DE102008002036A1

DE102008002036A1 - Verfahren zum Bestimmen eines optimalen Betriebszeitpunktes mit Bezug auf einen Ladungszustand in einem Hybrid-Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE102008002036A1
Application number: DE102008002036A
Authority: DE
Inventors: Yong Gi Hwaseong Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-06-18
Also published as: JP2009143524A; KR20090062565A; US8046125B2; CN101478172B; KR100992755B1; US20090157244A1; CN101478172A

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen eines optimalen Betriebszeitpunkts mit Bezug auf ein SOC in einem Hybrid-Elektrofahrzeug bereit, in dem als ein Umrechnungsfaktor (Kraftstoffäquivalenzfaktor), der die Menge von durch einen Verbrennungsmotor verbrauchten Kraftstoff mit durch einen Elektromotor verbrauchter elektrischer Energie quantitativ vergleicht, ein Faktor zum Erhalten eines gewünschten abschließenden SOC mit Bezug auf eine anfängliche SOC bestimmt wird, und ein optimaler Betriebszustand basierend auf einen gegenwärtigen SOC des Hybrid-Elektrofahrzeuges bestimmt wird durch Verwenden des Faktors, und somit die Kraftstoffeinsparung des Hybrid-Elektrofahrzeuges verbessert wird.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines optimalen Betriebszeitpunktes mit Bezug auf einen Ladungszustand (SOC) in einem Hybrid-Elektrofahrzeug, welches eine Kraftstoffeinsparung des Hybrid-Elektrofahrzeugs verbessern kann.
(b) Stand der Technik
In letzter Zeit hat die Nachfrage nach umweltfreundlichen Fahrzeugen entsprechend der Nachfrage nach verbesserter Kraftstoffeinsparung und den strengeren Abgasbestimmungen zugenommen, und somit haben Hybridfahrzeuge als eine praktische Alternative eine große Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
Das Hybridfahrzeug wird definiert als ein Fahrzeug, das angetrieben wird durch Verwenden von zwei Antriebsquellen, in welcher eine Hochspannungsbatterie als eine Energiespeichervorrichtung verwendet wird.
Das Hybridfahrzeug umfasst als Antriebsquellen einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor, der operativ mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist. Es umfasst ebenfalls eine Kupplung und ein Getriebe (CVT) zum Übertragen der Antriebsleistung, einen Inverter, einen DC/DC Konverter und eine Hochspannungsbatterie zum Betreiben des Verbrennungsmotors und des Elektromotors. Zusätzlich umfasst es eine Hybridsteuereinheit (HCU), eine Motorsteuereinheit (MCU) und ein Batterieverwaltungssystem (BMS) die übertragend miteinander durch eine CAN-Datenübertragung verbunden sind.
Die Hochspannungsbatterie ist eine Energiequelle zum Betreiben des Elektromotors und des DC/DC Konverters des Hybridfahrzeugs, und das BMS zum Steuern der Hochspannungsbatterie dient dazu, den SOC der Hochspannungsbatterie durch Überwachen der Spannung, des Stroms und der Temperatur der Hochspannungsbatterie zu steuern.
Ein genaues Überwachen des SOCs der Hochspannungsbatterie ist von entscheidender Bedeutung, um die Hochspannungs- und Hochleistungsbatterie sicher und wirksam zu betreiben.
Ein einfaches Verringern oder Erhöhen der Verwendung des Elektromotors entsprechend einem niedrigen oder hohen SOC der Batterie gewährleistet keine optimale Kraftstoffeinsparung. Es besteht die Notwendigkeit für eine neue Strategie zum Betrieb, die den hohen oder niedrigen SOC der Batterie berücksichtigen kann, und zur gleichen Zeit einen optimalen Grad an Kraftstoffeinsparung erreichen kann.
Die obige, in diesem Hintergrundabschnitt dargelegte Information dient nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und kann daher eine Information beinhalten, welche nicht zum Stand der Technik gehört, der dem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung wurde mit dem Bemühen gemacht, die oberhalb beschriebenen mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu lösen. Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens zum Bestimmen eines optimalen Betriebszeitpunkts mit Bezug auf einen Ladungszustand (SOC) in einem Hybrid-Elektrofahrzeug, in dem, als ein Umrechnungsfaktor (Kraftstoffäquivalenzfaktor), der die Menge an durch einen Verbrennungsmotor verbrauchten Kraftstoff mit durch einen Elektromotor verbrauchter elektri scher Energie quantitativ vergleicht, ein Faktor zum Erzielen eines gewünschten abschließenden SOC mit Bezug auf einen anfänglichen SOC bestimmt wird, und ein optimaler Betriebszustand basierend auf einen gegenwärtigen SOC des Hybrid-Elektrofahrzeugs unter Verwenden des Faktors bestimmt wird, und somit die Kraftstoffeinsparung des Hybridelektrofahrzeugs verbessert.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines optimalen Betriebszeitpunkts mit Bezug auf einen SOC in einem Hybrid-Elektrofahrzeug bereit, wobei das Verfahren aufweist: Erfassen einer Vorgabe eines Fahrers; Bestimmen eines gegenwärtigen Betriebszustands durch Erfassen einer gegenwärtigen Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Vorgabeleistung des Fahrers, und eines gegenwärtigen SOCs; Bestimmen einer Klasse von SOC basierend auf dem gegenwärtigen Betriebszustand; Bestimmen von einem Kennfeld, in dem ein vollständiger, betriebsfähiger Bereich des Verbrennungsmotors angeordnet ist, einer Vielzahl von möglichen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors und einer Vielzahl von Betriebspunkten des Elektromotors gemäß den entsprechenden möglichen Betriebspunkte des Verbrennungsmotors gemäß der bestimmten Klasse von SOC; Berechnen von Betriebskosten für die Vielzahl von möglichen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors und der entsprechenden Betriebspunkte des Elektromotors; Bestimmen eines Betriebspunktes, bei dem der Verbrennungsmotor und der Elektromotor zu den niedrigsten Kosten betrieben werden kann; und Anwenden eines Ausgangsbefehls auf den Verbrennungsmotor und den Elektromotor basierend auf den bestimmten Betriebszeitpunkt.
Vorzugsweise wird beim Bestimmen der Klasse des SOC der SOC in einen normalen SOC, einen hohen SOC, einen sehr hohen SOC, einen niedrigen SOC, und einen sehr niedrigen SOC klassifiziert und bestimmt gemäß einer gegebenen Hysterese.
Ebenfalls vorzugsweise beim Berechnen der Kosten für die Vielzahl von möglichen Betriebszeitpunkten des Verbrennungsmotors und entsprechender Betriebszeitpunkte des Elektromotors werden die Kosten durch die folgende Formel berechnet: costi ≌ fc1 + F.E.F·Pbat,i wobei cost_i die Kosten zur Zeit i darstellt (ausgeglichene Kraftstoffverbrauchsrate) (g/sec), FEF einen Kraftstoffäquivalenzfaktor (g/s/W) darstellt, und p_bat,i die Batterieleistung zur Zeit i(W) darstellt.
Der Kraftstoffäquivalenzfaktor wird in geeigneter Weise durch Ausgleichen der Menge von elektrischer Energie der Batterie zu einer Kraftstoffverbrauchsrate (fC_i) erhalten.
Es ist selbstverständlich, dass der Ausdruck "Fahrzeug" oder "Fahrzeug-" oder andere ähnliche Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im allgemeinen wie zum Beispiel Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwagen, verschiedenste Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen mit einschließt.
Die obigen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus oder werden ausführlicher dargelegt in den beigefügten Zeichnungen, welche hier enthalten sind und einen Teil dieser Beschreibung bilden, und die folgende ausführliche Beschreibung, welche zusammen dazu dienen, die Grundsätze der vorliegenden Erfindung durch Beispiele zu erläutern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlicher beschrieben mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche nachstehend nur zur Veranschaulichung vorgesehen sind und somit nicht einschränkend für die vorliegenden Erfindung sind, und wobei:
1 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen eines optimalen Betriebszeitpunkts mit Bezug auf eine SOC in einem Hybrid-Elektrofahrzeug gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 zeigt ein Kennfeld, das in dem Verfahren zum Bestimmen eines optimalen Betriebszeitpunkts mit Bezug auf die SOC in einem Hybrid-Elektrofahrzeug gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet; und
3 zeigt ein Diagramm, das einen SOC Bestimmungsprozess in dem Verfahren zum Bestimmen eines optimalen Betriebszeitpunkts mit Bezug auf die SOC in einem Hybrid-Elektrofahrzeug gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Es versteht sich, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstäblich sind, und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen zeigen, welche die Grundsätze der Erfindung darstellen. Die speziellen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung wie sie hier offenbart sind, einschließlich zum Beispiel spezieller Abmessungen, Orientierungen, Einbauorten, und Formen werden zum Teil durch die speziell dafür vorgesehene Anmeldung und der Arbeitsumgebung bestimmt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird nun ausführlich auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und Beispiele, welche in den hierin beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, Bezug genommen, wobei sich gleiche Bezugszeichen durchwegs auf gleiche Elemente beziehen. Die Ausführungsformen werden nachstehend beschrieben, um die vorliegende Erfindung durch Bezugnahme auf die Figuren zu erläutern.
Wie oberhalb beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung in einem Aspekt ein Verfahren zum Bestimmen eines optimalen Betriebszeitpunkts mit Bezug auf einen SOC in einem Hybrid-Elektrofahrzeug bereit, wobei das Verfahren aufweist:
Erfassen einer Vorgabe eines Fahrers (Gaspedal öffnen); Bestimmen eines gegenwärtigen Betriebszustands durch Erfassen einer gegenwärtigen Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Vorgabeleistung des Fahrers, einer gegenwärtigen SOC; Bestimmen einer Klasse von SOC basierend auf den gegenwärtigen Betriebszustand; Bestimmen von einem Kennfeld, in dem ein vollständig betriebsfähiger Bereich des Verbrennungsmotors angeordnet ist, eine Vielzahl von möglichen Betriebszeitpunkten des Verbrennungsmotors und einer Vielzahl von Betriebszeitpunkten des Elektromotors gemäß den entsprechenden möglichen Betriebszeitpunkten des Verbrennungsmotors gemäß der bestimmten Klasse von SOC; Berechnen der Kosten für die Vielzahl von möglichen Betriebszeitpunkten des Verbrennungsmotors und entsprechender Betriebszeitpunkte des Elektromotors; Bestimmen von Betriebszeitpunkten des Verbrennungsmotors und des Elektromotors, bei denen der Verbrennungsmotor und der Elektromotor zu den niedrigsten Kosten betrieben werden kann; und Anwenden eines Ausgangsbefehls auf den Verbrennungsmotor und den Elektromotor basierend auf den bestimmten Betriebszeitpunkten des Verbrennungsmotors und des Elektromotors.
Es versteht sich, dass das Verfahren zum Bestimmen eines optimalen Betriebszeitpunkts gemäß der vorliegenden Erfindung anwendbar ist auf Hardhybrid-Elektrofahrzeuge ebenso wie bei einem Softhybrid-Elektrofahrzeug.
Ebenso versteht es sich, dass die Steuerung zum Bestimmen eines optimalen Betriebszeitpunkts gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Signalübertragung zwischen einer Hybridsteuereinheit (HCU), einer Motorsteuereinheit (MCU) und einem Batterieverwaltungssystem (BMS) durchgeführt wird.
Eines der Schlüsselmerkmale der vorliegenden Erfindung ist wie nachfolgend beschrieben, einen Kraftstoffäquivalenzfaktor zu verwenden, der die Menge von Kraftstoffverbrauch (Kraftstoffverbrauchsrate) durch einen Verbrennungsmotor von oder zu dem einer elektrischen Energie durch den Elektromotor umwandeln kann, um einen optimalen Betriebszeitpunkt basierend auf einen gegenwärtigen SOC zu bestimmen, und dadurch eine Kraftstoffeinsparung des Hybridelektrofahrzeugs zu verbessern.
Zuerst kann eine Optimierungsformel wie unten gezeigt mit Bezug auf eine Kraftstoffverbrauchsmenge eines Hybridfahrzeugs basierend auf eine Fahrweise eines gegebenen Fahrzeugs (Fahrzeuggeschwindigkeitsprofil mit Bezug auf die Zeit) erhalten werden.
bereitgestellt,
wobei,
FC eine Kraftstoffverbrauchsmenge (g) darstellt;
fC_i eine Kraftstoffverbrauchsrate zur Zeit i (g/sec) darstellt;
SOC_final einen abschließenden SOC in einem Fahrmodus (%) darstellt;
SOC_target einen Ziel SOC in dem Fahrmodus (%) darstellt; und
SOC_inital einen anfänglichen SOC in dem Fahrmodus (%) darstellt, welcher klassifiziert werden kann in SOC_target im Fall eines normalen SOC, SOC_high im Falle eines hohen SOC, und SOC_low im Fall eines niedrigen SOC, wobei SOC_high einen hohen SOCReferenzwert darstellt, und SOC_low einen niedrigen SOC Referenzwert darstellt.
Hier als ein Verfahren zum Erfüllen der obigen Konditionen und zur gleichen Zeit der Minimierung der Kraftstoffverbrauchsmenge (Kraftstoffeinsparung), das heißt eine Formel zum Berechnen von Betriebszeitpunkten zu denen der Verbrennungsmotor und der Elektromotor zu den niedrigsten Kosten betrieben werden kann, kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden, welche den Kraftstoffäquivalenzfaktor einschließt. costi ≌ fci + F.E.F·pbat,i wobei,
cost_i Kosten zur Zeit i darstellt (ausgeglichene Kraftstoffverbrauchsrate)(g/sec);
FEF einen Kraftstoffäquivalenzfaktor (g/s/W) darstellt, welcher klassifiziert werden kann in FEF_normal im Fall eines normalen SOC, FEF_high in Fall eines hohen SOC, und FEF_low im Fall eines niedrigen SOC; und
P_bat,i eine Batterieleistung zur Zeit i(W) darstellt.
Ein BSFC Kennfeld eines Verbrennungsmotors, in dem der vollständige betriebsfähige Bereich des Verbrennungsmotors angeordnet ist, wird beispielsweise in einem Raster ausgebildet. Von dem Kennfeld werden eine Vielzahl von möglichen Betriebszeitpunkten eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors mit Bezug auf jede der SOC bestimmt.
Basierend auf den obigen mathematischen Formeln ist es möglich, einen optimalen Betriebszeitpunkt zu erhalten, der Betriebskosten minimieren kann, und dadurch eine Kraftstoffeinsparung zu verbessern.
Das Verfahren zum Bestimmen eines optimalen Betriebszeitpunkts wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Zuerst wird basierend auf einer Vorgabe eines Fahrers (beispielsweise das Öffnen eines Gaspedals) ein gegenwärtiger Betriebszustand des Fahrzeugs durch Erfassen einer gegenwärtigen Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Vorgabeleistung des Fahrers, und einem gegenwärtigen SOC bestimmt.
Basierend auf dem gegenwärtigen Betriebszustand wird nachfolgend eine Klasse von SOC gemäß einer gegebenen Hyste rese bestimmt. Zum Beispiel kann die Klasse von SOC in eine normale SOC, eine hohe SOC, eine sehr hohe SOC, eine niedrige SOC, und eine sehr niedrige SOC werden.
Nachdem die Klasse von SOC bestimmt ist, werden eine Vielzahl von möglichen Betriebszeitpunkten eines Verbrennungsmotors und eine Vielzahl von Betriebszeitpunkten eines Elektromotors gemäß den entsprechenden möglichen Betriebszeitpunkten des Verbrennungsmotors von dem Kennfeld bestimmt, in dem der vollständig betriebsfähige Bereich des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
Danach werden Kosten für die entsprechenden Betriebszeitpunkte des Verbrennungsmotors und des Elektromotors berechnet und der Betriebszeitpunkt, bei dem der Verbrennungsmotor und der Elektromotor zu den niedrigsten Kosten betrieben werden kann wird bestimmt.
Zum Beispiel im Falle des normalen SOC, falls die gegenwärtige Fahrzeuggeschwindigkeit 60 km/h ist und der Fahrer eine Motorleistung von ungefähr 30 kW benötigt wie in 2 gezeigt, wird eine Vielzahl von möglichen Betriebszeitpunkten des Verbrennungsmotors entnommen, um die Betriebszeitpunkte des Elektromotors gemäß den entsprechenden möglichen Betriebszeitpunkten des Verbrennungsmotors zu bestimmen.
Die Betriebszeitpunkte bei denen der Verbrennungsmotor und der Elektromotor zu den niedrigsten Kosten betrieben werden kann, kann dann gemäß den obigen mathematischen Formeln bestimmt werden.
Das heißt durch Ausführen einer Operation zum Addieren einer Kraftstoffverbrauchsrate eines Verbrennungsmotors zur Zeit i (fC_i) zu einem Kraftstoffäquivalenzfaktor (g/s/W), in dem die Menge von elektrischer Energie der Batterie zu der Kraftstoffverbrauchsrate (fC_i) mit Bezug auf die Vielzahl von möglichen Betriebszeitpunkten eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors ausgeglichen wird, ist es möglich, die Betriebszeitpunkte zu bestimmen, bei denen der Verbrennungsmotor und der Elektromotor zu den niedrigsten Kosten betrieben werden kann.
Für eine sehr hohe SOC, hohe SOC, niedrige SOC, oder sehr niedrige SOC ist es möglich, den optimalen Betriebszeitpunkt/Punkte eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors in der gleichen Art und Weise wie oben zu bestimmen.
In Folge dessen wird ein Ausgangsbefehl auf den Verbrennungsmotor und den Elektromotor basierend auf den bestimmten optimalen Betriebszeitpunkt bzw. Punkten bei denen die Betriebskosten minimiert sind, angewendet.
Wie oberhalb beschrieben stellt die vorliegende Erfindung Vorteile einschließlich der folgenden bereit: Der Kraftstoffäquivalenzfaktor, der durch Ausgleichen der Menge von elektrischer Energie der Batterie zu der Kraftstoffverbrauchsrate erhalten wird, wird verwendet, die Kosten für die entsprechende Betriebszeitpunkte des Verbrennungsmotors und des Elektromotors gemäß der Änderung in SOC Schritt für Schritt zu berechnen, und somit den optimalen Betriebszeitpunkt zu bestimmen, bei dem der Verbrennungsmotor und der Elektromotor zu den niedrigsten Kosten betrieben werden kann, um dadurch die Kraftstoffeinsparung zu verbessern.
Die Erfindung wurde ausführlich beschrieben mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen davon. Jedoch gilt es für den Fachmann zu beachten, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung abzuweichen, und der Umfang der Erfindung wird bestimmt in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines optimalen Betriebszeitpunkts mit Bezug auf einen Ladungszustand (SOC) in einem Hybrid-Elektrofahrzeug, wobei das Verfahren aufweist: Erfassen einer Vorgabe eines Fahrera; Bestimmen eines gegenwärtigen Betriebszustandes durch Erfassen einer gegenwärtigen Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Vorgabeleistung des Fahrers, und eines gegenwärtigen SOC; Bestimmen einer Klasse von SOC basierend auf dem gegenwärtigen Betriebszustand; Bestimmen von einem Kennfeld, in dem ein vollständig betriebsfähiger Bereich des Verbrennungsmotors angeordnet ist, einer Vielzahl von möglichen Betriebszeitpunkten eines Verbrennungsmotors und einer Vielzahl von Betriebszeitpunktes eines Elektromotors gemäß entsprechenden möglichen Betriebszeitpunkten gemäß der bestimmten Klasse von SOC; Berechnen von Betriebskosten für die Vielzahl von möglichen Betriebszeitpunkten des Verbrennungsmotors und der entsprechenden Betriebszeitpunkte des Elektromotors; Bestimmung eines optimalen Betriebszeitpunkts, bei dem der Verbrennungsmotor und der Elektromotor zu den niedrigsten Kosten betrieben werden kann; und Anwenden eines Ausgangsbefehls auf den Verbrennungsmotor und dem Elektromotor basierend auf dem bestimmten optimalen Betriebszeitpunkt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Bestimmen der Klasse von SOC die SOC klassifiziert wird in eine normale SOC, eine hohe SOC, eine sehr hohe SOC, eine niedrige SOC, und eine sehr niedrige SOC und bestimmt wird gemäß einer gegebenen Hysterese.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Berechnen der Kosten für die Vielzahl von möglichen Betriebszeitpunkten des Verbrennungsmotors und der entsprechenden Betriebszeitpunkte des Elektromotors die Kosten durch die folgende Formel berechnet werden: costi ≌ fci + F.E.F·Pbat,i wobei cost_i die Kosten zur Zeit i darstellt (ausgeglichene Kraftstoffverbrauchsrate) (g/sec), FEF eine Kraftstoffäquivalenzfaktor (g/s/W) darstellt und p_bat,i eine Batterieleistung zur Zeit i(W) darstellt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Kraftstoffäquivalenzfaktor durch Ausgleichen der Menge von elektrischer Energie der Batterie zu einer Kraftstoffverbrauchsrate (fCi) erhalten wird.