AT506272B1 - Verfahren zum betreiben eines elektrofahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrzeuges, welches zumindest eine elektrische Antriebsmaschine, zumindest einen elektrischen Energiespeicher, sowie zumindest eine Stromerzeugungseinrichtung aufweist, wobei die Stromerzeugungseinrichtung ab einem definierten Ladezustandes (SOC) des elektrischen Energiespeichers aktiviert wird. Um die Kosten des Elektrofahrzeuges zu verringern und Bauraum einzusparen ist vorgesehen, dass die Stromerzeugungseinrichtung für einen mittleren Leistungsbedarf der elektrischen Antriebsmaschine bei einer definierten Dauergeschwindigkeit des Elektrofahrzeuges in der Ebene ausgelegt wird und dass die Stromerzeugungseinrichtung noch vor Erreichen einer unteren technischen Betriebsgrenze des Ladezustandes des elektrischen Energiespeichers bei einem definierten Einschaltladezustand (SOC1) aktiviert wird, wobei der Einschaltladezustand (SOC1) in Bezug auf die untere technische Betriebsgrenze (SOC2) eine Energiereserve (R) des elektrischen Energiespeichers definiert, deren Größe so bemessen wird, dass in Anzahl, Größe und/oder Dauer definierte Spitzenleistungen, vorzugsweise Fahrzeugbeschleunigungen und/oder Steigungen abgedeckt werden können.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrzeuges, welches zumindest eine elektrische Antriebsmaschine, zumindest einen elektrischen Energiespeicher, sowie zumindest eine Stromerzeugungseinrichtung aufweist, wobei die Stromerzeugungseinrichtung ab einem definierten Ladezustand des elektrischen Energiespeichers aktiviert wird, wobei die Stromerzeugungseinrichtung noch vor Erreichen einer unteren technischen Betriebsgrenze des Ladezustandes des elektrischen Energiespeichers bei einem definierten Einschaltladezustand aktiviert wird, wobei der Einschaltladezustand in Bezug auf die untere technische Betriebsgrenze eine Energiereserve des elektrischen Energiespeichers definiert, deren Größe so bemessen wird, dass in Anzahl, Größe und/oder Dauer definierte Spitzenleistungen, vorzugsweise Fahrzeugbeschleunigungen und/oder Steigungen abgedeckt werden können.
[0002] Aus der EP 1 225 074 A2 ist ein Serienhybridfahrzeug mit einem Elektromotor, einem Generator und einer den Generator antreibenden Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird innerhalb einer Zero-Emission-Zone das Fahrzeug rein elektrisch bei deaktivierter Brennkraftmaschine betrieben. Dabei wird sowohl kurz vor dem Eintritt in die emissionsfreie Zone als auch beim Verlassen der emissionsfreien Zone der elektrische Energiespeicher durch die Brennkraftmaschine aufgeladen.
[0003] Die WO 2005/082663 A1 offenbart ein tragbares Stromaggregat für Elektrofahrzeuge, welches dazu ausgebildet ist, um die Reichweite des Elektrofahrzeuges auszudehnen.
[0004] Aus der US 2009/015202 A ist ein Verfahren zur Laderegelung bei einem Hybridfahrzeug bekannt, wobei ein Sollladezustand als Mittelwert des Ladebereiches definiert wird. Der Energiefluss wird so geregelt, dass der Sollladezustand eingehalten wird. Durch Betreiben des elektrischen Antriebsmotors des Hybridfahrzeuges wird der Ladezustand von diesem Sollwert abgesenkt und durch Generieren von elektrischer Energie mit der Brennkraftmaschine wieder angehoben.
[0005] Die WO 2008/128416 A1 offenbart ein Energiemanagement für Hybridfahrzeuge mit einem Lastvorhersagesystem, mit welchem aufgrund von Eingangsparametern und mittels eines selbstlernenden Systems ein künftiges Lastniveau berechnet wird, um aufgrund der Lastanforderung eine optimale zukünftige Ausgangsleistung, einen Batterieladezustand und eine optimale Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen. Aufgrund dieser optimalen zukünftigen Leistungsabschätzung wird die Brennkraftmaschine, der Generator und der elektrische Energiespeicher des Hybridfahrzeuges koordiniert.
[0006] Bei den bekannten seriellen Hybridfahrzeugen ist im Allgemeinen die Brennkraftmaschine und der Generator so dimensioniert, dass der maximale Leistungsbedarf abgedeckt werden kann.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, mit möglichst geringem technischen Aufwand temporäre Lastanforderungen bei Elektrofahrzeugen abzudecken.
[0008] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Stromerzeugungseinrichtung für einen mittleren Leistungsbedarf der elektrischen Antriebsmaschine bei einer definierten Dauergeschwindigkeit des Elektrofahrzeuges in der Ebene ausgelegt wird, dass der Einschaltladezustand in Abhängigkeit eines Fahrzieles und/oder einer geplanten Fahrtroute festgelegt wird, wobei für zumindest zwei Fahrabschnitte einer geplanten Fahrtroute unterschiedliche Einschaltladezustände flexibel definiert werden, und der Einschaltladezustand in einem selbstlernenden Prozess auf der Basis von absolvierten Fahrten des Elektrofahrzeuges angesetzt wird.
[0009] Vorzugsweise wird der Einschaltladezustand so angesetzt, dass mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 30% der Kapazität des Energiespeichers als Energiereserve verbleibt. Auf diese Weise lassen sich alle Betriebsbereiche des Fahrzeuges abdecken.
[0010] Dadurch, dass der Einschaltladezustand in Abhängigkeit eines Fahrzieles und/oder einer geplanten Fahrtroute festgelegt wird, und für zumindest zwei Fahrabschnitte einer geplan- ten Fahrtroute unterschiedliche Einschaltladezustände definiert werden kann der Streckencharakter bei der Definition des Einschaltladezustandes mit berücksichtigt werden.
[0011] Dadurch, dass die Stromerzeugungseinrichtung für einen mittleren Leistungsbedarf der elektrischen Antriebsmaschine bei definierter Nenngeschwindigkeit in der Ebene ausgelegt wird, lässt sich eine sehr kompakte Bauweise erzielen.
[0012] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: [0013] Fig. 1 den Ladezustand des elektrischen Energiespeichers überder Betriebszeit und [0014] Fig. 2 ein Auslegungsdiagramm für die Stromerzeugungseinrichtung.
[0015] In Fig. 1 ist der Ladezustand SOC des elektrischen Energiespeichers des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges über der Zeit t aufgetragen. Bei herkömmlichen Elektrofahrzeugen werden die elektrischen Energiespeicher im Fährbetrieb bis auf den technisch möglichen Minimalladezustand geleert, welcher eine technische Untergrenze SOC2 für die Fahrbarkeit des Elektrofahrzeuges darstellt. Nach Erreichen dieses Zustandes ist die verfügbare Fahrleistung unmittelbar von der Energiezufuhr der Stromerzeugungseinrichtung (Range Extender) abhängig und damit begrenzt.
[0016] Gemäß dem vorgestellten Verfahren wird die Stromerzeugungseinrichtung nicht erst an der technischen Untergrenze SOC2 des elektrischen Energiespeichers, sondern im Bereich eines mittleren ersten Ladezustandes - dem Einschaltladezustand SOC1 - aktiviert, sodass eine restliche Energiereserve R im Energiespeicher verbleibt. Durch die Definition des Einschaltladezustandes SOC1 oberhalb der technischen Untergrenze SOC2, die nach Erreichen den Ladevorgang durch die Stromerzeugungseinrichtung auslöst, kann die Begrenzung der abgerufenen Fahrleistung durch Pufferung über die Energiereserve R bis an die Systemlimits erweitert werden. Damit können temporäre Spitzenleistungen, wie Beschleunigungen oder Steigungen abgedeckt werden, ohne die Leistung der Stromerzeugungseinrichtung für die Spitzenlast, sondern nur für eine mittlere Leistung zu dimensionieren.
[0017] In Fig. 1 ist mit der strichlierten Linie 1 der Fährbetrieb mit einem konventionellen elektrisch angetriebenen Elektrofahrzeug und mit 2 der Fährbetrieb nach dem hier beschriebenen Verfahren dargestellt. Erreicht der Ladezustand SOC den Einschaltladezustand SOC1 (Punkt 3), so wird die Stromerzeugungseinrichtung hinzugeschaltet, wobei nur mehr Energieanforderungen, welche über die Leistung der Stromerzeugungseinrichtung hinausgehen, aus der Energiereserve R des elektrischen Energiespeichers genommen werden.
[0018] Fig. 2 zeigt ein Auslegungsdiagramm für die Stromerzeugungseinrichtung (Range Extender), wobei die Leistung P über der Fahrgeschwindigkeit v aufgetragen ist. Für die Auslegung gilt die Vorgabe, dass das Elektrofahrzeug im Betrieb mit dem Range Extender keine Fahrleistungseinbusen im Vergleich zum rein elektrischen Betrieb aufweisen soll. Das Elektrofahrzeug ist auf eine bestimmte Fahrleistung (Dynamik, Steigfähigkeit, Höchstgeschwindigkeit, etc.) ausgelegt. Die Leistung der Stromerzeugungseinrichtung kann deutlich geringer sein, als die Leistung des Antriebsmotors des Elektrofahrzeuges. Die Stromerzeugungseinrichtung wird so ausgelegt, dass sie die Maximalgeschwindigkeit des Elektrofahrzeuges in der Ebene, inklusive Nebenverbraucher, abdeckt. Die darüber hinausgehenden dynamischen Anforderungen werden über eine festgelegte elektrische Reserve R des elektrischen Energiespeichers (Fahrzeugbatterie) abgedeckt.
[0019] Berechnungen haben ergeben, dass beispielsweise bei einem Elektrofahrzeug mit 1450 kg Gesamtgewicht mit einer elektrischen Energiereserve R von etwa 2 kWh die Fahrdynamik abgedeckt werden kann. In Fig. 2 sind die Widerstandskurven 4, 5, 6, 7 für verschiedene Steigungen eingetragen, wobei mit den gestrichelten Kurven 4', 5', 6', 7' der Energiebedarf unter Verwendung von zusätzlichen Nebenaggregaten dargestellt ist. Betrachtet man als Beispiel ein Aggregat mit 15 kW elektrischer Leistung, was einer Radleistung von ca. 13 kW entsprechen würde, dann erkennt man, dass man mit diesem gewählten Fahrzeug (1475 kg voll besetzt) eine Konstantgeschwindigkeit von 100 km/h erreichen könnte. Setzt man eine elektrische Ener- giereserve R von 2 kWh ein, dann kann man diese Geschwindigkeit von 100 km/h auch bei einer Steigung von 2% 21 km weit mit dem Range Extender und der Batterie fahren (siehe Punkt 11). Alternativ dazu könnte 22 mal von 100 km/h auf 120 km/h beschleunigt werden. Zum Vergleich dazu kann bei 80 km/h bei einer 2%igen Steigung eine Distanz über 66 km zurückgelegt oder 28 Beschleunigungsvorgänge von 80 km/h auf 100 km/h gefahren werden (siehe Punkt 12). Bei einer Steigung von 5% läst sich mit der Energiereserve R eine Distanz von 9 km oder 19 Beschleunigungsvorgänge von 100 km/h auf 120 km/h durchführen, wie mit Punkt 13 angedeutet ist. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen Betriebspunkt bei 80 km/h bei einer Steigung von 5%, bei dem 12 km mit der Energiereserve R oder 25 Beschleunigungsvorgänge von 80 km/h auf 100 km/h durchgeführt werden können. Punkt 15 markiert einen Betriebspunkt für eine Fahrgeschwindigkeit von 60 km/h, bei der eine Distanz über 22 km zurückgelegt werden kann, oder bei der 34 Beschleunigungsvorgänge von 60 km/h auf 80 km/h durchgeführt werden können. Bei einer Steigung von 10% und einer Fahrgeschwindigkeit von 60 km/h kann mit der Energiereserve R nur mehr eine Distanz von etwa 6 km zurückgelegt oder 28 Beschleunigungsvorgänge von 60 km/h auf 80 km/h durchgeführt werden (Punkt 16).
[0020] Der Einschaltladezustand SOC1 bzw. die Energiereserve R kann vom Fahrzeughersteller aufgrund des geschätzten Nutzungsprofiles des elektrischen Fahrzeuges festgelegt werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, den Einschaltladezustand SOC1 flexibel während des Betriebes des Elektrofahrzeuges mittels eines selbstlernenden Systems zu bestimmen. Dabei können in der Vergangenheit zurückliegende Fahrten des Elektrofahrzeuges die Basis für eine Neufixierung des Einschaltladezustandes SOC1 bilden, sodass eine werksmäßig vordefinierte Einstellung nach Unten oder nach Oben aufgrund der tatsächlichen Wegstrecken nachjustiert werden kann. Beispielsweise kann es bei einer großen Anzahl von Fahrzeugbeschleunigungen und überdurchschnittlich steilen Fahrabschnitten sinnvoll sein, eine größere Energiereserve R vorzusehen, wodurch die Stromerzeugungseinrichtung im elektrischen Fährbetrieb früher aktiviert wird. Andererseits kann es bei gleichmäßigen Fahrten auf ebenen Straßen mit durchschnittlicher Geschwindigkeit durchaus sinnvoll sein, die elektrische Energiereserve R zu vermindern und das Aktivieren der Stromerzeugungseinrichtung zu verzögern, wodurch Kraftstoff eingespart und unnötige Emissionen verhindert werden können.
[0021] Besonders vorteilhaft ist es, wenn aufgrund der in ein Navigationssystem eingegebenen Zieldaten und aufgrund von Informationen über das Verkehrsaufkommen der Energiebedarf für die Überwindung der vorausliegenden Fahrstrecke unter Berücksichtigung von Hindernissen, wie Steigungen, Staus oder dgl., abgeschätzt wird und die optimale Energiereserve und somit die Lage des für die Aktivierung der Stromerzeugungseinrichtung maßgebenden Einschaltladezustandes SOC1 berechnet wird. Diese Optimierung kann unter Gewichtung der Fahrtdauer oder des Kraftstoffverbrauches bzw. der Emissionen erfolgen. Weiters ist es auch möglich, dass für bestimmte Fahrabschnitte unterschiedliche Energiereserven R flexibel definiert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich der überwiegende Streckencharakter (Steilheit, Kurvigkeit, Verkehrsaufkommen) im Zuge einer Fahrroute ändert.

Claims (2)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrzeuges, welches zumindest eine elektrische Antriebsmaschine, zumindest einen elektrischen Energiespeicher, sowie zumindest eine Stromerzeugungseinrichtung aufweist, wobei die Stromerzeugungseinrichtung ab einem definierten Ladezustand (SOC) des elektrischen Energiespeichers aktiviert wird, wobei die Stromerzeugungseinrichtung noch vor Erreichen einer unteren technischen Betriebsgrenze des Ladezustandes des elektrischen Energiespeichers bei einem definierten Einschaltladezustand (SOC1) aktiviert wird, wobei der Einschaltladezustand (SOC1) in Bezug auf die untere technische Betriebsgrenze (SOC2) eine Energiereserve (R) des elektrischen Energiespeichers definiert, deren Größe so bemessen wird, dass in Anzahl, Größe und/oder Dauer definierte Spitzenleistungen, vorzugsweise Fahrzeugbeschleunigungen und/oder Steigungen abgedeckt werden können dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerzeugungseinrichtung für einen mittleren Leistungsbedarf der elektrischen Antriebsmaschine bei einer definierten Dauergeschwindigkeit des Elektrofahrzeuges in der Ebene ausgelegt wird, dass der Einschaltladezustand (SOC1) in Abhängigkeit eines Fahrzieles und/oder einer geplanten Fahrtroute festgelegt wird, wobei für zumindest zwei Fahrabschnitte einer geplanten Fahrtroute unterschiedliche Einschaltladezustände (SOC1) flexibel definiert werden, und der Einschaltladezustand (SOC1) in einem selbstlernenden Prozess auf der Basis von absolvierten Fahrten des Elektrofahrzeuges angesetzt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschaltladezustand (SOC1) so angesetzt wird, dass mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 30% der Kapazität des Energiespeichers als Energiereserve (R) verbleibt. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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