WO2019110341A1 - Verfahren zum steuern einer elektrischen anlage eines elektrisch antreibbaren kraftfahrzeugs sowie ladezustandssteuereinrichtung für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum steuern einer elektrischen anlage eines elektrisch antreibbaren kraftfahrzeugs sowie ladezustandssteuereinrichtung für ein kraftfahrzeug Download PDF

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WO2019110341A1
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motor vehicle
lithium battery
electrical system
charge
state
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Thomas Hackner
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Audi Ag
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    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling an electrical system of an electrically driven motor vehicle, wherein the electrical system comprises a vehicle electrical system with at least one lithium battery and at least one electric machine, wherein at least one electrical consumer with the electrical system is coupled.
  • the method comprises the step of: a) specifying a lower and an upper threshold value for a target state of charge range of the lithium battery.
  • a state of charge control device for a motor vehicle for controlling a charging of at least one lithium battery of the motor vehicle, wherein the state of charge control device is designed, in a ferry operation of the motor vehicle, to control the charge state of the at least one lithium battery between a lower and an upper threshold value for a target vehicle. Set the charge status range of the lithium battery.
  • Fig. 1 shows in this context a known from the prior art electrical system 10 of an electrically driven motor vehicle.
  • the electrical system 10 comprises an electrical system with at least one lithium battery 12, an electric machine 14 and exemplary electrical consumers 16, 18.
  • the electric machine 14 is designed as a belt starter generator and assumes the functions of a starter , a generator, a drive, in particular a boost, or a load point shift.
  • the voltage level of the electrical system is about 12 V.
  • the invention is also readily applicable to electrical systems whose electrical system For example, has two different voltage levels, in particular a low voltage range of about 12 V and a high voltage range of about 48 V, the two voltage ranges are coupled together, for example via a DC / DC converter.
  • the lithium battery 12 is associated with a battery monitoring module 20, which comprises a voltage measuring device 22 and a current measuring device 24.
  • the electrical machine 14 is associated with a monitoring module 26, which also comprises a voltage measuring device 28 and a current measuring device 30. If a current measuring device is integrated in the electric machine 14, the current measuring device 30 can be dispensed with.
  • the optimal operating range of the internal combustion engine can also be greater than the driver's desired torque.
  • the belt starter generator can be controlled accordingly and the energy for generating the differential torque can be converted into electrical energy. Since in this case the internal combustion engine is optimally operating point, the electrical energy is generated efficiently. This is a controlled load point boost.
  • a lithium battery is a deep-cycle energy storage, which is particularly suitable for recuperation.
  • the useful SOC (State of Charge) range of a lithium battery is typically between a lower threshold of about 20% and an upper threshold of about 80%.
  • the state of charge control unit uses to control the state of charge of the battery of this electrical system a variety of information such as Environmental data, driver behavior, navigation data and the like. Thus, it allows the state of charge control unit, if sufficient information about a driving route to be traveled, to take into account in the state of charge control. If, for example, a route is planned in which a pass is to be traveled in a mountain, the state of charge of the electrical energy store of the electrical system can be controlled by the state of charge control unit such that the electrical energy store has the lowest possible state of charge when reaching the pass height, so that during a subsequent descent downhill by Schub- and / or Bremsrekuperation by the drive means obtained electrical energy can be fed into the electrical energy storage.
  • a predictive state of charge control not only a possible energy recovery can be detected, but also a predicted energy demand can be planned. If, for example, provision is made, for example, for the route to travel through a traffic-calmed zone at a reduced speed, the electrical energy store can be controlled by means of the state-of-charge control in such a way that any roll stabilization or electric drive of a turbo-compressor is not planned will need.
  • a method for controlling an electrical system of an electrically driven motor vehicle wherein a first electrical DC voltage by means of a first electrical energy storage of a first electrical system and a second electrical DC by means of a second electrical energy storage of a second electrical system voltage is provided, wherein the two on-board networks are electrically coupled to each other by means of a DC / DC converter, wherein the motor vehicle is driven by a connected to the first electrical system and coupled to an internal combustion engine electric motor in a proper ferry, wherein a charge to - Controlled state of the first electrical energy storage device by means of a charge state control unit according to a predictive ferry operation of the motor vehicle.
  • the first and the second electrical energy stores provide the same storage capacity for electrical charge, whereby wherein the electrical coupling of the DC / DC converter is controlled by a control signal of the charge state control unit and a charge state of the second electrical energy store is controlled by the charge state control unit according to the predictive ferry operation of the motor vehicle by the charge state control unit using the DC / DC converter controls the control signal accordingly.
  • the setting of the target load state range is carried out by controlling the setpoint torque on the belt starter generator.
  • a method for operating a motor vehicle is known from DE 10 2013 215 519 A1, in which an additional electromotive drive power is made available when a battery is fully charged and a line lying ahead comprises sections of high recuperation. This prevents the load point of an internal combustion engine from having to be raised.
  • DE 10 2011 085 454 A1 describes a method for controlling a hybrid drive with a B ren n kraftm ashes, an electric motor and an electrical energy storage, in particular for a rail vehicle.
  • the method selects a preferred operating mode based on route and battery data.
  • the energy store can be emptied as far as possible by means of the predictive operation of the energy store against known and predictively usable braking processes.
  • the electrical energy storage to be fully charged.
  • DE 10 2007 038 585 A1 discloses a method for shifting the load point in hybrid operation in a parallel hybrid vehicle. The method measures a state of charge of a battery and lowers a load point of an internal combustion engine when the battery is fully charged.
  • DE 10 2014 009 448 A1 discloses a battery management system for a predictive state of charge control in an electrically operated motor vehicle.
  • predictive route data from navigation data is used to predict the energy requirement of a vehicle electrical system and to regulate an energy reserve of the energy storage device based on the predicted energy requirement on a respective route section such that no unnecessary on the route section Reserve energy is provided for a device of a vehicle electrical system of the motor vehicle, if this device is not expected to be used on the route section.
  • the expected driving situation for example, a course of the route section, such as a serpentine include.
  • a traffic situation on the route section, speed specifications or a traffic situation can be taken into account.
  • the object of the present invention is to develop a generic method as well as a generic state of charge control device of such a kind that this enables the most resource-saving possible operation of a motor vehicle.
  • the present invention is based on the finding that fuel can be saved and thus a particularly resource-saving operation of the motor vehicle is made possible if a target state of charge range of the lithium battery, which is defined by a lower and an upper threshold value the base load of the vehicle electrical system is adjusted by appropriate modification of the upper threshold value of the target state of charge range. This will, as explained below, a particularly energy-efficient distribution and use of recuperated energy.
  • an electrical base load of the electrical system is determined according to the invention.
  • the upper threshold value for the target state of charge range of the at least one lithium battery is modified or selected as a function of the base-load electrical load determined in step b).
  • the state of charge of the lithium battery is then set between the lower and the modified upper threshold value for a target state of charge range of the lithium battery.
  • the upper threshold is raised accordingly.
  • more recovered by recuperation energy is stored in the lithium battery to provide them to the electrical system for powering said electrical consumers, rather than using this energy, for example, to boost.
  • the upper threshold value can be lowered accordingly. This can be taken more often and more energy of the lithium battery.
  • a charge state of the lithium battery is set between the lower and the upper threshold value for a target charge state range.
  • the target state of charge range is between the lower and upper thresholds.
  • it may be charged beyond the upper threshold value if there is no suitable user for the excess energy at the time.
  • it is then attempted to re-issue this amount of energy stored above the upper threshold on occasion so that the energy content of the lithium battery again lies between the lower and the modified upper thresholds for the target state of charge range.
  • the base load can change depending on summer and winter. The higher the base load, the higher the energy to be stored in the lithium battery. The upper threshold value for the target state of charge of the lithium battery must be selected accordingly high.
  • a particularly preferred embodiment is characterized by the following further steps: e) determining a typical value for a period of time between two consecutive deceleration phases of the motor vehicle; and f) wherein in step c) the upper threshold value for the target state of charge range of the at least one lithium battery in dependence of a combination of the base load determined in step b) and the typical value determined in step e) for a period of time between two consecutive deceleration phases of the motor vehicle is modified.
  • step c) the upper threshold value for the target state of charge range of the at least one lithium battery in dependence of a combination of the base load determined in step b) and the typical value determined in step e) for a period of time between two consecutive deceleration phases of the motor vehicle is modified.
  • energy can be obtained by recuperation for charging the lithium battery.
  • typical, reliable values may be determined for a period of time between two successive coasting periods of the vehicle.
  • the baseline electrical load and the typical value for a period between two consecutive deceleration phases may be combined to set an optimal upper threshold value for a target state of charge range of the lithium battery.
  • the typical value for a period of time between two successive coasting phases is determined by evaluating an operating parameter of the state of charge control device which is assigned to the at least one lithium battery.
  • the operating parameter of the state of charge control device can be derived from a normalized operating cycle of the motor vehicle, in particular an typical customer profile or NEDC (New European Driving Cycle) or WLTP (Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure).
  • NEDC New European Driving Cycle
  • WLTP Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure
  • a different typical value may be assigned for a period between two consecutive deceleration phases, depending on the installation.
  • a smaller typical value is allocated for the time period between two consecutive coasting phases than if the state of charge control device had been installed in an SUV.
  • a finer gradation can be achieved by taking into account the engine of the respective motor vehicle, wherein a higher motorization with a smaller typical value for the duration between two consecutive deceleration phases and vice versa.
  • a step g) may be provided: setting a driving mode from a plurality of driving modes by the driver of the motor vehicle or by a control device of the motor vehicle , wherein each driving mode is assigned a typical value for a period of time between two consecutive deceleration phases of the motor vehicle.
  • the value associated with the respective driving mode is used in step f) for a period of time between two consecutive deceleration phases of the motor vehicle.
  • the associated typical value for a time period between two successive overrun phases is significantly shorter than when the driver selects a "comfort” or “eco” driving mode.
  • Different driving modes are therefore associated with different typical values for a period of time between two consecutive deceleration phases. In this way For example, it is possible to achieve a very precise setting of the upper threshold for the state of charge of the lithium battery.
  • the following steps may be performed: i) monitoring the driver's activities during a predefinable period of time; j) determining a typical value for a period of time between two consecutive engine overrun phases from the driver activities monitored in step i); and k) in step f): using the typical value determined in step j) for a time period between two consecutive deceleration phases of the motor vehicle.
  • the time intervals between two consecutive overrun phases can be determined for a period of time, and from this an average value derived which is used as a typical value for a period of time between two consecutive deceleration phases of the motor vehicle can be derived.
  • the upper threshold for the state of charge of the at least one lithium battery can be adapted particularly precisely to a respective driver of a motor vehicle. The resulting fuel economy is thus even higher than in the aforementioned variants.
  • the electrical base load of the vehicle electrical system is preferably determined by evaluating the voltage of the electrical system and of the current flowing in the electrical system during a predefinable period of time.
  • the currents that flow in and out of a respective battery of the on-board network, as well as the currents that flow in and out of a respective electric machine, in particular a belt starter generator, of the vehicle electrical system are preferred as the current flowing in the vehicle electrical system flow, evaluated.
  • the base load current of the electrical consumers connected to the electrical system can be deduced. In a typical application, the currents are measured every 1 ms and filtered to calculate the base load of the vehicle electrical system.
  • the current flowing through the DC / DC converter is measured via a measuring shunt and also taken into account.
  • the temperature of the at least one lithium battery is measured in a step I), wherein in a subsequent step m) the modification of the upper threshold value for the target state of charge range of the lithium battery according to step c) terhin as a function of the temperature measured in step I) of at least one lithium battery.
  • the lower the temperature of the lithium battery the higher the upper limit for the state of charge of the lithium battery. This takes into account that a battery can store less energy at a lower temperature level than at a higher temperature.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a known from the prior art electrical system of an electrically driven motor vehicle.
  • FIG. 2 shows a schematic representation for explaining an exemplary embodiment of a method according to the invention for controlling an electrical system of an electrically driven motor vehicle
  • FIG. 3 shows a speed-time diagram (FIG. 3 a) for deriving a typical value for the distance between two consecutive deceleration phases of the motor vehicle (FIG. 3 b);
  • Fig. 5 is a schematic representation of a signal flow graph for
  • FIG. 2 shows a schematic representation for explaining a strategy according to the invention for controlling charging of a lithium battery 12.
  • SOC state of charge
  • the state of charge is given as a percentage of the fully charged state of the lithium battery.
  • a state of charge control device 32 for the lithium battery 12 which is coupled to the battery monitoring module 20 for the lithium battery 12 and the monitoring module 26 for the electric machine 14.
  • the state of charge controller 32 is configured to control the charge and discharge of the lithium battery 12.
  • the commonly allowed range of states of charge is designated 34. Above this area is an area 35, which may not be used due to technological constraints. A lower area 37 must not be used because an energy reserve is to be provided if the motor vehicle is parked for a long period.
  • a target state of charge region is designated 39. Between the regions Area 39, located at 39 and 35, serves as a reserve for energy recovery systems, such as thrust and brake recuperation systems.
  • energy recovery systems such as thrust and brake recuperation systems.
  • charging can take place in the region 42 by energy recovery, in particular kinetic energy of the motor vehicle being considered as the energy source. Unloading of this energy range 42 takes place, as indicated by the arrow 46, by lowering the load point, in particular with the aim of saving fuel.
  • the energy range 48 lying between the regions 37 and 39 provides the necessary energy for various further fuel-saving measures, for example extended start stop and freewheel motor off. As shown by the arrow 50, this area is discharged by said further fuel economy measures with the aim of saving fuel.
  • the arrow 52 indicates that this range must be charged by load point increase, using fuel as the energy source. So when the lower limit is reached, the lithium battery 12 must - as efficiently as possible by optimal load point increase - be charged to ensure the availability of further fuel savings.
  • the boundary between the regions 39 and 48 is defined by a lower threshold value USW, that between the regions 39 and 42 by an upper threshold value OSW.
  • the lower threshold USW is about 20% of the total capacity of the lithium battery 12
  • the upper threshold OSW about 80%.
  • an electrical base load of the electrical consumers of the on-board network of the electrical system 10 is determined from the current and voltage values provided by the battery monitoring module 20 and the monitoring module 26 and the upper threshold value OSW as a function thereof, as indicated by the arrow 36, within a through a minimum upper threshold OSWmin and a maximum upper threshold OSWmax limited range modified from a default value OSWnorm.
  • the modification may be changed according to a linear dependence between the minimum value OSWmin corresponding to a minimum determined base load and the maximum value OSWmax corresponding to a maximum determined base load.
  • a Storage device may be provided, are assigned in the determined determined values of the base load corresponding values for the upper threshold value OSW.
  • other relationships between base load and upper threshold OSW may be used.
  • the state of charge control device 32 is further coupled to a device 38 for determining a typical value for a time period between two consecutive deceleration phases of the motor vehicle and to a device 40 for determining the temperature of the lithium battery.
  • the sizes determined by the devices 38 and 40 may also be, i. in combination with the determined basic electrical load of the electrical system, be used to determine an optimal value for the upper threshold OSW.
  • FIG. 3 a shows the time profile of the speed of a motor vehicle during an exemplary period of time.
  • the speed is reduced and then increased again during the period ⁇ 2 to t3.
  • the vehicle is braked to a standstill and then the speed is increased again between t 4 and t s.
  • the vehicle is decelerated again until it is at a standstill.
  • tensile phases occur between the times to and ti, the times ⁇ 2 and t3 and between the times U and ts.
  • Shear phases occur between the times ti and t2, the times ⁇ 3 and t 4 and the times ts and ts.
  • Ati denotes the time duration between a first pushing phase, which occurs between the times ti and t2, and a following Shear phase, which occurs between times t3 and U.
  • AET2 net designated the time duration between the overrun phase, which occurs between the time points t3 and t4, and the subsequent shear stage, which occurs between the times ts and te.
  • a typical value for a time period TM between two consecutive deceleration phases of the motor vehicle can therefore be determined, for example, as an average as follows:
  • This typical value for a time duration TM between two consecutive deceleration phases of the motor vehicle can be taken into account via the device 38 in addition to the determined base electric load when modifying the upper threshold value OSW for the target state of charge range of the lithium battery 12.
  • the smaller the typical value for a period between two consecutive deceleration phases the more often energy can be collected by recuperation and therefore the lower the upper threshold OSW can be selected.
  • the upper threshold OSW may be further modified depending on the temperature of the lithium battery 12 detected by the device 40. The lower the detected temperature, the higher the upper threshold OSW is to be selected ,
  • FIG. 4 shows the dependence of the upper threshold value OSW merely on a combination of base load and the determined typical value for a time duration between two consecutive deceleration phases of the motor vehicle.
  • the graph shows three characteristic curves for different typical values of the time duration between two consecutive overrun phases. The following applies: TMI>TM2> TM3.
  • TMI>TM2> TM3 the larger the detected base load and the larger the typical value determined for a period of time between two consecutive deceleration phases
  • the larger the upper threshold OSW is.
  • the temperature can be taken into account by extending the representation of FIG. 4 into a family of characteristics. These dependencies can be stored as an algorithm or as a look-up table in the state of charge control device 32, see FIG. 2.
  • 5 shows a signal flow graph for explaining an embodiment of the method according to the invention.
  • a lower threshold value USW and a default value OSWnorm for the upper threshold value OSW for a target state of charge range of the lithium battery 12 are set.
  • step 120 an electrical base load of the electrical system is determined.
  • step 140 a typical value is determined for a period of time between two successive coasting phases of the motor vehicle.
  • step 160 a temperature of the lithium battery 12 is determined.
  • step 180 the upper threshold value OSW for the state of charge of the lithium battery 12 is modified in dependence on the base load determined in step 120, the typical value determined in step 140 for a period between two successive coasting phases and the temperature determined in step 160.
  • step 200 in the ferry mode of the motor vehicle, a state of charge of the lithium battery 12 is set between the lower and the modified upper threshold values USW, OSW for the target state of charge range.
  • step 220 the terminal 15 signal of the motor vehicle is evaluated, ie it is checked whether the motor vehicle has been turned off. If the terminal 15 signal is off, the method is ended in step 240, but if the internal combustion engine is still on, ie the terminal 15 signal is "on", the method branches back to step 120 to continue - in particular continuously or at predeterminable time intervals - an optimal upper Set threshold OSW for the target state of charge range of the lithium battery 12.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Anlage (10) eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, wobei die elektrische Anlage ein Bordnetz mit mindestens einer Lithium-Batterie (12) sowie mindestens einer elektrischen Maschine (14) umfasst, wobei mindestens ein elektrischer Verbraucher (16; 18) mit dem Bordnetz gekoppelt ist. Es wird eine elektrische Grundlast (GL) des Bordnetzes (Schritt 120) ermittelt. Im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs wird ein Ladezustand der Lithium-Batterie (12) zwischen einem unteren (USW) und einem oberen Schwellenwert (OSW) für einen Ziel-Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie (12) (Schritt 200) eingestellt, wobei der obere Schwellenwert (OSW) in Abhängigkeit der ermittelten elektrischen Grundlast (GL) des Bordnetzes (Schritt 180) gewählt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Ladezustandssteuereinrichtung.

Description

Verfahren zum Steuern einer elektrischen Anlage eines elektrisch antreibba- ren Kraftfahrzeugs sowie Ladezustandssteuereinrichtung für ein Kraftfahr- zeug
BESCHREIBUNG:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer elektri schen Anlage eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, wobei die elektri- sche Anlage ein Bordnetz mit mindestens einer Lithium-Batterie sowie min- destens einer elektrischen Maschine umfasst, wobei mindestens ein elektri- scher Verbraucher mit dem Bordnetz gekoppelt ist. Das Verfahren umfasst folgenden Schritt: a) Vorgeben eines unteren und eines oberen Schwellen- werts für einen Ziel-Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie. Sie betrifft überdies eine Ladezustandssteuereinrichtung für ein Kraftfahrzeug zum Steuern eines Ladens mindestens einer Lithium-Batterie des Kraftfahrzeugs, wobei die Ladezustandssteuereinrichtung ausgelegt ist, in einem Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs den Ladezustand der mindestens einen Lithium-Batterie zwischen einem unteren und einem oberen Schwellenwert für einen Ziel- Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie einzustellen.
Fig. 1 zeigt in diesem Zusammenhang eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Anlage 10 eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Die elektrische Anlage 10 umfasst ein Bordnetz mit mindestens einer Lithi- um-Batterie 12, einer elektrischen Maschine 14 sowie beispielshaft darge- stellten elektrischen Verbrauchern 16, 18. Die elektrische Maschine 14 ist als Riemen-Starter-Generator ausgebildet und übernimmt die Funktionen eines Starters, eines Generators, eines Antriebs, insbesondere eines Boostens, oder einer Lastpun ktversch iebu ng . Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt das Spannungsniveau des Bordnetzes ca. 12 V. Die Erfindung ist ohne Weiteres auch einsetzbar bei elektrischen Anlagen, deren Bordnetz beispielsweise zwei unterschiedliche Spannungsniveaus hat, insbesondere einen Niederspannungsbereich von ca. 12 V sowie einen Hochspannungsbe- reich von ca. 48 V, wobei die beiden Spannungsbereiche beispielsweise über einen DC/DC-Wandler miteinander gekoppelt sind. Der Lithium-Batterie 12 ist ein Batterieüberwachungsmodul 20 zugeordnet, welches eine Span- nungsmessvorrichtung 22 sowie eine Strommessvorrichtung 24 umfasst. Der elektrischen Maschine 14 ist ein Überwachungsmodul 26 zugeordnet, das ebenfalls eine Spannungsmessvorrichtung 28 sowie eine Strommessvorrich- tung 30 umfasst. Sofern eine Strommessvorrichtung in der elektrischen Ma- schine 14 integriert ist, kann die Strommessvorrichtung 30 entfallen.
Im Rahmen des Klimaschutzes werden die C02-Vorgaben für Kraftfahrzeuge zunehmend verschärft. Um diesen Rechnung zu tragen, gibt es Bordnetz- konzepte mit leistungsfähigeren Energiespeichern im Vergleich zu Blei- Batterien oder Bordnetzkonzepte mit mehr als einem Energiespeicher. Durch die Verwendung von Rekuperationsvorrichtungen, beispielsweise Riemen- Starter-Generatoren, besteht die Möglichkeit, mehr Energie beispielsweise in den Bremsphasen zu rekuperieren und auch in Zugphasen eine Lastpunk- tabsenkung durchzuführen, um den Antrieb des Kraftfahrzeugs, beispiels weise eine Verbrennungskraftmaschine, zu entlasten. Durch eine Lastpunkt- absenkung liefert die Verbrennungsmaschine ein Moment, das nicht aus- reicht, um einem Fahrerwunschmoment zu entsprechen. Die Differenz kann, wie erwähnt, beispielsweise von einem Riemen-Starter-Generator geliefert werden, der dazu elektrische Energie aus einem Energiespeicher entnimmt. Dadurch kann erreicht werden, dass die Verbrennungskraftmaschine in ei- nem hinsichtlich des Wirkungsgrads optimalen Bereich betrieben wird. Auf diese Weise lässt sich Kraftstoff sparen.
Der optimale Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine kann auch größer als das Fahrerwunschmoment sein. In diesem Fall kann der Riemen- Starter-Generator entsprechend angesteuert werden und die Energie zur Erzeugung des Differenzmoments kann in elektrische Energie umgewandelt werden. Da die Verbrennungskraftmaschine in diesem Fall in einem optima- len Betriebspunkt arbeitet, wird die elektrische Energie effizient erzeugt. Dabei handelt es sich um eine gesteuerte Lastpunktanhebung.
In derartigen Bordnetzen werden Energiespeicher benötigt, die mehr Energie und Leistung aufnehmen und abnehmen können als in einem konventionel- len Bordnetz mit einer 12V-Blei-Batterie. Dabei hat es sich herausgestellt, dass die Verwendung einer Lithium-Batterie besonders vorteilhaft ist. Eine Lithium-Batterie stellt einen zyklenfesten Energiespeicher dar, der besonders zur Rekuperation geeignet ist.
Aufgrund technologischer Randbedingungen, insbesondere der Lebensdau- erauslegung, liegt der nutzbare SOC (State of Charge - Ladezustand)- Bereich einer Lithium-Batterie typischerweise zwischen einem unteren Schwellenwert von etwa 20% und einem oberen Schwellenwert von etwa 80%.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene neue Bordnetzkonzepte be- kannt:
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2016 007 505.8 ist ein Verfahren zum Steuern einer Energiespeichereinrichtung eines Mild-Hybrid-Kraftfahrzeugs sowie eine Ladezustandssteuereinrichtung bekannt, bei dem/ bei der wäh- rend mindestens einer Fahrt mindestens ein Lade- und ein Entladevorgang mit Bezug auf mit der Energiespeichereinrichtung ausgetauschte Energie- mengen überwacht und daraus mit einer vorgebbaren Wahrscheinlichkeit zu erwartende Energiemengen für zukünftige Lade- und Entladevorgänge ermit- telt werden. Basierend auf diesen Ermittlungen werden der obere und der untere Schwellenwert für einen Zielladezustandsbereich der Energiespei- chereinrichtung festgelegt. In dieser Druckschrift wird erwähnt, dass bezüg- lich einer prädiktiven Ladezustandssteuerung ein Akkumulator eines ersten Bordnetzes, an dem auch die Antriebseinrichtung angeschlossen ist, mittels einer dafür vorgesehenen Ladezustandssteuereinheit gesteuert werden kann. Die Ladezustandssteuereinheit nutzt zur Steuerung des Ladezustands des Akkumulators dieses Bordnetzes unterschiedlichste Informationen wie Umweltdaten, Fahrerverhalten, Navigationsdaten und dergleichen. So er möglicht es die Ladezustandssteuereinheit, wenn hinreichend Informationen über eine zu befahrende Fahrtroute vorliegen, dies bei der Ladezustands- steuerung zu berücksichtigen. Ist beispielsweise eine Fahrtroute geplant, bei der in einem Gebirge ein Pass zu befahren ist, kann mittels der Ladezu- standssteuereinheit der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers des Bordnetzes derart gesteuert werden, dass der elektrische Energiespeicher bei Erreichen der Passhöhe einen möglichst geringen Ladungszustand auf- weist, sodass während einer darauffolgenden Bergabfahrt durch Schub- und/oder Bremsrekuperation mittels der Antriebseinrichtung gewonnene elektrische Energie in den elektrischen Energiespeicher eingespeist werden kann. Insofern kann mittels einer prädiktiven Ladezustandssteuerung nicht nur ein etwaiger Energierückgewinn erfasst, sondern auch ein prognostizier- ter Energiebedarf geplant werden. Ist darüber hinaus beispielsweise vorge- sehen, dass die Fahrtroute durch eine verkehrsberuhigte Zone mit reduzier- ter Geschwindigkeit verläuft, kann mittels der Ladezustandssteuerung bei spielsweise der elektrische Energiespeicher derart gesteuert werden, dass eine etwaige Wankstabilisierung oder auch ein elektrischer Antrieb eines T urbokompressors nicht eingeplant zu werden braucht.
Aus der DE 10 2016 005 125.6 ist ein Verfahren zum Steuern einer elektri- schen Anlage eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs bekannt, wobei mittels eines ersten elektrischen Energiespeichers eines ersten Bordnetzes eine erste elektrische Gleichspannung und mittels eines zweiten elektrischen Energiespeichers eines zweiten Bordnetzes eine zweite elektrische Gleich- spannung bereitgestellt wird, wobei die beiden Bord netze mittels eines DC/DC-Wandlers elektrisch miteinander gekoppelt werden, wobei das Kraft- fahrzeug in einem bestimmungsgemäßen Fährbetrieb mittels einer an das erste Bordnetz angeschlossenen und mit einer Verbrennungskraftmaschine koppelbaren elektrischen Maschine angetrieben wird, wobei ein Ladungszu- stand des ersten elektrischen Energiespeichers mittels einer Ladungszu- standssteuereinheit entsprechend einem prädiktiven Fährbetrieb des Kraft- fahrzeugs gesteuert wird. Der erste und der zweite elektrische Energiespei- cher stellen die gleiche Speicherkapazität für elektrische Ladung bereit, wo- bei das elektrische Koppeln des DC/DC-Wandlers durch ein Steuersignal der Ladungszustandssteuereinheit gesteuert wird und ein Ladungszustand des zweiten elektrischen Energiespeichers mittels der Ladungszustandssteuer- einheit entsprechend dem prädiktiven Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs ge- steuert wird, indem die Ladungszustandssteuereinheit den DC/DC-Wandler mittels des Steuersignals entsprechend steuert. Die Einstellung des Ziellade- zustandsbereichs erfolgt durch Steuerung des Soll-Moments am Riemen- Starter-Generator.
Aus der DE 10 2011 116 132 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Fahr- zeugs mit Hybridantrieb bekannt. Dabei wird eine Lastpunktanhebung in der Betriebsart B6 und eine Lastpunktabsenkung in der Betriebsart B7 beschrie- ben.
Aus der DE 10 2013 215 519 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kraft- fahrzeugs bekannt, bei dem eine zusätzliche elektromotorische Antriebsleis- tung zur Verfügung gestellt wird, wenn eine Batterie vollgeladen ist und eine vorausliegende Strecke Abschnitte hoher Rekuperation umfasst. Dadurch wird verhindert, dass der Lastpunkt eines Verbrennungsmotors angehoben werden muss.
Die DE 10 2011 085 454 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs mit einer B ren n kraftm asch ine, einem Elektromotor und einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere für ein Schienenfahrzeug. Das Verfahren wählt basierend auf Strecken- und Batteriedaten einen bevorzug- ten Betriebsmodus. Beispielsweise kann mittels der prädiktiven Betriebsfüh- rung des Energiespeichers vor bekannten und prädiktiv nutzbaren Brems- vorgängen der Energiespeicher möglichst entleert werden. Auch kann im Rahmen eines Beispiels einer prädiktiven Betriebsführung für ein Antriebs- profil„Boosten“ im Voraus der elektrische Energiespeicher voll aufgeladen sein.
Schließlich ist aus der DE 10 2007 038 585 A1 ein Verfahren zur Lastpunkt- verschiebung im Hybridbetrieb bei einem parallelen Hybridfahrzeug bekannt. Das Verfahren misst einen Ladezustand einer Batterie und senkt einen Last- punkt einer Verbrennungskraftmaschine, wenn die Batterie vollgeladen ist.
In der DE 10 2014 009 448 A1 ist ein Batteriemanagement-System für eine prädiktive Ladezustandssteuerung bei einem elektrisch betriebenen Kraft- fahrzeug offenbart. In der genannten Druckschrift werden prädiktive Stre- ckendaten aus Navigationsdaten genutzt, den Energiebedarf einer Einrich- tung eines Bordnetzes zu prädizieren und anhand des prädizierten Energie- bedarfs auf einem jeweiligen Streckenabschnitt einen Energievorhalt der Energiespeichereinrichtung so zu regulieren, dass keine auf dem Strecken- abschnitt unnötige Energiereserve für eine Einrichtung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs vorgehalten wird, falls diese Einrichtung auf dem Streckenab- schnitt voraussichtlich nicht verwendet wird. Die zu erwartende Fahrsituation kann beispielsweise einen Verlauf des Streckenabschnitts, wie beispielswei- se eine Serpentine, umfassen. Weiterhin können eine Verkehrssituation auf dem Streckenabschnitt, Geschwindigkeitsvorgaben oder eine Verkehrslage berücksichtigt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Ladezustandssteuereinrichtung der- art weiterzubilden, dass damit ein möglichst ressourcenschonender Betrieb eines Kraftfahrzeugs ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Pa- tentanspruch 1 sowie durch eine Ladezustandssteuereinrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 10.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Kraftstoff gespart werden kann und damit ein besonders ressourcenschonender Be- trieb des Kraftfahrzeugs ermöglicht wird, wenn ein Ziel-Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie, der durch einen unteren und einen oberen Schwellen- wert definiert ist, an die Grundlast des Bordnetzes angepasst wird und zwar durch entsprechende Modifikation des oberen Schwellenwerts des Ziel- Ladezustandsbereichs. Dadurch wird, wie im Nachfolgenden erläutert, eine besonders energieeffiziente Verteilung und Nutzung rekuperierter Energie ermöglicht.
Zum einen besteht nämlich das Ziel, die in der Lithium-Batterie gespeicherte Energie möglichst schnell wieder abzugeben, damit in einer Rekuperations- phase wieder Energie aufgenommen werden kann. Wenn aber bei einer langen Phase ohne Rekuperation keine entnehmbare Energie mehr in der Lithium-Batterie vorhanden ist, muss für die Versorgung der Grundlast wie- der Energie über den Generator, d.h. die elektrische Maschine, erzeugt wer- den, was zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führen kann. Betrachtet man nämlich die Wirkungsgrade zum Erzeugen von Energie einerseits und zum Boosten von Energie andererseits, entstehen dadurch hohe Verluste. Eine besonders effiziente Nutzung von Energie wird dadurch erzielt, dass die Energie in dem Zustand genutzt wird, in dem sie vorliegt. Es ist deshalb weniger effizient, elektrische Energie wieder in mechanische Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeugs umzuwandeln. Deutlich effizienter ist es, elektri- sche Energie den elektrischen Grundlastverbrauchern des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Eine Anpassung der Ladestrategie für die Lithium-Batterie in Abhängigkeit einer für die Grundlastverbraucher des Kraftfahrzeugs ermittel- ten Grundlast führt daher zu einem optimierten Wirkungsgrad des Kraftfahr- zeugs. Der Kraftstoffverbrauch kann deutlich gesenkt werden.
Erfindungsgemäß wird deshalb eine elektrische Grundlast des Bordnetzes ermittelt. Anschließend wird der obere Schwellenwert für den Ziel- Ladezustandsbereich der mindestens einen Lithium-Batterie in Abhängigkeit der in Schritt b) ermittelten elektrischen Grundlast des Bordnetzes modifiziert bzw. gewählt. Im Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs wird dann der Ladezustand der Lithium-Batterie zwischen dem unteren und dem modifizierten oberen Schwellenwert für einen Ziel-Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie ein- gestellt.
Wird demnach zum Beispiel eine hohe Grundlast festgestellt, weil im Winter- betrieb des Kraftfahrzeugs bei niedrigen Außentemperaturen die Sitzhei- zung, die Innenraumheizung, die Heckscheibenheizung sowie eine Außen- Spiegelheizung in Betrieb sind, so wird der obere Schwellenwert entspre- chend angehoben. Damit wird mehr durch Rekuperation gewonnene Energie in der Lithium-Batterie gespeichert gehalten, um sie dem Bordnetz zum Speisen der genannten elektrischen Verbraucher bereitzustellen, anstatt diese Energie beispielsweise zum Boosten zu verwenden. Wird im Gegen- zug eine geringe Grundlast des Bordnetzes festgestellt, kann der obere Schwellenwert entsprechend abgesenkt werden. Damit kann öfter und mehr Energie der Lithium-Batterie entnommen werden.
Wie erwähnt, wird in Schritt d) im Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs ein Lade- zustand der Lithium-Batterie zwischen dem unteren und dem oberen Schwel- lenwert für einen Ziel-Ladezustandsbereich eingestellt. Dies bedeutet, dass der Ziel-Ladezustandsbereich zwischen dem unteren und dem oberen Schwellenwert liegt. Wie weiter unten mit Bezug auf Fig. 2 noch näher erläu- tert wird, kann nichtsdestotrotz über den oberen Schwellenwert hinaus gela- den werden, wenn zu dem Zeitpunkt kein geeigneter Abnehmer für die über- schüssige Energie vorhanden ist. Allerdings wird dann versucht, diese über dem oberen Schwellenwert gespeicherte Energiemenge bei Gelegenheit wieder abzugeben, sodass der Energieinhalt der Lithium-Batterie wieder zwischen dem unteren und dem modifizierten oberen Schwellenwert für den Ziel-Ladezustandsbereich liegt.
Dadurch, dass beispielsweise der oberen Schwellenwert in Anbetracht der Grundlast des Kraftfahrzeugs abgesenkt wird, kann häufiger eine Lastpunkt- absenkung des Verbrennungsmotors erfolgen.
Die Grundlast kann sich insbesondere abhängig von Sommer und Winter ändern. Je höher also die Grundlast ist, desto höher ist die in der Lithium- Batterie vorzuhaltende Energie. Entsprechend hoch ist der obere Schwel- lenwert für den Ziel-Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie zu wählen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich durch folgende weiteren Schritte aus: e) Ermitteln eines typischen Werts für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs; und f) wobei in Schritt c) der obere Schwellenwert für den Ziel- Ladezustandsbereich der mindestens einen Lithium-Batterie in Abhängigkeit einer Kombination der in Schritt b) ermittelten Grundlast und des in Schritt e) ermittelten typischen Werts für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfol- genden Schubphasen des Kraftfahrzeugs modifiziert wird. Insbesondere in Schubphasen des Kraftfahrzeugs kann durch Rekuperation Energie zum Laden der Lithium-Batterie gewonnen werden. Wie im Nachfolgenden noch ausführlicher erörtert werden wird, können typische, verlässliche Werte für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Fahr- zeugs ermittelt werden. Auf diese Weise lässt sich näherungsweise abschät- zen, mit welcher Regelmäßigkeit mit welcher durch Rekuperation zu gewin- nenden Energie gerechnet werden kann. Je länger die typische Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen ist, desto höher ist die in der Lithium-Batterie vorzuhaltende Energie. Ist hingegen der typische Wert für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen kurz, kann mit einer entsprechend höheren Häufigkeit mit einem Zufluss von durch Rekuperation gewonnener Energie in die Lithium-Batterie gerechnet werden. Entsprechend kann dann der obere Schwellenwert niedriger gewählt werden. Erfindungsgemäß können demnach die elektrische Grundlast des Bordnet- zes und der typische Wert für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfol- genden Schubphasen zum Einstellen eines optimalen oberen Schwellen- werts für einen Ziel-Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie kombiniert werden.
Bevorzugt wird der typische Wert für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinan- derfolgenden Schubphasen ermittelt durch Auswerten eines Betriebsparame- ters der Ladezustandssteuereinrichtung, die der mindestens einen Lithium- Batterie zugeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich ohne umfangreiche Auf- Zeichnungen und Messungen mit für viele Anwendungsfälle ausreichender Genauigkeit ein typischer Wert für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinan- derfolgenden Schubphasen ermitteln. Der Betriebsparameter der Ladezu- standssteuereinrichtung kann in diesem Zusammenhang aus einem normier- ten Betriebszyklus des Kraftfahrzeugs abgeleitet werden, insbesondere ei- nem typischen Kunden profil oder NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) oder WLTP (Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure). Bei NEFZ beträgt die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen 3 min 40 s und bei WLTP 3 min 20 s. Wenn dieselbe Ladezustandssteuer- einrichtung in unterschiedliche Fahrzeugtypen eines Herstellers eingebaut wird, kann je nach Einbau eine andere typischer Wert für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen zugewiesen werden. Wird die Ladezustandssteuereinrichtung in einem Coupe eingebaut, wird eine kleinerer typischer Wert für die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfol- genden Schubphasen zugewiesen als wenn die Ladezustandssteuereinrich- tung in einen SUV eingebaut worden wäre. Damit wird dem unterschiedli- chen Kundenprofil von Coupe-Fahrern und SUV-Fahrern Rechnung getra- gen. Eine feinere Abstufung kann dadurch erfolgen, dass die Motorisierung des jeweiligen Kraftfahrzeugs berücksichtigt wird, wobei eine höhere Motori- sierung mit einem kleineren typischen Wert für die Zeitdauer zwischen zwei aufeinander folgenden Schubphasen einhergeht und umgekehrt.
Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Verfahrens zum Steuern einer elektrischen Anlage eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs weiterhin ein Schritt g) vorgesehen sein: Einstellen eines Fahrmodus aus einer Vielzahl von Fahrmodi durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs oder durch eine Steuervorrichtung des Kraftfahr- zeugs, wobei jedem Fahrmodus ein typischer Wert für eine Zeitdauer zwi- schen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs zuge- ordnet ist. Gemäß einem darauffolgenden Schritt h) wird in Schritt f) der dem jeweiligen Fahrmodus zugeordnete Wert für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs verwendet. Wählt beispielsweise der Fahrer einen Fahrmodus„Sportlich“ oder„Dynamisch“, so ist der damit einhergehende typische Wert für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen deutlich kürzer, als wenn der Fahrer einen Fahrmodus „Komfort“ oder„Eco“ wählt. Unterschiedliche Fahrmodi gehen daher mit unterschiedlichen typischen Werten für eine Zeitdauer zwi- schen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen einher. Auf diese Weise lässt sich eine besonders präzise Einstellung des oberen Schwellenwerts für den Ladezustand der Lithium-Batterie erzielen.
Alternativ oder zusätzlich können zum Ermitteln eines typischen Werts für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen folgende Schritte ausgeführt werden: i) Überwachen der Fahreraktivitäten während einer vorgebbaren Zeitdauer; j) Ermitteln eines typischen Werts für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahr zeugs aus den in Schritt i) überwachten Fahreraktivitäten; und k) in Schritt f): Verwenden des in Schritt j) ermittelten typischen Werts für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs. Beispielsweise können für eine Zeitdauer die zeitlichen Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen ermittelt werden und daraus ein Mittelwert abgeleitet werden, der als typischer Wert für eine Zeitdauer zwi- schen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs verwen- det wird. Damit lässt sich der obere Schwellenwert für den Ladezustand der mindestens einen Lithium-Batterie besonders präzise an einen jeweiligen Fahrer eines Kraftfahrzeugs anpassen. Die damit erzielbare Kraftstofferspar- nis ist damit noch höher als bei den vorgenannten Varianten.
Bevorzugt wird in Schritt b) die elektrische Grundlast des Bordnetzes ermit- telt durch Auswerten der Spannung des Bordnetzes und des Stroms, der in dem Bordnetz fließt, während einer vorgebbaren Zeitdauer. Bevorzugt wer- den als Strom, der in dem Bordnetz fließt, die Ströme, die in und aus einer jeweiligen Batterie des Bordnetzes fließen, sowie die Ströme, die in und aus einer jeweiligen elektrischen Maschine, insbesondere einem Riemen -Starter- Generator, des Bordnetzes fließen, ausgewertet. Aus den erwähnten Strö- men kann auf den Grundlaststrom der mit dem Bordnetz verbundenen elektrischen Verbraucher geschlossen werden. In einem typischen Anwen- dungsfall werden die Ströme alle 1 ms gemessen und gefiltert zur Berech- nung der Grundlast des Bordnetzes herangezogen. Sofern in dem Bord netz ein DC/DC-Wandler enthalten ist, wird der über den DC/DC-Wandler fließen- de Strom über einen Mess-Shunt gemessen und ebenfalls berücksichtigt. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in einem Schritt I) die Temperatur der mindestens einen Lithium-Batterie gemessen, wobei in ei- nem darauffolgenden Schritt m) die Modifikation des oberen Schwellenwerts für den Ziel-Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie gemäß Schritt c) wei- terhin in Abhängigkeit der in Schritt I) gemessenen Temperatur der mindes- tens einen Lithium-Batterie erfolgt. Je niedriger die Temperatur der Lithium- Batterie ist, desto höher ist der obere Schwellenwert für den Ladezustand der Lithium-Batterie zu wählen. Auf diese Weise wird berücksichtigt, dass eine Batterie auf einem niedrigen Temperaturniveau weniger Energie spei- chern kann als bei höherer Temperatur.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprü- chen.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzug- ten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit an- wendbar, für eine erfindungsgemäße Ladezustandssteuereinrichtung für ein Kraftfahrzeug zum Steuern eines Ladens mindestens einer Lithium-Batterie des Kraftfahrzeugs.
Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher be- schrieben. Diese zeigen in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Tech- nik bekannten elektrischen Anlage eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Ausfüh- rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern einer elektrischen Anlage eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs; Fig. 3 ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm (Fig. 3a) zur Ableitung eines typischen Werts für den Abstand zwischen zwei aufei- nanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs (Fig. 3b);
Fig. 4 die in der Lithium-Batterie vorzuhaltende Energie in Abhängig- keit der elektrischen Grundlast des Bordnetzes sowie unter- schiedlicher typischer Werte Tmi , Tm2, Tm3 der Zeitdauer zwi- schen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahr- zeugs; und
Fig. 5 in schematischer Darstellung einen Signalflussgraphen zur
Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemä- ßen Verfahrens.
Die mit Bezug auf Fig. 1 eingeführten Bezugszeichen werden für gleiche und gleichwirkende Bauelemente weiter verwendet.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer erfindungs- gemäßen Strategie zum Steuern einer Ladens einer Lithium-Batterie 12.. Auf der linken Seite ist der Ladezustand SOC (State Of Charge) der Lithium- Batterie 12 angegeben. Der Ladezustand wird in Prozent vom vollgeladenen Zustand der Lithium-Batterie angegeben.
Dargestellt ist weiterhin eine Ladezustandssteuereinrichtung 32 für die Lithi um-Batterie 12, welche mit dem Batterieüberwachungsmodul 20 für die Lithi um-Batterie 12 und dem Überwachungsmodul 26 für die elektrische Maschi- ne 14 gekoppelt ist. Die Ladezustandssteuereinrichtung 32 ist ausgelegt, die Ladung und Entladung der Lithium-Batterie 12 zu steuern.
Der üblicherweise erlaubte Bereich von Ladezuständen ist mit 34 bezeichnet. Über diesem Bereich befindet sich ein Bereich 35, der aufgrund technologi- scher Randbedingungen nicht genutzt werden darf. Ein unterer Bereich 37 darf nicht genutzt werden, weil eine Energiereserve vorzuhalten ist, falls das Kraftfahrzeug für eine lange Dauer abgestellt wird. Innerhalb des Bereichs 34 ist ein Ziel-Ladezustandsbereich mit 39 bezeichnet. Der zwischen den Berei- chen 39 und 35 gelegene Bereich 42 dient als Reserve für Energierückge- winnungssysteme, beispielsweise Schub- und Bremsrekuperationssysteme. Wie durch den Pfeil 44 gekennzeichnet, kann ausgehend vom Ziel- Ladezustandsbereich 39 ein Laden in den Bereich 42 hinein erfolgen durch Energierückgewinnung, wobei als Energiequelle insbesondere kinetische Energie des Kraftfahrzeugs in Betracht kommt. Ein Entladen dieses Energie- bereichs 42 erfolgt, wie durch den Pfeil 46 gekennzeichnet, durch Lastpunkt- absenkung insbesondere mit dem Ziel, Kraftstoff zu sparen. Der zwischen den Bereichen 37 und 39 liegende Energiebereich 48 stellt die nötige Energie für verschiedene weitere Kraftstoffsparmaßnahmen, bei- spielsweise erweiterten Startstopp und Freilauf Motor Aus, zur Verfügung. Wie durch den Pfeil 50 dargestellt, wird dieser Bereich entladen durch die genannten weiteren Kraftstoffsparmaßnahmen mit dem Ziel, Kraftstoff zu sparen. Der Pfeil 52 gibt an, dass dieser Bereich durch Lastpunkterhöhung geladen werden muss, wobei als Energiequelle Kraftstoff zu verwenden ist. Wenn also die untere Grenze erreicht ist, muss die Lithium-Batterie 12 - möglichst effizient durch optimale Lastpunktanhebung - geladen werden, um die Verfügbarkeit der weiteren Kraftstoffsparmaßnahmen zu gewährleisten.
Die Grenze zwischen den Bereichen 39 und 48 wird durch einen unteren Schwell wert USW definiert, die zwischen den Bereichen 39 und 42 durch einen oberen Schwell wert OSW. Üblicherweise beträgt der untere Schwel- lenwert USW etwa 20% der Gesamtkapazität der Lithium-Batterie 12, der obere Schwellenwert OSW etwa 80%.
Erfindungsgemäß wird aus den vom Batterieüberwachungsmodul 20 und dem Überwachungsmodul 26 bereitgestellten Strom- und Spannungswerten eine elektrische Grundlast der elektrischen Verbraucher des Bordnetzes der elektrischen Anlage 10 ermittelt und der obere Schwellenwert OSW in Ab- hängigkeit davon, wie durch den Pfeil 36 angedeutet, innerhalb eines durch einen minimalen oberen Schwellenwert OSWmin und einen maximalen obe- ren Schwellenwert OSWmax begrenzten Bereichs ausgehend von einem Standardwert OSWnorm modifiziert. Die Modifikation kann beispielsweise gemäß einer linearen Abhängigkeit zwischen dem minimalen Wert OSWmin entsprechend einer minimalen ermittelten Grundlast und dem maximalen Wert OSWmax entsprechend einer maximalen ermittelten Grundlast verändert werden. Es kann jedoch auch in der Ladezustandssteuervorrichtung 32 eine Speichervorrichtung vorgesehen sein, in der bestimmten ermittelten Werten der Grundlast entsprechende Werte für den oberen Schwellenwert OSW zugewiesen sind. Anstelle eines linearen Zusammenhangs können, wenn sich dies als vorteilhaft herausgestellt hat, auch andere Zusammenhänge zwischen Grundlast und oberem Schwellenwert OSW verwendet werden.
Die Ladezustandssteuereinrichtung 32 ist weiterhin mit einer Vorrichtung 38 zum Ermitteln eines typischen Werts für eine Zeitdauer zwischen zwei aufei- nanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs sowie mit einer Vorrich- tung 40 zur Bestimmung der Temperatur der Lithium-Batterie gekoppelt. Die von den Vorrichtungen 38 und 40 ermittelten Größen können ebenfalls, d.h. in Kombination mit der ermittelten elektrischen Grundlast des Bordnetzes, zur Bestimmung eines optimalen Werts für den oberen Schwellenwert OSW herangezogen werden.
Zunächst soll in diesem Zusammenhang jedoch auf Fig. 3 Bezug genommen werden. Fig. 3a zeigt den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit eines Kraft- fahrzeugs während einer beispielhaften Zeitdauer. Wie zu erkennen ist, wird ausgehend vom Zeitpunkt to die Geschwindigkeit bis zum Zeitpunkt ti erhöht. Zwischen den Zeitpunkten ti und t2 wird die Geschwindigkeit reduziert und anschließend während des Zeitraums Ϊ2 bis t3 wieder erhöht. Zwischen den Zeitpunkten Ϊ3 und t4 wird das Fahrzeug bis in den Stillstand abgebremst und anschließend wird zwischen t4 und ts dessen Geschwindigkeit wieder erhöht. Zwischen den Zeitpunkten ts und Ϊ6 wird das Fahrzeug wieder bis in den Stillstand abgebremst.
In der Darstellung von Fig. 3b sind die zugehörigen Zug- und Schubphasen des Kraftfahrzeugs dargestellt. Demnach treten Zugphasen auf zwischen den Zeitpunkten to und ti, den Zeitpunkten Ϊ2 und t3 sowie zwischen den Zeitpunkten U und ts. Schubphasen treten auf zwischen den Zeitpunkten ti und t2, den Zeitpunkten Ϊ3 und t4 sowie den Zeitpunkten ts und ts.
Ati bezeichnet die Zeitdauer zwischen einer ersten Schubphase, welche zwischen den Zeitpunkten ti und t2 auftritt, und einer darauffolgenden Schubphase, welche zwischen den Zeitpunkten t3 und U auftritt. Ät2 bezeich- net die Zeitdauer zwischen der Schubphase, welche zwischen den Zeitpunk- ten t3 und t4 auftritt, und der nachfolgenden Schubphase, welche zwischen den Zeitpunkten ts und te auftritt. Ein typischer Wert für eine Zeitdauer TM zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs kann demnach beispielsweise als Durchschnitt wie folgt ermittelt werden:
(Dίi + DΪ2)/2=TM. Dieser typische Wert für eine Zeitdauer TM zwischen zwei aufeinanderfol- genden Schubphasen des Kraftfahrzeugs kann über die Vorrichtung 38 zu- sätzlich zur ermittelten elektrischen Grundlast beim Modifizieren des oberen Schwellenwerts OSW für den Ziel-Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie 12 berücksichtigt werden. Je größer der ermittelte typische Wert für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen ist, desto hö- her ist der obere Schwellenwert OSW zu wählen, da dann weniger häufig Energie zur Versorgung der elektrischen Grundlast des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs gewonnen werden kann. Je kleiner der typische Wert für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen ist, umso öfter kann Energie durch Rekuperation eingesammelt werden und desto niedriger kann deshalb der obere Schwellenwert OSW gewählt werden.
Zurückkommend auf Fig. 2 kann, wie erwähnt, der obere Schwellenwert OSW weiterhin modifiziert werden in Abhängigkeit der von der Vorrichtung 40 festgestellten Temperatur der Lithium-Batterie 12. Je niedriger die festge- stellte Temperatur ist, umso höher ist der obere Schwellenwert OSW zu wählen.
Fig. 4 zeigt der Einfachheit halber die Abhängigkeit des oberen Schwellen- werts OSW lediglich von einer Kombination aus Grundlast und ermitteltem typischen Wert für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs. In der Graphik sind drei Kennlinien für unterschiedliche typische Werte der Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfol- genden Schubphasen dargestellt. Es gilt: TMI >TM2>TM3. Wie sich aus der Graphik ergibt, ist der obere Schwellenwert OSW umso größer zu wählen, je größer die festgestellte Grundlast und je größer der festgestellte typische Wert für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfol- genden Schubphasen ist. Die Temperatur kann durch Erweitern der Darstel- lung von Fig. 4 in ein Kennlinienfeld berücksichtigt werden. Diese Abhängig- keiten können als Algorithmus oder als Lookup-Table in der Ladezustands- steuereinrichtung 32, siehe Fig. 2, abgespeichert sein. Fig. 5 zeigt einen Signalflussgraphen zur Erläuterung eines Ausführungsbei- spiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zunächst wird in Schritt 100 ein unterer Schwellenwert USW und ein Stan- dardwert OSWnorm für den oberen Schwellenwert OSW für einen Ziel- Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie 12 vorgegeben. In Schritt 120 wird eine elektrische Grundlast des Bordnetzes ermittelt. In Schritt 140 wird ein typischer Wert für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs ermittelt. In Schritt 160 wird eine Tempera- tur der Lithium-Batterie 12 ermittelt. In Schritt 180 wird der obere Schwellen- wert OSW für den Ladezustand der Lithium-Batterie 12 in Abhängigkeit der in Schritt 120 ermittelten Grundlast, des in Schritt 140 ermittelten typischen Werts für eine Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen sowie der in Schritt 160 ermittelten Temperatur modifiziert. In Schritt 200 wird im Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs ein Ladezustand der Lithium-Batterie 12 zwischen dem unteren und dem modifizierten oberen Schwellenwert USW, OSW für den Ziel-Ladezustandsbereich eingestellt. In Schritt 220 wird das Klemme15-Signal des Kraftfahrzeugs ausgewertet, d.h. es wird überprüft, ob das Kraftfahrzeug abgestellt wurde. Ist das Klemme15- Signal aus, wird das Verfahren in Schritt 240 beendet, ist hingegen der Ver- brennungsmotor noch an, d.h. das Klemme15-Signal auf „ein“, zweigt das Verfahren zurück zu Schritt 120, um fortwährend - insbesondere kontinuier- lich oder in vorgebbaren zeitlichen Abständen - einen optimalen oberen Schwellenwert OSW für den Ziel-Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie 12 einzustellen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zum Steuern einer elektrischen Anlage (10) eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, wobei die elektrische Anlage ein Bordnetz mit mindestens einer Lithium-Batterie (12) sowie mindestens einer elektrischen Maschine (14) umfasst, wobei mindestens ein elektrischer Verbraucher (16; 18) mit dem Bordnetz gekoppelt ist;
folgenden Schritt umfassend:
a) Vorgeben eines unteren (USW) und eines oberen Schwellenwerts (OSWnorm) f ü r einen Ziel-Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie (12)
(Schritt 100);
gekennzeichnet durch folgende weiteren Schritte:
b) Ermitteln einer elektrischen Grundlast (GL) des Bordnetzes (Schritt 120);
c) Modifizieren des oberen Schwellenwerts (OSW) für den Ziel-
Ladezustandsbereich der mindestens einen Lithium-Batterie (12) in Ab- hängigkeit der in Schritt b) ermittelten elektrischen Grundlast (GL) des Bordnetzes (Schritt 180); und
d) im Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs: Einstellen eines Ladezustands der Lithium-Batterie (12) zwischen dem unteren (USW) und dem modi- fizierten oberen Schwellenwert (OSW) für den Ziel- Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie (12) (Schritt 200);
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch folgende weiteren Schritte:
e) Ermitteln eines typischen Werts für eine Zeitdauer (TM) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs (Schritt 140);
f) wobei in Schritt c) der obere Schwellenwert (OSW) für den Ziel-
Ladezustandsbereich der mindestens einen Lithium-Batterie (12) in Ab- hängigkeit einer Kombination der in Schritt c) ermittelten Grundlast (GL) und des in Schritt e) ermittelten typischen Werts für eine Zeitdauer (TM) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs modifiziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der typische Wert für eine Zeitdauer (TM) zwischen zwei aufeinanderfol- genden Schubphasen ermittelt wird durch Auswerten eines Betriebspa- rameters der Ladezustandssteuereinrichtung (32), die der mindestens einen Lithium-Batterie (12) zugeordnet ist. 4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Betriebsparameter der Ladezustandssteuereinrichtung (32) aus ei- nem normierten Betriebszyklus des Kraftfahrzeugs, insbesondere ei- nem typischen Kundenprofil, NEFZ oder WLTP, abgeleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
gekennzeichnet durch folgende weiteren Schritte:
g) Einstellen eines Fahrmodus aus einer Vielzahl von Fahrmodi durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs oder durch eine Steuervorrichtung des Kraftfahrzeugs, wobei jedem Fahrmodus ein typischer Wert für eine
Zeitdauer (TM) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist;
h) in Schritt f): Verwenden des dem jeweiligen Fahrmodus zugeordne- ten Werts für eine Zeitdauer (TM) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
i) Überwachen der Fahreraktivitäten während einer vorgebbaren Zeit- dauer (to.-.-te);
j) Ermitteln eines typischen Werts für eine Zeitdauer (TM) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubphasen des Kraftfahrzeugs aus den in Schritt i) überwachten Fahreraktivitäten; und
k) in Schritt f): Verwenden des in Schritt j) ermittelten typischen Werts für eine Zeitdauer (TM) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schubpha- sen des Kraftfahrzeugs.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Schritt b) die elektrische Grundlast (GL) des Bordnetzes ermittelt wird durch Auswerten der Spannung des Bordnetzes und des Stroms, der in dem Bordnetz fließt, während der vorgebbaren Zeitdauer.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Strom, der in dem Bord netz fließt, die Ströme, die in und aus einer jeweiligen Batterie des Bordnetzes fließen, sowie die Ströme, die in und aus einer jeweiligen elektrischen Maschine (14), insbesondere einem Riemenstartergenerator, des Bordnetzes fließen, ausgewertet werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch folgende weiteren Schritte:
L) Messen einer Temperatur der mindestens einen Lithium-Batterie (12); m) wobei in Schritt c) der obere Schwellenwert (OSW) für den Ziel- Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie (12) weiterhin in Abhängig- keit der in Schritt I) gemessenen Temperatur der mindestens einen Li- thium-Batterie (12) modifiziert wird (Schritt 160).
10. Ladezustandssteuereinrichtung (32) für ein Kraftfahrzeug zum Steuern eines Ladens mindestens einer Lithium-Batterie (12) des Kraftfahr- zeugs, wobei die Ladezustandssteuereinrichtung (32) ausgelegt ist, in einem Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs den Ladezustand der mindestens einen Lithium-Batterie (12) zwischen einem unteren (USW) und einem oberen Schwellenwert (OSW) für einen Ziel-Ladezustandsbereich der Lithium-Batterie (12) einzustellen;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ladezustandssteuereinrichtung (32) weiterhin ausgelegt ist, den oberen Schwellenwert (OSW) für den Ziel-Ladezustandsbereich der mindestens einen Lithium-Batterie (12) in Abhängigkeit einer elektri schen Grundlast (GL) des Bordnetzes zu modifizieren.
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