diese Verluste nicht berücksichtigt.
Des weiteren ist bekannt, dass der Wirkungsgrad eines Energiespeichers durch Umgebungsbedingungen und den Betriebszustand des Energiespeichers beeinflusst wird, wobei ohne Berücksichtigung des Wirkungsgrades eines Energiespeichers dessen optimale Nutzung nicht gewährleistet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor und zumindest eine Elektromaschine anzugeben, durch dessen Durchführung der Wirkungsgrad mit geringem Rechenaufwand genau berechnet werden kann. Des weiteren sollen vorteilhafte Verwendungen des erfindungsgemäß berechneten Wirkungsgrades angegeben werden.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Verwendung des berechneten Wirkungsgra- des ist Gegenstand des Anspruchs 6. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird ein Verfahren vorgeschlagen, im Rahmen dessen im E- nergiespeichermodul eine kontinuierliche „Online"-Berechnung bzw. Echtzeit- Berechnung des Wirkungsgrades des Energiespeichers anhand eines Energiespeichermodels unter Verwendung bekannter energiespeicherspezifischer Parameter und energiespeicherspezifischer Messgrößen durchgeführt wird.
Gemäß der Erfindung werden zur Berechnung des Wirkungsgrades des Energiespeichers laufend die aktuellen energiespeicherspezifische Messgrößen Strom, Spannung und/oder Temperatur verwendet. Gemäß einer Variante der Erfindung kann anstelle des aktuellen Stromes ein geforderter Strom verwendet werden, wodurch eine Kurzzeit-Prognose für eine bestimmte Leistungsanforderung ermöglicht wird..
Des weiteren werden zur Berechnung des Wirkungsgrades des Energiespeichers „offline" ermittelte Energiespeicher-Parameter, wie der zumindest eine Innenwiderstand, die Doppelschicht-Zeitkonstante und die Lade- Zeitkonstante herangezogen. Ferner wird die an den Widerständen abfallende Spannung als Verlustleistung aufsummiert und mit der gesamten vom Energiespeicher umgesetzten Spannung in Relation gesetzt.
Für den Fall, dass nur ein Innenwiderstand angenommen wird ergibt sich der Wirkungsgrad Eta des Energiespeichers wie folgt:
Eta = Wirkleistung / Energiespeicherleistung
= (Ladeleistung-Verlustleistung am Energiespeicherinnenwider- stand) / Ladeleistung = 1 -abs((aktueller Energiespeicher- strom*Energiespeicherinnenwiderstand) /aktuelle Energiespeicherspannung), wobei abs den Betrag bezeichnet.
Vorzugsweise wird, um die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands zu berücksichtigen, der aktuelle Temperaturmesswert verwendet, um den Innenwiderstandswert nachzuführen, was beispielsweise über eine vorzugsweise im Energiespeichermodul abgelegte Kennlinie erfolgen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der berechnete Wirkungsgrad des Energiespeichers an der Schnittstelle zwischen Energiespeichermodul und Funktionsmodul des Hybrid-Anthebsstrangs (Hybridmodul) an das Funktionsmodul des Hybrid-Anthebsstrangs übermittelt, wodurch sichergestellt ist, dass energiespeicher-spezifische Daten nur im Energiespeichermodul benötigt werden, so dass das Funktionsmodul des Hybrid- Antriebsstrangs unabhängig vom aktuell verwendeten Energiespeicher ist.
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, den Wirkungsgrad des Energiespeichers bei der Berechnung des Gesamtwirkungsgrades im Hybrid- Antriebsstrang zu verwenden. Hierbei wird in jedem Modul des Hybrid- Antriebsstrangs (z.B. Elektromaschinenmodul, Energiespeichermodul, Getriebemodul, Verbrennungsmotormodul etc.) der Modulwirkungsgrad berechnet und an das übergeordnete Funktionsmodul des Hybrid-Anthebsstrangs übermittelt, wobei im Funktionsmodul des Hybrid-Anthebsstrangs aus der Kette der Wirkungsgrade der einzelnen Module der Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstrangs für einen benötigten Leistungspfad berechnet wird. Auf diese Weise kann im Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs errechnet werden, ob z.B. sich eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors aus energetischer Sicht lohnt oder nicht. Wenn beispielsweise der Verbrennungsmotor im Rahmen einer Lastpunktverschiebung in einen besseren Wirkungsgrad-Punkt gebracht werden soll, wobei die überschüssige elektrische Leistung in den Energiespeicher gespeichert werden soll, wird mittels des Batterie-Wirkungsgrades anhand des sich ergebenden Gesamtwirkungsgrades errechnet, ob sich dies nach Durchlaufen der gesamten Wirkungsgrad kette aus energetischer Sicht lohnt oder nicht.
Gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Betriebsbereiche mit ungünstigen berechneten Gesamtwirkungsgrad im Hybridbetrieb als „zu vermeidende Bereiche" markiert werden, die während des Betriebes möglichst vermieden werden sollen.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption der kontinuierlichen Berechnung wird der Wirkungsgrad des Energiespeichers mit einem vertretbaren Rechenaufwand genau erfasst. Ferner wird durch die Berechnung des Wirkungsgrades im Energiespeichermodul und Übermittlung des Wirkungsgrades an der Schnittstelle zum übergeordneten Funktionsmodul des Hybrid-Anthebsstrangs die Unabhängigkeit des Funktionsmoduls bzw. des Funktionsmodells des Hyb- rid-Antriebsstrangs von einem spezifischen Energiespeicher gewährleistet, so dass der Energiespeicher mit wenig Aufwand ausgetauscht werden kann. Des weiteren führt die beschriebene Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Energiespeichers in strategischen Funktionen zu einer optimalen Nutzung des Energiespeichers.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektro- maschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor und zumindest eine Elektromaschine, dadurch gekennzeichnet, dass im Energiespeichermodul eine kontinuierliche „Online"-Berechnung bzw. Echtzeit- Berechnung des Wirkungsgrades des Energiespeichers anhand eines Energiespeichermodels unter Verwendung bekannter energiespeicherspezifischer Parameter und energiespeicherspezifischer Messgrößen durchgeführt wird.
2. Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Wirkungsgrades des Energiespeichers laufend die aktuellen energiespeicherspezifische Messgrößen Strom, Spannung und/oder Temperatur und als Energiespeicher-Parameter der zumindest eine Innenwiderstand, die Doppelschicht-Zeitkonstante und/oder die Lade-Zeitkonstante verwendet werden, wobei die an den Widerständen abfallende Spannung als Verlustleistung aufsummiert und mit der gesamten vom Energiespeicher umgesetzten Spannung in Relation gesetzt wird.
3. Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e - kennzeichnet, dass sich für den Fall, dass ein Innenwiderstand vorhanden ist der Wirkungsgrad Eta des Energiespeichers wie folgt ergibt:
Eta = Wirkleistung / Energiespeicherleistung
= (Ladeleistung-Verlustleistung am Innenwiderstand) / Ladeleistung = 1-abs((aktueller Energiespeicher- strom*Energiespeicherinnenwiderstand) /aktuelle Energiespeicherspannung) .
4. Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektro- maschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e - kennzeichnet, dass um die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands zu berücksichtigen, der aktuelle Temperaturmesswert verwendet wird, um den Innenwiderstandswert nachzuführen.
5. Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrades des an die Elektro- maschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführung des Innenwiderstandswertes in Abhängigkeit von der Temperatur über eine Kennlinie erfolgt.
6. Verwendung des gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 berechneten Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers bei einem parallelen Hybridfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor und zumindest eine Elektromaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad des Energiespeichers bei der Berechnung des Gesamtwirkungsgrades im Hybrid- Antriebsstrang verwendet wird.
7. Verwendung des gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 berechneten Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Modul des Hybrid-Anthebsstrangs der Modulwirkungsgrad berechnet und an das Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs übermittelt wird, wobei im Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs aus der Kette der Wirkungsgrade der einzelnen Module der Gesamtwirkungsgrad des Hybrid-Antriebsstrangs für einen benötigten Leistungspfad berechnet wird und wobei anhand des Gesamtwirkungsgrades errechnet wird, ob sich eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors aus energetischer Sicht lohnt oder nicht.
8. Verwendung des gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 berechneten Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers nach Anspruch 6 oder 7, dadurch g e - k e n n z e i c h n e t , dass anhand der Berechnung des Gesamtwirkungsgrades Betriebsbereiche mit ungünstigen Gesamtwirkungsgrad im Hybridbetrieb als „zu vermeidende Bereiche" markiert werden, die während des Betriebes möglichst vermieden werden sollen.
9. Verwendung des gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 berechneten Wirkungsgrades des an die Elektromaschine eines parallelen Hybridfahrzeugs angeschlossenen Energiespeichers nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei der berechnete Wirkungsgrad des Energiespeichers an der Schnittstelle zwischen Energiespeichermodul und Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs an das Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs übermittelt wird, wodurch sichergestellt ist, dass energiespeicherspezifische Daten nur im Energiespeicher-Modul benötigt werden, so dass das Funktionsmodul des Hybrid-Antriebsstrangs unabhängig vom aktuell verwendeten Energiespeicher ist.
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