WO2017137165A1 - Hybrides antriebssystem, fortbewegungsmittel und verfahren zum betreiben eines hybriden antriebssystems - Google Patents

Hybrides antriebssystem, fortbewegungsmittel und verfahren zum betreiben eines hybriden antriebssystems Download PDF

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Johannes Schalk
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Definitions

  • the present invention relates to a hybrid drive system, a means of locomotion and a method for operating a hybrid drive system, in particular for a means of locomotion.
  • Hybrid drive systems usually include an internal combustion engine and at least one electrochemical energy store and an electric motor.
  • the respective states and operating points are relevant. While the efficiency of the internal combustion engine or the electric motor, for example, strongly depends on their speed and torque, the internal resistance of an electrochemical energy storage also depends on its state of charge (SOC). In combination with one another, the components have comparatively complicated dependencies in determining an optimum overall efficiency.
  • the power management in the powertrain control unit of a hybrid powertrain is usually based on a static table, which must be laboriously fed. Such a table can not react to changed boundary conditions during operation. Due to the limited scope of the table, the operating point of the prime movers used is often not set optimal efficiency.
  • the above object is achieved by a method for operating, in particular for improving the efficiency of a hybrid drive system, in particular for a means of transportation, solved.
  • the hybrid drive system includes a motor, in particular an electric motor, which can be operated in motor operation as a drive, for example for the means of transportation, but also also as a generator.
  • an internal combustion engine is provided which converts, for example, fossil fuels into mechanical power.
  • a particular electrochemical energy storage is provided for feeding the motor.
  • the energy storage alternatively or additionally may comprise a compressed air tank or a flywheel and the motor, for example, alternatively or additionally a pneumatic motor or a transmission for transmitting the kinetic energy of the flywheel to a chassis of the means may include.
  • the energy store can store the kinetic energy of the vehicle, which has been converted by recuperation.
  • the mechanical power output by the internal combustion engine can be converted into electrical power by means of the generator-operated electric motor and stored in the energy store.
  • an additional generator for recuperation or for charging the energy storage using the internal combustion engine may be present.
  • the hybrid drive system is operated, for example, as follows: First, an amount of energy which has been expended in order to charge the energy store is determined. This determined amount of energy thus refers to an effort to load the energy storage in the past. When charging an energy storage, conversion losses occur which are important for what "costs" have arisen, or how much energy had to be expended to store the amount of energy stored in the energy storage device Engine or the internal combustion engine or a combination of the engine (motor or generator) and the internal combustion engine operated Thus, the decision on the way in which the hybrid drive system is used, to a broader information base. In particular, when determining an overall efficiency of the hybrid drive system, it can be taken into account which conversion losses have occurred during charging of the energy store.
  • the dependent claims give preferred developments of the invention.
  • the energy store has been charged at least proportionally by means of the internal combustion engine. In other words, it is determined here that a high energy expenditure has been made to achieve the current state of charge. This can be used to use this stored energy when its use seems worthwhile. Worthwhile can be understood in particular so that the effect achieved by the use of stored energy, z.
  • the use of the stored energy can be used, for example, in a situation in which a means of locomotion drives a route on which energy can be recovered in the near future cheaply or almost free by recuperation. In order for the assigned energy store to have a sufficiently large free capacity, at least some of the stored energy can be consumed beforehand. If the amount of energy expended for charging the energy store is "inexpensive", for example by means of recuperation, the use of the energy stored in the energy store may appear to be worthwhile, even with little advantage.
  • a log file with data is filled to which sources (internal combustion engine, recuperation, etc.) currently (and, if so, to what percentage) Charging current or participate in the charging power.
  • the log file can be read out and evaluated in order to decide whether the energy stored in the energy store is currently to be used for propulsion of the means of transportation. This increases the efficiency of the hybrid drive system.
  • the hybrid drive system may comprise an electric motor which, for example, serves as a drive for the means of locomotion during motor operation, but also also can be operated as a generator.
  • the internal combustion engine is provided.
  • An electrochemical energy store is provided for feeding the electric motor.
  • the hybrid drive system can be operated as follows: A traction specification or "driving profile specification" is determined, which can be predefined by a user and / or by an autopilot and / or by a driving profile already selected at an earlier point in time If a particular driving style is used, or if a driving robot outputs a specific driving profile, appropriate information can be used to use a load and / or speed profile as the driving profile specification or traction default, for example, depending on a current date and / or current trajectory In general, the traction default can be used to identify a desired operating mode of the propulsion system, or a general categorization in the manner of a defensive or offensive driving style can be used to initiate the procedure possible operating conditions of the electric motor and the internal combustion engine to meet the traction target determined.
  • the individual components of the hybrid drive train can be operated.
  • the possible operating points of the internal combustion engine and the electric motor can be limited and / or extended by an evaluation of component operating limits and / or state variables such as the temperature of coolant or exhaust aftertreatment components.
  • the plurality of possible operating states of the electric motor and of the internal combustion engine and of the energy accumulator can be determined in terms of how long certain operating states (eg high output of the electric motor) are maintained until a changed operating behavior is selected, for example because of a shortfall of a critical one Charge state of the energy storage.
  • the energy-related charge state takes into account the relevant assumption that the electric motor is fed from a finite-capacity energy store.
  • the im Energy stored energy must therefore be supplied either during a stop of the means of locomotion from the outside or during operation of the means of locomotion "on board.” This is done either by recuperation of kinetic energy or braking energy, which without the expense of eg fuel energy, so "free", Therefore, provision may be made for introducing the energy-related charge state into the operating strategy in order to suppress the incoming and outgoing energy flows of the electrochemical energy store
  • the energy currently stored is set in relation to that energy which is used to generate the energy stored in the battery Energy from other forms of energy, such as fuel energy, has been converted.
  • expected overall efficiency of the drive system can be determined.
  • respective operating states of the electric motor and the internal combustion engine are selected on the basis of a largest determined overall efficiency.
  • the respective common operating states of the electric motor and the internal combustion engine are selected which achieve the highest overall efficiency for the hybrid drive system in meeting the traction requirement.
  • an upcoming route including in particular a height profile, can be determined and a traction requirement to be expected for the upcoming route can be determined.
  • the route can be determined, for example, deterministic or probability-based.
  • An upcoming route can be determined by means of a timetable, an evaluation of information for position recognition (for example GPS), a user input, an already traveled partial route or the like.
  • the upcoming route may be determined to terminate at a next supply point for receiving external electrical energy and / or fossil fuels by the vehicle.
  • a position can also be used as a loading and / or refueling.
  • external electrical energy can usually be provided at a lower cost than electric energy converted by on-board means
  • the thus determined end of the route or load profile over time can be relevant for the operating states of the hybrid drive system when driving along the route.
  • the availability of energy stored in the energy storage device depends on whether the upcoming route falls below or exceeds a certain length or a specific energy signature.
  • the option of external recording of electrical energy (for example at supply points) and its storage in the energy store can be taken into account, for example, by determining the position and / or determining an upcoming route when selecting possible operating states. This is based on the assumption that the means of locomotion of externally supplied electrical energy can be provided more cost-effective, as converted with on-board electrical energy.
  • the traction specification depends, for example, on a current position of a means of transportation and a predefined setpoint position for the means of transportation. Alternatively or additionally, a z. B. maximum target speed of a means of transport influence the traction target.
  • Determining overall efficiencies of the hybrid propulsion system on the route may include evaluating stored efficiency maps for the electric motor and the internal combustion engine.
  • an expected state of charge and an energy conversion efficiency of the energy store assigned to the state of charge can also be taken into account.
  • the energy-related charge state can be carried in a locally stored reference data record and taken into account in the determination of the overall efficiency.
  • the ascertaining of the energy-related charge state of the energy store can, for example, be based on a usable proportion of energy stored in the energy store. In this case, a usable state of charge window of the energy storage is evaluated.
  • the state of charge window hereinafter referred to as the SOC window (state-of-charge window), may be smaller than the maximum physical capacity of the energy storage device.
  • SOC window By restricting the SOC window, it is prevented that the charging state and / or states of charge with high internal resistance are reached during operation of the energy storage device.
  • SOC window can also be defined in several gradations such that the internal resistance or an associated efficiency during charging and discharging quantifying SOC windows or SOC areas in a step shape or continuously a certain higher SOC spectrum range of the energy storage or even the entire physically possible SOC area can be IT-partitioned
  • respective attributes can be defined by means of which the use of the energy store in the SOC area can be evaluated and linked to predefined conditions.
  • a hybrid drive system is also proposed.
  • the hybrid drive system may be a means of locomotion, e.g. B. an electrically assisted means of transport, move.
  • An evaluation unit is set up to carry out the method according to the invention for operating the hybrid drive system.
  • the hybrid drive system may optionally include a data memory, a location device and / or means for detecting a predefined user to determine a traction default. In this way, the hybrid drive system is set up to realize the features, feature combinations and the resulting advantages in a corresponding manner, as described above for the inventive method.
  • a means of transportation which has a hybrid drive system according to the invention.
  • the means of transportation may be designed as a road, rail, air and / or watercraft.
  • Power distribution preferably takes place in the operating strategy or power management (eg parallel, power-split hybrid), taking into account all energy losses in the drive train.
  • the approach is very variable (efficiency maps of internal combustion engine and electric motor are exchanged) and applicable to various combinations of internal combustion engines and electric motors (including multi-engine systems).
  • the energy-related charge state has a similar effect to a self-learning algorithm, which levels off in the course of operation (from a few stretches of road) to a value.
  • This value reflects the boundary conditions (eg power requirement, route condition, driver profile, etc.). For example, if the track of a train contains many stops or downhill grades, much braking energy can be recuperated. This energy is "free”. As a result, the energy-related charge state becomes comparatively high. In power management, the electrical branch is therefore used more than on other routes. If the route is very long and little braking energy is recuperated (eg due to little downhill gradients or few stops), but the energy store is often charged by means of the internal combustion engine, the energy-related state of charge is low (less than 1) and the electric motor is rarely used by the engine. since the energy transformed by it is essentially of internal combustion engine origin anyway.
  • boundary conditions eg power requirement, route condition, driver profile, etc.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of a means of transport according to the invention with an embodiment of a hybrid drive system according to the invention
  • Figure 2 is an illustration of another embodiment of a hybrid
  • FIG. 3 shows an example of a comparison of different sections of an upcoming route
  • FIG. 4 shows a flowchart illustrating steps of an embodiment of a method according to the invention for operating a hybrid drive system
  • Figure 5 is a flow chart illustrating steps of another
  • Embodiment of the method according to the invention for operating a hybrid drive system Embodiment of the method according to the invention for operating a hybrid drive system.
  • FIG. 1 shows a car 10 as a means of transport, in which a hybrid drive system 1 is provided.
  • a battery 1 1 is provided as an electrochemical energy storage for feeding an electric motor 2.
  • the electric motor 2 can be operated to drive the car 10 as well as a generator as an electrical energy source for feeding the battery 1 1.
  • An internal combustion engine 3 is provided on the one hand for driving the car 10 and on the other hand for on-demand charging of the battery 1 1 via the electric motor 2 which can be operated as a generator.
  • An electronic control unit 12 as evaluation is information technology connected to an antenna 4, through which the car 10 can locate, for example, to determine a starting position of an upcoming route.
  • a data memory 13 is connected in terms of information technology to the electronic control unit 12, so that a plurality of known, already driven routes courses and identifiers of authorized users for the evaluation by the electronic control unit 12 are kept.
  • the electronic control unit 12 is arranged to execute a method of operating the hybrid drive system 1, for which an example will be described below in connection with FIG.
  • FIG. 2 shows components of a hybrid drive system in which a multiplicity of mechanical and electrical secondary consumers 5 are symbolically arranged between internal combustion engine 3 and electric motor 2.
  • a mechanical transmission 6 is used to adjust the rotational speed of the internal combustion engine 3 and the electric motor 2 to a current driving speed.
  • Figure 3 shows examples of sections I, II, III, IV of a route, which is driven by the car 10 as a means of transport.
  • Sections I to IV of the route are the benefits PVM, PEM and Pi st as well as energy expenditure related load states ELZ assigned.
  • PV stands for the performance of the internal combustion engine and is in sections I and II greater than 0 and in section III due to the required regenerative operation of the electric motor much greater than 0.
  • the power PVM is equal to 0, since the ride downhill alone from the altitude energy of the car 10 denied and additional energy can be recuperated (PEM less than 0).
  • the power PE of the electric motor is 0.
  • the electric motor is used to assist (“boost") and emits electrical energy (PEM greater than 0).
  • the generator operation in sections III, IV causes an electric power of the electric motor less than 0.
  • the implementation of chemical energy from fossil fuels is in the form of a power also indicated and corresponds to the power P V M of the internal combustion engine, since the power P « s t represents, so to speak, the energy required for the output from the engine power PVM.
  • the energy expenditure-related charge state ELZ is a unit-free variable and is taken into account in the selection of an operating state of the hybrid drive system. For the first two sections I, II of the illustrated route the energy expenditure-related state of charge ELZ is constant, since so far no fossil fuels have been used to charge the battery. In section III, the energy expenditure related state of charge (ELZ) decreases because discharging the battery due to the boost operation in section II has required an immediate charge.
  • the charging process can be initiated, for example, due to the entry into a charging state with high internal resistance or even damage potential for the battery.
  • Section IV the energy-related state of charge ELZ increases again, since the battery is still charged, but the added electrochemical energy is provided "free” due to the descent downhill. In this way, the average "price" for a unit of energy stored in the battery is lowered.
  • the overall efficiency of the operation of the hybrid drive system can be considered high, provided that the motor operation of the electric motor takes place at a high energy-related charge state ELZ. In other words, in order to reduce the overall efficiency at a later, subsequent to the section IV area (not shown), an operation of the electric motor are more advocated to increase the overall efficiency, as if the battery identical state of charge due to a higher investment of fossil fuels.
  • the once traveled route is stored and optionally stored together with other information, such as.
  • the traction preset eg, boost operation in Section II is required by the operator due to a user speed specification
  • this information may be used to decide on recuperation operation in Section III.
  • recuperation operation For example, in the case of a renewed journey on the same route, it can be taken into account that a long journey downhill into section IV follows the plateau in section III. Compared to an initial trip on the same leg, it can be accepted that the state of charge of the battery in Section III will remain below a predefined threshold for a certain period of time, whereas this would not be tolerated without experience with the track to maintain flexibility and / or mobility.
  • the energy-related charge state ELZ in section III drops sharply (for example, as is usual in the prior art), since the electric motor is used in generator-operated operation driven by the internal combustion engine.
  • the self-learning method can the overall efficiency when driving on the illustrated Increase route.
  • ELZ is the ratio of energy stored in the energy storage E BAT and energy expenditure E A , where E BAT is calculated from the integral of the battery power P BAT over the time t, cf. Equation 2.1 and 2.2.
  • E BAT is calculated from the integral of the battery power P BAT over the time t, cf. Equation 2.1 and 2.2.
  • E A is calculated according to Equation 2.3.
  • Section III a power surplus is provided by the internal combustion engine, at the same time the electric motor is operated as a generator and charged the electrochemical energy storage.
  • the energy E A consumed is the integral of the fuel power P ' S T spent for charging the electrochemical store (a proportion of the fossil power P KST or P V spent on electrical charging, respectively) over time, cf. equation 2.4.
  • both EBAT and EA increase as P'KST > 0 ⁇ ELZ decreases as PBAT ⁇ P 'KST.
  • P 'KST 0 and Equation 2.5 holds.
  • FIG. 4 shows a flow chart illustrating steps of a method for operating a hybrid drive system for a means of transportation or for multi-motor systems, as used, for example, in a rail vehicle (in particular a railcar). find.
  • step 100 an upcoming route is determined.
  • step 200 a traction default is calculated from the route. This can take into account, for example, a braking / acceleration behavior, a speed specification selected on a respective section of the route, etc.
  • step 300 possible, expected operating states of the electric motor and of the internal combustion engine to fulfill the traction target on the upcoming route are determined.
  • step 400 an energy-related state of charge is determined, as proposed for the assessment of an overall efficiency of the hybrid propulsion system. For this purpose, a ratio of energy stored in the electrochemical energy store and energy required to generate the stored energy is determined.
  • possible overall efficiencies of the drive system are determined based on the operating states of the drive components and the energy consumption related state of charge determined in step 300.
  • respective operating states of the electric motor and of the internal combustion engine are selected on the basis of a maximum determined overall efficiency for the journey on the upcoming route. This can also mean, for example, a timely charge of the electrochemical energy storage by means of fossil energies, provided reloading in the course of the route would be required anyway.
  • Equation 3 The following is an example of a relationship for determining an overall efficiency in which the amount of "energy-related state of charge” is included as ELZ. Equation 3
  • nc e s Air is the total efficiency at a particular operating state PVM for the power output of the used internal combustion engine, PEM for the power output or recording (in the latter case signed, negative sign generator operation) of the electric motor, PNV for the power consumption of the secondary consumers (mechanical as well as electric), and P K ST stands for the applied fuel performance.
  • charging mode ie when the energy storage of the energy store is electrical, the battery power is PBAT> 0.
  • the electric motor according to the prior art is preferably used to meet the power requirement in hybrid operation because of the higher efficiency of electromechanical energy conversion. If the permissible battery state of charge is undershot and no energy can be recuperated, the energy storage device always has to be recharged by the combustion engine in the event of high energy conversion losses. This is carried out according to the prior art even if it is not sensible from an energetic point of view (considered over a longer period of time). By taking into account the energy expenditure related state of charge ELZ according to the above equation, the fuel consumption when charging the energy storage is taken into account.
  • FIG. 5 shows steps of an exemplary embodiment of a method according to the invention for operating a hybrid drive system.
  • step 1000 information is recorded during charging of an energy store, by means of which an association between an amount of energy stored in the energy store and an amount of energy used to store the amount of energy can take place.
  • the recording can be time-continuous and / or continuous-value or time-discrete and / or value-discreet and, for example, stored in a log file, which is connected in terms of information technology to an evaluation unit.
  • step 2000 an amount of energy that has been expended to charge the energy storage is determined.
  • the aforementioned data memory or the log file can be read out by an electronic control unit / an evaluation unit.

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Abstract

Es werden ein Fortbewegungsmittel, ein hybrides Antriebssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines hybriden Antriebssystems, insbesondere für ein Fortbewegungsmittel (10), vorgeschlagen. Das hybride Antriebssystem weist einen Motor, eine Verbrennungskraftmaschine und einen Energiespeicher zur Speisung des Motors auf. Erfmdungsgemäß wird eine Energiemenge ermittelt (2000), welche aufgewandt wurde, um den Energiespeicher (11) zu laden. Ferner wird in Abhängigkeit von der aufgewandten Energiemenge entschieden (3000), ob der Motor (2), die Verbrennungskraftmaschine (3) oder sowohl der Motor (2) und die Verbrennungskraftmaschine (3) betrieben werden.

Description

BESCHREIBUNG
Hybrides Antriebssystem, Fortbewegungsmittel und Verfahren zum Betreiben eines hybriden Antriebssystems Die vorliegende Erfindung betrifft ein hybrides Antriebssystem, ein Fortbewegungsmittel sowie ein Verfahren zum Betreiben eines hybriden Antriebssystems, insbesondere für ein Fortbewegungsmittel.
Hybride Antriebssysteme umfassen üblicherweise eine Verbrennungskraftmaschine und mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher sowie einen Elektromotor. Für die Energieumwandlung mittels dieser Komponenten sind die jeweiligen Zustände und Betriebspunkte relevant. Während der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine oder des Elektromotors beispielsweise stark von deren Drehzahl und Drehmoment abhängt, hängt der Innenwiderstand eines elektrochemischen Energiespeichers auch von dessen Ladezustand (State of Charge, SOC) ab. Im Verbund miteinander ergeben sich für die Komponenten vergleichsweise komplizierte Abhängigkeiten bei der Ermittlung eines optimalen Gesamtwirkungsgrades. Im Stand der Technik basiert das Leistungsmanagement im Antriebsstrang-Steuergerät eines hybriden Antriebsstrangs meist auf einer statischen Tabelle, welche aufwendig bedatet werden muss. Mit einer solchen Tabelle kann während des Betriebs nicht auf geänderte Randbedingungen reagiert werden. Durch den beschränkten Umfang der Tabelle wird der Betriebspunkt der eingesetzten Antriebsmaschinen häufig nicht wirkungsgradoptimal eingestellt. Bei Hybridantrieben kommt der Leistungsaufteilung zwischen den verbauten Antriebsmaschinen eine entscheidende Bedeutung zu, um das volle Potenzial zur Verbrauchssenkung zu heben. Im Leistungsmanagement wird die Leistung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Elektromotor in Abhängigkeit vom Betriebspunkt (und/oder „Lastzustand") aufgeteilt. Zusätzlich müssen jedoch eine Reihe zusätzlicher Verbraucher mit mechanischer und elektrischer Energie versorgt werden.
Aus dem vorgenannten Stand der Technik ergibt sich ein Bedarf an einer verbesserten Strategie zum Betreiben eines hybriden Antriebssystems.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben, insbesondere zur Wirkungsgradverbesserung, eines hybriden Antriebssystems, insbesondere für ein Fortbewegungsmittel, gelöst. Das hybride Antriebssystem umfasst einen Motor, insbesondere Elektromotor, welcher im motorischen Betrieb als Antrieb, beispielsweise für das Fortbewegungsmittel, zudem aber auch generatorisch betrieben werden kann. Zusätzlich ist eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, welche beispielsweise fossile Brennstoffe in mechanische Leistung umwandelt. Ein insbesondere elektrochemischer Energiespeicher ist zur Speisung des Motors vorgesehen. Nachfolgend wird der Anschaulichkeit halber von einem Motor/Elektromotor und einem insbesondere elektrochemischen Energiespeicher gesprochen, obwohl beispielsweise der Energiespeicher alternativ oder zusätzlich einen Drucklufttank oder ein Schwungmasserad umfassen kann und der Motor beispielsweise alternativ oder zusätzlich einen Druckluftmotor oder ein Getriebe zur Übertragung der kinetischen Energie der Schwungmasse an ein Fahrwerk des Fortbewegungsmittels umfassen kann. In geeigneten Betriebszuständen kann der Energiespeicher die durch Rekuperation gewandelte kinetische Energie des Fortbewegungsmittels speichern.
Sofern der Ladezustand des Energiespeichers in Abwesenheit von rekuperierbarer kinetischer Bewegungsenergie angehoben werden soll, kann die von der Verbrennungskraftmaschine abgegebene mechanische Leistung mit Hilfe des generatorisch betriebenen Elektromotors in elektrische Leistung gewandelt und im Energiespeicher gespeichert werden. Optional kann auch ein zusätzlicher Generator zur Rekuperation oder zum Aufladen des Energiespeichers mit Hilfe der Verbrennungskraftmaschine vorhanden sein.
Das hybride Antriebssystem wird beispielsweise wie folgt betrieben: Zunächst wird eine Energiemenge ermittelt, welche aufgewandt wurde, um den Energiespeicher zu laden. Diese ermittelte Energiemenge bezieht sich somit auf einen Aufwand zum Laden des Energiespeichers in der Vergangenheit. Beim Laden eines Energiespeichers treten Wandlungsverluste auf, welche wichtig dafür sind, welche„Kosten" entstanden sind, bzw. wieviel Energie aufgewendet werden musste, um die im Energiespeicher gespeicherte Energiemenge zu speichern. Die ermittelte Energiemenge wird dann dazu verwendet, zu entscheiden, ob der Motor oder die Verbrennungskraftmaschine oder eine Kombination aus dem Motor (motorisch oder generatorisch) und der Verbrennungskraftmaschine betrieben werden. Somit kann die Entscheidung, in welcher Art und Weise das hybride Antriebssystem verwendet wird, auf eine breitere Informationsbasis gestellt werden. Insbesondere kann bei einer Ermittlung eines Gesamtwirkungsgrades des hybriden Antriebssystems berücksichtigt werden, welche Wandlungsverluste beim Laden des Energiespeichers aufgetreten sind. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Beim Ermitteln der aufgewandten Energiemenge kann festgestellt werden, dass der Energiespeicher zumindest anteilig mittels der Verbrennungskraftmaschine geladen wurde. Mit anderen Worten, es wird hierbei ermittelt, dass ein hoher energetischer Aufwand geleistet wurde, um den aktuellen Ladezustand zu erreichen. Dies kann dazu verwendet werden, diese gespeicherte Energie dann einzusetzen, wenn ihr Einsatz lohnenswert erscheint. Lohnenswert kann dabei insbesondere so verstanden werden, dass der durch den Einsatz der abgespeicherten Energie erzielte Effekt, z. B. ein bestimmtes Antreiben oder ein Fahren eines Fortbewegungsmittels, in einer aktuellen Situation wichtig ist. Der Einsatz der abgespeicherten Energie kann beispielsweise in einer Situation eingesetzt werden, in der von einem Fortbewegungsmittel eine Strecke gefahren wird, auf der in naher Zukunft Energie günstig oder nahezu kostenlos durch Rekuperation wiedergewonnen werden kann. Damit der zugeordnete Energiespeicher eine genügend große freie Kapazität hat, kann zuvor zumindest ein Teil der abgespeicherten Energie verbraucht werden. Sofern die aufgewandte Energiemenge zum Laden des Energiespeichers„kostengünstig", z. B. mittels Rekuperation, erhalten wurde, kann die Nutzung der im Energiespeicher gespeicherten Energie auch bei geringem Vorteil lohnenswert erscheinen.
Um Informationen dafür bereitzuhalten, zu welchem Anteil der Energiespeicher kostspielig oder kostengünstig geladen wurde, kann beim Laden des Energiespeichers eine Log-Datei mit Daten dazu befüllt wird, welche Energiequellen (verbrennungsmotorisch, Rekuperation, etc.) aktuell (und gegebenenfalls zu welchem Prozentsatz) am Ladestrom bzw. an der Ladeleistung beteiligt sind. Die Log-Datei kann zur Entscheidungsfindung darüber, ob die im Energiespeicher gespeicherte Energie aktuell für einen Antrieb des Fortbewegungsmittels verwendet werden soll, ausgelesen und ausgewertet werden. Dies erhöht die Effizienz des hybriden Antriebssystems.
Das hybride Antriebssystem kann einen Elektromotor aufweisen, welcher im motorischen Betrieb beispielsweise als Antrieb für das Fortbewegungsmittel dient, zudem aber auch generatorisch betrieben werden kann. Zusätzlich ist die Verbrennungskraftmaschine vorgesehen. Ein elektrochemischer Energiespeicher ist zur Speisung des Elektromotors vorgesehen. Das hybride Antriebssystem kann wie folgt betrieben werden: Es wird eine Traktionsvorgabe oder „Fahrprofilvorgabe" ermittelt, welche beispielsweise durch einen Anwender und/oder durch einen Autopiloten und/oder durch ein bereits zu einem früheren Zeitpunkt gewähltes Fahrprofil vordefiniert sein kann. Sofern der Anwender für einen bestimmten Fahrstil steht bzw. ein Fahrroboter ein bestimmtes Fahrprofil ausgibt, können entsprechende Informationen verwendet werden, um ein Last- und/oder Geschwindigkeitsprofil als Fahrprofilvorgabe bzw. Traktionsvorgabe zu verwenden. Die Traktionsvorgabe kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem aktuellen Datum und/oder einer aktuellen Tageszeit gewählt werden. Allgemein kann die Traktionsvorgabe zur Identifikation einer Soll-Betriebsweise des Antriebssystems verwendet werden. Auch eine generelle Kategorisierung nach Art eines defensiven oder offensiven Fahrstils kann verwendet werden, um das Verfahren einzuleiten. In einem nächsten Schritt werden mögliche Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine zur Erfüllung der Traktionsvorgabe ermittelt. Anhand vordefmierter Kennfelder kann bestimmt werden, in welchen Betriebszuständen die einzelnen Komponenten des hybriden Antriebsstrangs betrieben werden können. Beispielsweise können durch eine Auswertung von Bauteilbetriebsgrenzen und/oder Zustandsgrößen wie z.B. der Temperatur von Kühlmittel oder Abgasnachbehandlungskomponenten die möglichen Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine und des Elektromotors eingegrenzt und/oder erweitert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Vielzahl möglicher Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine sowie des Energiespeichers dahingehend ermittelt werden, wie lange bestimmte Betriebszustände (z. B. hohe Leistungsabgabe des Elektromotors) beibehalten werden, bis ein geändertes Betriebsverhalten gewählt wird, beispielsweise wegen der Unterschreitung eines kritischen Ladezustands des Energiespeichers.
Bevorzugt wird auch ein Verhältnis von im Energiespeicher gespeicherter Energie zu einem Energieaufwand zur Erzeugung der gespeicherten Energie ermittelt. Das Verhältnis aus gespeicherter Energie und Energieaufwand zur Erzeugung der gespeicherten Energie wird nachfolgend auch kurz als "energieaufwandsbezogener Ladezustand" bezeichnet. Der energieaufwandsbezogene Ladezustand berücksichtigt die relevante Annahme, dass der Elektromotor aus einem Energiespeicher mit endlicher Kapazität gespeist wird. Die im Energiespeicher gespeicherte Energie muss daher entweder bei einem Stopp des Fortbewegungsmittels von außen zugeführt oder während eines Betriebs des Fortbewegungsmittels„an Bord" erzeugt werden. Dies erfolgt entweder durch Rekuperation von Bewegungsenergie bzw. Bremsenergie, welche ohne Aufwand von z.B. Kraftstoffenergie, also "kostenlos", bereitgestellt wird, oder durch Lastpunktverschiebung der Verbrennungskraftmaschine, wodurch zusätzlich Treibstoffenergie aufgewandt und bei vergleichsweise hohen Wandlungsverlusten zum Aufladen des Energiespeichers eingesetzt wird. Daher kann es vorgesehen sein, den energieaufwandsbezogenen Ladezustand in die Betriebsstrategie einzuführen, um die zu- und abfließenden Energieströme des elektrochemischen Energiespeichers unter Berücksichtigung der dafür aufgewendeten Energie zu bilanzieren. Hierbei wird die momentan gespeicherte Energie zu derjenigen Energie in ein Verhältnis gestellt, welche zur Erzeugung der in der Batterie gespeicherten Energie aus anderweitigen Energieformen, z.B. Kraftstoffenergie, gewandelt wurde. Auf Basis der Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine sowie auf Basis des energieaufwandsbezogenen Ladezustandes werden mögliche, zu erwartende Gesamtwirkungsgrade des Antriebssystems ermittelt. Anschließend werden jeweilige Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine anhand eines größten ermittelten Gesamtwirkungsgrades ausgewählt. Mit anderen Worten, es werden in Anbetracht der ermittelten Umstände und unter Berücksichtigung des energieaufwandsbezogenen Ladezustandes die jeweiligen gemeinsamen Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine ausgewählt, welche bei der Erfüllung der Traktionsvorgabe einen größten Gesamtwirkungsgrad für das hybride Antriebssystem erzielen.
Sofern verfügbar, kann ein bevorstehender Streckenverlauf, umfassend insbesondere ein Höhenprofil, ermittelt und eine für den bevorstehenden Streckenverlauf zu erwartende Traktionsvorgabe bestimmt werden. Der Streckenverlauf kann beispielsweise deterministisch oder wahrscheinlichkeitsbasiert ermittelt werden. Ein bevorstehender Streckenverlauf kann anhand eines Fahrplans, einer Auswertung von Informationen zur Positionserkennung (z.B. GPS), einer Anwendereingabe, einer bereits gefahrenen Teilstrecke o. ä. bestimmt werden.
Der bevorstehende Streckenverlauf kann beispielsweise derart bestimmt werden, dass er an einem nächsten Versorgungspunkt zur Aufnahme externer elektrischer Energie und/oder fossiler Brennstoffe durch das Fortbewegungsmittel endet. Eine solche Position kann auch als Lade- und/oder Tankstopp bezeichnet werden. Da externe elektrische Energie meist kostengünstiger als mit Bordmitteln gewandelte elektrische Energie bereitgestellt werden kann, kann das derart festgelegte Ende des Streckenverlaufes oder Belastungsprofils über die Zeit für die Betriebszustände des hybriden Antriebssystems bei der Fahrt entlang des Streckenverlaufs relevant sein. Beispielsweise hängt die Verfügbarkeit von im Energiespeicher gespeicherter Energie davon ab, ob die bevorstehende Strecke eine bestimmte Länge oder eine bestimmte energetische Signatur unter- oder überschreitet. Beispielsweise kann auf Basis der Information eines bevorstehenden Streckenverlaufs und einer daraus ermittelten Traktionsvorgabe in der Betriebsstrategie verstärkt auf elektromotorischen Betrieb und eine damit einhergehende Entladung des Energiespeichers gesetzt werden, da im weiteren Streckenverlauf, beispielsweise durch ein Bremsmanöver oder eine Gefällefahrt, die Rekuperation großer Energiemengen möglich ist.
Zudem kann beispielsweise anhand einer Positionsbestimmung und/oder der Bestimmung eines bevorstehenden Streckenverlaufs bei der Wahl möglicher Betriebszustände die Option der externen Aufnahme elektrischer Energie (z.B. an Versorgungspunkten) und deren Speicherung im Energiespeicher berücksichtigt werden. Dem liegt die Annahme zugrunde, dass dem Fortbewegungsmittel von extern zugeführte elektrische Energie kostengünstiger bereitgestellt werden kann, als mit Bordmitteln gewandelte elektrische Energie.
Die Traktionsvorgabe hängt beispielsweise von einer aktuellen Position eines Fortbewegungsmittels und einer für das Fortbewegungsmittel vordefinierten Sollposition ab. Alternativ oder zusätzlich kann eine z. B. maximale Sollgeschwindigkeit eines Fortbewegungsmittels die Traktionsvorgabe beeinflussen.
Das Ermitteln von Gesamtwirkungsgraden des hybriden Antriebssystems auf dem Streckenverlauf kann eine Auswertung gespeicherter Wirkungsgradkennfelder für den Elektromotor und die Verbrennungskraftmaschine umfassen. Insbesondere kann auch ein zu erwartender Ladezustand und ein dem Ladezustand zugeordneter Energiewandlungswirkungsgrad des Energiespeichers berücksichtigt werden. Optional kann auch der energieaufwandsbezogene Ladezustand in einem lokal gespeicherten Referenzdatensatz mitgeführt und bei der Ermittlung des Gesamtwirkungsgrades berücksichtigt werden. Das Ermitteln des energieaufwandsbezogenen Ladezustandes des Energiespeichers kann beispielsweise anhand eines nutzbaren Anteils von im Energiespeicher gespeicherter Energie erfolgen. Hierbei wird ein nutzbares Ladezustandsfenster des Energiespeichers ausgewertet. Das Ladezustandsfenster, im Folgenden als SOC-Fenster (State-of-Charge-Fenster) bezeichnet, kann kleiner sein als die physikalisch maximal mögliche Kapazität des Energiespeichers. Durch eine Einschränkung des SOC-Fensters wird verhindert, dass während des Betriebs den Energiespeicher schädigende Ladezustände und/oder Ladezustände mit hohem Innen widerstand erreicht werden. Ein solches„SOC-Fenster" kann auch in mehreren Abstufungen derart definiert sein, dass den Innenwiderstand bzw. einen zugeordneten Wirkungsgrad bei Lade- und Entladevorgängen quantifizierende SOC-Fenster oder SOC-Bereiche in Stufenform oder kontinuierlich einen gewissen übergeordneten SOC-Spektrumsbereich des Energiespeichers oder gar den gesamten physikalisch möglichen SOC-Bereich informationstechnisch partitionieren. Für die unterschiedlichen Partitionen können jeweilige Attribute festgelegt werden, über welche die Verwendung des Energiespeichers in dem SOC-Bereich bewertet und an vordefinierte Bedingungen geknüpft werden kann.
Erfindungsgemäß wird ferner ein hybrides Antriebssystem vorgeschlagen. Das hybride Antriebssystem kann ein Fortbewegungsmittel, z. B. ein elektrisch unterstützt antreibbares Fortbewegungsmittel, bewegen. Eine Auswerteeinheit ist eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahrens zum Betreiben des hybriden Antriebssystems auszuführen. Entsprechend kann das hybride Antriebssystem optional einen Datenspeicher, eine Ortungseinrichtung und/oder Mittel zur Erkennung eines vordefinierten Anwenders zur Ermittlung einer Traktionsvorgabe umfassen. Auf diese Weise ist das hybride Antriebssystem eingerichtet, die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile in entsprechender Weise, wie oben zum erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, zu verwirklichen.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches ein erfindungsgemäßes hybrides Antriebssystem aufweist. Das Fortbewegungsmittel kann als Straßen-, Schienen-, Luft- und/oder Wasserfahrzeug ausgestaltet sein. Bevorzugt erfolgt die Leistungsaufteilung in der Betriebsstrategie oder einem Leistungsmanagement (z. B. parallel, Power-Split Hybrid) unter der Berücksichtigung aller Energieverluste im Antriebsstrang. Durch den energieaufwandsbezogenen Ladezustand wird der Einfluss von Energieaufwand (z. B. Kraftstoffenergie = Kosten) mit berücksichtigt. Der Ansatz ist sehr variabel (Wirkungsgradkennfelder von Verbrennungsmaschine und Elektromotor werden getauscht) und auf verschiedene Kombinationen von Verbrennungsmaschinen und Elektromotoren (auch Mehrmotoranlagen) anwendbar. Der energieaufwandsbezogene Ladezustand wirkt ähnlich wie ein selbstlernender Algorithmus, der sich im Laufe des Betriebs (von wenigen Streckenabschnitten) auf einen Wert einpendelt. Dieser Wert spiegelt die Randbedingungen (z. B. wie Leistungsbedarf, Streckenbeschaffenheit, Fahrerprofil usw.) wieder. Enthält zum Beispiel die Strecke einer Bahn viele Haltestellen oder Gefällestrecken, kann viel Bremsenergie rekuperiert werden. Diese Energie ist "kostenlos". Hierdurch wird der energieaufwandsbezogene Ladezustand vergleichsweise hoch. Im Leistungsmanagement wird der elektrische Zweig daher mehr eingesetzt als auf anderen Strecken. Ist die Strecke sehr lang und es wird wenig Bremsenergie rekuperiert (z. B. durch wenig Gefällestrecken oder wenige Zwischenstopps), sondern der Energiespeicher oft mittels der Verbrennungskraftmaschine geladen, wird der energieaufwandsbezogene Ladezustand niedrig (kleiner 1) und der Elektromotor nur selten motorisch genutzt, da die durch ihn gewandelte Energie ohnehin im Wesentlichen verbrennungsmotorischen Ursprungs ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hybriden Antriebssystems;
Figur 2 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines hybriden
Antriebssystems;
Figur 3 ein Beispiel einer Gegenüberstellung unterschiedlicher Abschnitte eines bevorstehenden Streckenverlaufes; Figur 4 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines hybriden Antriebssystems, und
Figur 5 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines weiteren
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines hybriden Antriebssystems.
Figur 1 zeigt einen Pkw 10 als Fortbewegungsmittel, in welchem ein hybrides Antriebssystem 1 vorgesehen ist. Hierbei ist eine Batterie 1 1 als elektrochemischer Energiespeicher zur Speisung eines Elektromotors 2 vorgesehen. Der Elektromotor 2 kann zum Antrieb des Pkws 10 sowie generatorisch als elektrische Energiequelle zur Speisung der Batterie 1 1 betrieben werden. Ein Verbrennungsmotor 3 ist einerseits zum Antrieb des Pkws 10 und andererseits zur bedarfsweisen Ladung der Batterie 1 1 über den als Generator betreibbaren Elektromotor 2 vorgesehen. Ein elektronisches Steuergerät 12 als Auswerteeinheit ist informationstechnisch mit einer Antenne 4 verbunden, über welche sich der Pkw 10 orten kann, um beispielsweise eine Startposition eines bevorstehenden Streckenverlaufes zu ermitteln. Ein Datenspeicher 13 ist informationstechnisch mit dem elektronischen Steuergerät 12 verbunden, sodass eine Vielzahl bekannter, bereits gefahrener Strecken Verläufe sowie Kennungen zugelassener Anwender für die Auswertung durch das elektronische Steuergerät 12 bereitgehalten werden. Zusätzlich ist das elektronische Steuergerät 12 eingerichtet, ein Verfahren zum Betreiben des hybriden Antriebssystems 1 auszuführen, für welches ein Beispiel in Verbindung mit Figur 4 weiter unten beschrieben wird.
Figur 2 zeigt Komponenten eines hybriden Antriebssystems, in welchem zwischen Verbrennungsmotor 3 und Elektromotor 2 symbolisch eine Vielzahl mechanischer und elektrischer Nebenverbraucher 5 angeordnet ist. Ein mechanisches Getriebe 6 dient der Drehzahlanpassung von Verbrennungsmotor 3 und Elektromotor 2 an eine aktuelle Fahrgeschwindigkeit. Die elektrische Adaption zwischen dem Elektromotor 2 und der Batterie 1 1 erfolgt über einen Zwischenkreis 7, welcher einen Wechselrichter 8 und einen Gleichrichter 9 aufweist, um die Gleichspannung der Batterie 1 1 in eine für den Betrieb des Elektromotors 2 erforderliche Wechsel Spannung umzuwandeln und im Fall einer Rekuperation vom Elektromotor 2 bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln, mittels welcher die Batterie 1 1 geladen wird. Figur 3 zeigt Beispiele von Abschnitten I, II, III, IV eines Streckenverlaufes, welcher durch den Pkw 10 als Fortbewegungsmittel gefahren wird. Den Abschnitten I bis IV des Streckenverlaufes sind die Leistungen PVM, PEM und Pi st sowie energieaufwandsbezogene Ladezustände ELZ zugeordnet. PV steht für die Leistung der Verbrennungskraftmaschine und ist in den Abschnitten I und II größer als 0 und im Abschnitt III aufgrund des erforderlich gewordenen generatorischen Betriebes des Elektromotors sehr viel größer als 0. Erst im Abschnitt IV wird die Leistung PVM gleich 0, da die Fahrt bergab allein aus der Höhenenergie des Pkws 10 bestritten und zusätzlich Energie rekuperiert werden kann (PEM kleiner als 0). Anfänglich (Abschnitt I) ist die Leistung PE des Elektromotors gleich 0. Im Abschnitt II wird der Elektromotor zum Unterstützen ("Boosten") verwendet und gibt elektrische Energie ab (PEM größer als 0). Der generatorische Betrieb in den Abschnitten III, IV bedingt eine elektrische Leistung des Elektromotors kleiner als 0. Die Umsetzung chemischer Energie aus fossilen Brennstoffen ist in Form einer Leistung
Figure imgf000012_0001
ebenfalls angegeben und korrespondiert zur Leistung PVM des Verbrennungsmotors, da die Leistung P«st sozusagen den Energieaufwand für die vom Verbrennungsmotor abgegebene Leistung PVM darstellt. Der energieaufwandsbezogene Ladezustand ELZ ist eine einheitenlose Größe und wird bei der Wahl eines Betriebszustandes des hybriden Antriebssystems berücksichtigt. Für die ersten beiden Abschnitte I, II des dargestellten Streckenverlaufes ist der energieaufwandsbezogene Ladezustand ELZ konstant, da bislang keine fossilen Energieträger zur Ladung der Batterie verwendet worden sind. Im Abschnitt III sinkt der energieaufwandsbezogene Ladezustand ELZ, da das Entladen der Batterie aufgrund des Boost-Betriebs in Abschnitt II einen sofortigen Ladevorgang erfordert hat. Der Ladevorgang kann beispielsweise aufgrund des Eintritts in einen Ladezustand mit hohem Innenwiderstand oder gar Schädigungspotential für die Batterie initiiert werden. In Abschnitt IV steigt der energieaufwandsbezogene Ladezustand ELZ wieder an, da die Batterie zwar weiterhin geladen wird, die hinzugekommene elektrochemische Energie jedoch aufgrund der Bergabfahrt "kostenlos" bereitgestellt wird. Auf diese Weise wird der mittlere "Preis" für eine in der Batterie gespeicherte Energieeinheit gesenkt. Der Gesamtwirkungsgrad des Betriebs des hybriden Antriebssystems kann als hoch betrachtet werden, sofern der motorische Betrieb des Elektromotors bei hohem energieaufwandsbezogene Ladezustand ELZ erfolgt. Mit anderen Worten wird zur Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades zu einem späteren, sich an den Abschnitt IV anschließenden Bereich (nicht dargestellt) ein Betrieb des Elektromotors stärker befürwortet werden, um den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen, als wenn die Batterie einen identischen Ladezustand allein aufgrund einer höheren Investition fossiler Brennstoffe erlangt hätte.
Wird der einmal gefahrene Streckenverlauf abgespeichert und optional gemeinsam mit anderen Informationen abgespeichert, wie z.B. der Traktionsvorgabe (z. B. Boost-Betrieb in Abschnitt II aufgrund einer Geschwindigkeitsvorgabe durch den Anwender erforderlich), können diese Erkenntnisse zur Entscheidung über den Rekuperationsbetrieb in Abschnitt III verwendet werden. Beispielsweise kann bei einer erneuten Fahrt auf derselben Strecke die Erkenntnis berücksichtigt werden, dass sich an die Hochebene in Abschnitt III eine lange Fahrt bergab in Abschnitt IV anschließt. Gegenüber einer ersten Reise auf demselben Streckenabschnitt kann hingenommen werden, dass der Ladezustand der Batterie in Abschnitt III einen gewissen Zeitraum unterhalb einer vordefinierten Schwelle verbleibt, während dies ohne Erfahrung mit dem Streckenverlauf zur Beibehaltung von Flexibilität und/oder Mobilität nicht hingenommen würde. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass der energieaufwandsbezogene Ladezustand ELZ in Abschnitt III stark absinkt (beispielsweise wie im Stand der Technik üblich), da der Elektromotor im generatorischen, vom Verbrennungsmotor angetriebenen Betrieb verwendet wird. Insbesondere für den Fall, dass am Ende des dargestellten Streckenverlaufes eine als Steckdose 14 symbolisierte Versorgungseinheit zur Aufnahme externer elektrischer Energie vorhanden ist, welche einen höheren Wirkungsgrad als eine verbrennungsmotorische Erzeugung elektrochemischer Energie aufweist, kann das derart selbstlernende Verfahren den Gesamtwirkungsgrad bei der Fahrt auf dem dargestellten Streckenverlauf erhöhen.
Die Berechnung von ELZ wird im Folgenden für die in Figur 3 beschriebenen Fahrzustände in den Abschnitten I bis IV beispielhaft erläutert. ELZ ist das Verhältnis aus im Energiespeicher gespeicherter Energie EBAT und Energieaufwand EA, wobei sich EBAT aus dem Intergral der Batterieleistung PBAT über die Zeit t berechnet, vgl. Gleichung 2.1 und 2.2. In Abschnitt I, rein verbrennungsmotorischer Antrieb, und Abschnitt II, hybrider Antrieb durch Verbrennungsmotor und E-Motor, bleibt ELZ konstant. Dementsprechend berechnet sich EA nach Gleichung 2.3. Im Abschnitt III wird von der Verbrennungskraftmaschine ein Leistungsüberschuss bereitgestellt, gleichzeitig der Elektromotor generatorisch betrieben und der elektrochemische Energiespeicher geladen. In diesem Fall ist die aufgewendete Energie EA das Intergral der für das Aufladen des elektrochemischen Speichers aufgewendeten Kraftstoffleistung P' ST (ein Anteil der zum elektrischen Laden aufgewandten fossilen Leistung PKST bzw. PV ) über die Zeit, vgl. Gleichung 2.4. In Abschnitt III steigt sowohl EBAT als auch EA, da P'KST > 0· ELZ sinkt, da PBAT < P' KST. In Abschnitt IV ist P' KST = 0 und es gilt Gleichung 2.5.
Gleichung 2.1
Gleichung 2.2
Figure imgf000014_0001
Gleichung 2.3
Figure imgf000014_0002
Gleichung 2.4
Figure imgf000014_0003
Gleichung 2.5
Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Verfahrens zum Betreiben eines hybriden Antriebssystems für ein Fortbewegungsmittel oder für Mehrmotorsysteme, wie sie sich beispielsweise in einem Schienenfahrzeug (insbesondere einem Triebwagen) wiederfinden. In Schritt 100 wird ein bevorstehender Streckenverlauf ermittelt. In Schritt 200 wird aus dem Streckenverlauf eine Traktionsvorgabe berechnet. Diese kann beispielsweise ein Brems-/Beschleunigungsverhalten, eine auf einem jeweiligen Abschnitt des Streckenverlaufes gewählte Geschwindigkeitsvorgabe, etc. berücksichtigen. In Schritt 300 werden mögliche, zu erwartende Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine zur Erfüllung der Traktionsvorgabe auf dem bevorstehenden Streckenverlauf ermittelt. Insbesondere werden auf Basis eines erforderlichen Antriebsmomentes sowie auf Basis zu erwartender Betriebszustände mechanischer und elektrischer Nebenverbraucher mögliche, die Traktionsvorgabe erfüllende Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine ermittelt. In Schritt 400 wird ein energieaufwandsbezogener Ladezustand ermittelt, wie er für die Beurteilung eines Gesamtwirkungsgrades des hybriden Antriebssystems vorgeschlagen wird. Hierzu wird ein Verhältnis von im elektrochemischen Energiespeicher gespeicherter Energie und zur Erzeugung der gespeicherten Energie erforderlichem Energieaufwand ermittelt. In Schritt 500 werden mögliche Gesamtwirkungsgrade des Antriebssystems auf Basis der in Schritt 300 ermittelten Betriebszustände der Antriebskomponenten und des energieaufwandsbezogenen Ladezustandes ermittelt. Anhand dieser Gesamtwirkungsgrade werden in Schritt 600 jeweilige Betriebszustände des Elektromotors und der Verbrennungskraftmaschine anhand eines größten ermittelten Gesamtwirkungsgrades für die Fahrt auf dem bevorstehenden Streckenverlauf ausgewählt. Dies kann beispielsweise auch eine rechtzeitige Ladung des elektrochemischen Energiespeichers mittels fossiler Energien bedeuten, sofern ein Nachladen im Streckenverlauf ohnehin erforderlich würde.
Nachfolgend wird ein Beispiel für eine Beziehung zur Ermittlung eines Gesamtwirkungsgrades widergegeben, in welcher die Größe "energieaufwandsbezogener Ladezustand" als ELZ enthalten ist. Gleichung 3
Figure imgf000016_0001
In Gleichung 3 steht nces Air den Gesamtwirkungsgrad an einem bestimmten Betriebszustand PVM für die Leistungsabgabe der verwendeten Verbrennungskraftmaschine, PEM für die Leistungsabgabe oder -aufnähme (in letzterem Fall vorzeichenbehaftet, generatorischer Betrieb mit negativem Vorzeichen) des Elektromotors, PNV für die Leistungsaufnahme der Nebenverbraucher (mechanisch sowie elektrisch), und PKST steht für die aufgewandte Kraftstoffleistung. Im Ladebetrieb, also bei elektrischer Leistungsaufnahme des Energiespeichers, ist die Batterieleistung PBAT > 0. Im Entladebetrieb ist PBAT < 0· Das bedeutet PßAT-Laden >= 0 (beim Entladen ist PßAT-Laden = 0). Entsprechend gilt PßAT-Entiaden <= 0 (beim
Laden ist PßAT-Entladen = 0). Die Leistungen PVM, PEM und P V stellen die Leistungsanforderung aufgrund der Betriebssituation des hybriden Antriebssystems dar.
Ohne den energieaufwandsbezogenen Ladezustand ELZ in der vorgenannten Gleichung oder in der Beziehung ELZ = 1 (bzw. ELZ = konstant) wird der Elektromotor gemäß dem Stand der Technik wegen des höheren Wirkungsgrades der elektromechanischen Energiewandlung bevorzugt zur Erfüllung der Leistungsanforderung im Hybridbetrieb verwendet. Wird der zulässige Batterieladezustand unterschritten und es kann keine Energie rekuperiert werden, muss der Energiespeicher bei hohen Energiewandlungsverlusten stets durch den Verbrennungsmotor wieder aufgeladen werden. Dies wird gemäß dem Stand der Technik auch dann durchgeführt, wenn es aus energetischen Gesichtspunkten (über einen längeren Zeitraum betrachtet) nicht sinnvoll ist. Durch die Berücksichtigung des energieaufwandsbezogenen Ladezustandes ELZ gemäß der obigen Gleichung wird auch der Kraftstoffverbrauch beim Aufladen des Energiespeichers berücksichtigt. Wird ELZ niedrig, steigt der Energieaufwand entsprechend der obigen Gleichung zur Bereitstellung elektrischer Leistung an. Figur 5 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines hybriden Antriebssystems. In Schritt 1000 wird eine Information während eines Ladens eines Energiespeichers aufgezeichnet, mittels welcher eine Zuordnung zwischen einer im Energiespeicher gespeicherten Energiemenge und einer zur Speicherung der Energiemenge aufgewandten Energiemenge erfolgen kann. Die Aufzeichnung kann zeit- und/oder wertkontinuierlich oder zeit- und/oder wertdiskret erfolgen und beispielsweise in einer Log- Datei hinterlegt werden, welche informationstechnisch mit einer Auswerteeinheit verbunden ist. In Schritt 2000 wird eine Energiemenge ermittelt, welche aufgewandt wurde, um den Energiespeicher zu laden. Hierzu kann der zuvor genannte Datenspeicher bzw. die Log-Datei von einem elektronischen Steuergerät / einer Auswerteeinheit ausgelesen werden. In Abhängigkeit von der aufgewandten Energiemenge wird in Schritt 3000 entschieden, ob der Motor oder die Verbrennungskraftmaschine oder sowohl der Motor als auch die Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb des Fortbewegungsmittels betrieben werden. Dies ermöglicht eine energieaufwandsbewusste Antriebsweise und ermöglicht— im Vergleich zum Stand der Technik - Effizienzsteigerungen bei der Verwendung des hybriden Antriebssystems.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben eines hybriden Antriebsystems (1), insbesondere für ein Fortbewegungsmittel (10), wobei das hybride Antriebssystem
- einen Motor (2),
eine Verbrennungskraftmaschine (3) und
einen Energiespeicher (1 1) zur Speisung des Motors (2) aufweist und
das Verfahren die Schritte umfasst:
Ermitteln (2000) einer Energiemenge, welche aufgewandt wurde, um den Energiespeicher (1 1) zu laden, und in Abhängigkeit von der aufgewandten Energiemenge
Entscheiden (3000), ob der Motor (2), die Verbrennungskraftmaschine (3) oder sowohl der Motor (2) und die Verbrennungskraftmaschine (3) betrieben werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei ermittelt wird, dass die aufgewandte Energiemenge zumindest anteilig mittels der Verbrennungskraftmaschine (3) erzeugt wurde.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das weiter den folgenden Schritt umfasst:
Aufzeichnen (1000) einer Information während eines Ladens des Energiespeichers (1 1), mittels welcher eine Zuordnung zwischen einer im Energiespeicher (1 1) gespeicherten Energiemenge und einer zu ihrer Speicherung aufgewandten Energiemenge erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das hybride Antriebssystem als Motor einen Elektromotor (2) und
als Energiespeicher einen elektrochemischen Energiespeicher (1 1) zur Speisung des Elektromotors (2) aufweist und
das Verfahren die Schritte umfasst:
Ermitteln (200) einer Traktionsvorgabe,
Ermitteln (300) möglicher zu erwartender Betriebszustände des Elektromotors (2) und der Verbrennungskraftmaschine (3) zur Erfüllung der Traktionsvorgabe,
- Ermitteln (400) eines Verhältnisses von im Energiespeicher (1 1) gespeicherter Energiemenge zu Energieaufwand zur Erzeugung der gespeicherten Energiemenge, nachfolgend „energieaufwandsbezogener Ladezustand (ELZ)" genannt, des Energiespeichers (1 1) bei der Energieversorgung des Motors (2), Ermitteln (500) möglicher zu erwartender Gesamtwirkungsgrade des Antriebssystems (1) auf Basis der Betriebszustände und des energieaufwandsbezogenen Ladezustandes (ELZ), und anhand der Gesamtwirkungsgrade
Auswählen (600) jeweiliger Betriebszustände des Elektromotors (2) und der Verbrennungskraftmaschine (3) anhand eines größten ermittelten Gesamtwirkungsgrades.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche weiter umfassend
Ermitteln (100)
eines bevorstehenden Streckenverlaufes und
einer Traktionsvorgabe für den bevorstehenden Streckenverlauf.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Ermitteln des bevorstehenden Streckenverlaufes ein Auslesen eines Datenspeichers (13) des Fortbewegungsmittels (10) und/oder ein satellitengestütztes Ermitteln einer aktuellen Position des Fortbewegungsmittels (10) umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Ermitteln der Traktionsvorgabe anhand eines Abgleiches einer aktuellen Position mit einer Sollposition des
Fortbewegungsmittels (10) und/oder
einer vordefinierten Sollgeschwindigkeit des Fortbewegungsmittels (10) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Gesamtwirkungsgrade des hybriden Antriebssystems ermittelt und dabei gespeicherte Wirkungsgradkennfelder für den Motor (2) und die Verbrennungskraftmaschine (3) ausgewertet werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand eines nutzbaren Anteils von im Energiespeicher (11) gespeicherter Energie erfolgt, welcher insbesondere durch ein informationstechnisch definiertes SOC-Fenster vordefiniert ist.
10. Hybrides Antriebssystem (1) umfassend
einen Motor (2), insbesondere einen Elektromotor,
eine Verbrennungskraftmaschine (3),
einen Energiespeicher (1 1) zur Speisung des Motors (2) und eine Auswerteeinheit (12), die eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
1 1. Fortbewegungsmittel umfassend ein hybrides Antriebssystem nach Anspruch 10.
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