DE102010034672A1

DE102010034672A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Energiemanagement in einem elektrischen System eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102010034672A1
Application number: DE102010034672A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Witte Bastian; Eckhard Babbel; Dr.-Ing. Kallmeyer Felix; Olaf Bernhard; Tobias Schulze
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2012-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Energiemanagement in einem elektrischen System (1) eines Kraftfahrzeugs, wobei das elektrische System (1) mindestens eine Traktionsbatterie (9), mindestens eine Steuereinheit und mindestens eine elektrische Maschine (2) umfasst, wobei mittels der mindestens einen elektrischen Maschine (2) in einem Rekuperationsbetrieb elektrische Energie erzeugbar ist, wobei die mindestens eine Steuereinheit einen Ladezustand der mindestens einen Traktionsbatterie (9) auf einen Soll-Ladezustand regelt, wobei der Soll-Ladezustand niedriger als ein maximaler Ladezustand der mindestens einen Traktionsbatterie (9) ist, wobei eine Differenz zwischen dem maximalen Ladezustand und dem Soll-Ladezustand in Abhängigkeit einer kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Energiemanagement in einem elektrischen System eines Kraftfahrzeugs, insbesondere in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
Es sind bereits Fahrzeuge bekannt, deren Antriebsleistung zumindest teilweise durch eine elektrische Maschine erzeugt wird. Fahrzeuge, deren Antriebsleistung ausschließlich von einer elektrischen Maschine erzeugt werden, sind hierbei als so genannte Elektrofahrzeuge bekannt. Unter dem Begriff Elektrofahrzeug fallen hierbei auch Fahrzeuge, die dezentral, z. B. mittels Radnabenmotoren, angetrieben werden. Hierbei werden einzelne oder alle Räder des Elektrofahrzeugs durch dem jeweiligen Rad oder den jeweiligen Rädern zugeordnete Elektromaschinen angetrieben.
In Elektro- oder Hybridfahrzeugen wird die zum Antrieb des Fahrzeugs benötigte Energie zumeist in einer so genannten Traktionsbatterie gespeichert Unter dem Begriff Traktionsbatterie wird hierbei auch ein Verbund von Batteriezellen verstanden, der zur Speicherung von elektrischer Energie dient, die zumindest teilweise zum Antrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeugs verwendet wird.
Auch bekannt ist, dass Elektro- oder Hybridfahrzeuge in einem so genannten Rekuperationsbetrieb betrieben werden können. Hierbei wird die elektrische Maschine oder die elektrischen Maschinen, insbesondere die Radnabenmotoren, in einem Generatorbetrieb betrieben, wobei kinetische Energie des Fahrzeugs durch die im Generatorbetrieb betriebenen elektrischen Maschinen in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektrische Energie kann hierbei zumindest teilweise zum Aufladen der Traktionsbatterie verwendet werden. Hierdurch ergibt sich ein besonders energieeffizienter Betrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
Die DE 10 2007 024 471 A1 offenbart ein Verfahren zum Energiemanagement in einem elektrischen Energiesystem eines Hybridfahrzeuges mittels einer Brennkraftmaschine, mindestens einer Elektro-Maschine und mindestens einem Energiespeicher, wobei die Elektro-Maschine generatorisch und motorisch betreibbar ist. Weiter ist die Elektro-Maschine motorisch zur Unterstützung der Brennkraftmaschine in einem Boostbetrieb zuschaltbar oder generatorisch zur Rekuperation der Verzögerungsenergie betreibbar. Weiter ist dem Energiespeicher mindestens ein erster Soll-Ladezustand zugeordnet. Weiter werden die über eine Fahrstrecke und/oder Fahrzeit über Rekuperation aufgenommene elektrische Energie und durch Boostvorgänge entnommene elektrische Energie und/oder Größen, aus denen diese Energie abschätzbar sind, ermittelt und in Verhältnis zueinander gesetzt, wobei in Abhängigkeit des Verhältnisses der Soll-Ladezustand angepasst wird. Weiter wird bei höheren Rekuperationsenergien der Soll-Ladezustand niedriger als der erste Soll-Ladezustand und bei höheren Boostenergien der Soll-Ladezustand höher als der erste Soll-Ladezustand eingestellt.
Die DE 10 2007 039 107 A1 offenbart ein Verfahren zur Rekuperation von Energie in einem Kraftfahrzeug während eines rekuperationsfähigen Betriebszustandes des Kraftfahrzeugs, indem freie Energie in elektrische und/oder thermische Energie gewandelt und im Bordnetz gespeichert wird. Hierbei wird bei Betätigung eines Bedienelements durch den Fahrer ein Aufforderungssignal zum Wechseln in ein Rekuperations-Betriebszustand erzeugt und auf das Aufforderungssignal in den Rekuperations-Betriebszustand gewechselt.
Die DE 102 15 686 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, bestehend aus einem Verbrennungsmotor sowie einer ersten direkt oder indirekt an die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors ankoppelbaren und wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren Elektromaschine. Hierbei sind der Verbrennungsmotor und/oder die erste Elektromaschine an den zu den Antriebsrädern führenden Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs ankoppelbar. Weiter ist eine zweite Elektromaschine an die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und/oder den Antriebsstrang ankoppelbar. Weiter kann zum Abbremsen des Fahrzeugs zumindest eine der Elektromaschinen im Generatorbetrieb arbeiten. Weiter wird die im Generatorbetrieb einer der Elektromaschinen gewonnene elektrische Energie direkt oder indirekt zumindest teilweise der anderen Elektromaschine zugeführt. Hierbei offenbart die Druckschrift auch, dass Wicklungen der anderen Elektromaschine als Heizwiderstand fungieren und die dabei freiwerdende Wärme bevorzugt über ein Kühlmittelkreislauf dem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors und/oder dem Heizmittelkreislauf der Kfz-Heizung zugeführt wird.
In Fahrzeugen, die mittels so genannter Radnabenmotoren angetrieben werden, kann zumindest teilweise auf mechanische Reibungsbremsen verzichtet werden. Hierbei kann eine Abbremsung eines mit einer bestimmten Geschwindigkeit fahrenden Fahrzeugs durch ein so genanntes elektrisches Bremsen der Radnabenmotoren ermöglicht werden. Durch das elektrische Bremsen, auch Rekuperieren genannt, wird hierbei aus der kinetischen Energie des fahrenden Fahrzeugs elektrische Energie erzeugt. Die maximale im Rekuperationsbetrieb erzeugte elektrische Leistung ergibt sich bei einer so genannten Vollbremsung des Fahrzeugs, da hierbei in kürzester Zeit idealerweise die gesamte, an der Hinterachse zu „vernichtende” kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umgewandelt wird.
Hierbei ergibt sich das Problem, dass die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie infolge der Leistungsgrenzen aller Komponenten nicht vollständig in der Traktionsbatterie gespeichert werden kann. Überschüssige elektrische Energie kann jedoch zur Beschädigung von insbesondere elektrischen Elementen des elektrischen Systems des Kraftfahrzeugs führen.
Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Energiemanagement eines elektrischen Systems eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, welche eine vollständige Speicherung und/oder einen vollständigen Verbrauch der während des Rekuperationsbetriebs erzeugten elektrischen Energie erlaubt, insbesondere bei so genannten Vollbremsungen des Kraftfahrzeugs.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus den Gegenständen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Energiemanagement in einem elektrischen System eines Kraftfahrzeugs. Das elektrische System kann hierbei in mehrere Bereiche unterteilt sein. Beispielsweise kann das elektrische System in einen so genannten Hochvoltbereich und in einen so genannten Niedervoltbereich unterteilt sein. Hierbei können dem Hochvoltbereich, der beispielsweise mit einer Betriebsspannung um 350–400 Volt arbeitet, Hochleistungskomponenten wie z. B. elektrische Maschinen zum Antrieb des Fahrzeugs zugeordnet sein. Der Niedervoltbereich kann z. B. ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs umfassen, der insbesondere eine Bordnetzbatterie umfasst und beispielsweise mit einer Arbeitspannung von 12 Volt arbeitet. In der Regel werden hierbei im Kraftfahrzeug angeordnete Steuergeräte über das Bordnetz mit Energie aus der Bordnetzbatterie versorgt.
Das elektrische System umfasst mindestens eine Traktionsbatterie, mindestens eine Steuereinheit und mindestens eine elektrische Maschine. Hierbei ist die elektrische Maschine in einem motorischen Betrieb und in einem generatorischen Betrieb betreibbar. In einem motorischen Betrieb dient die elektrische Maschine der Erzeugung von mechanischer Energie, die zum Antrieb des Kraftfahrzeugs dient. Im generatorischen Betrieb dient die elektrische Maschine zur Erzeugung von elektrischer Energie aus kinetischer Energie des Fahrzeugs. Der generatorische Betrieb bezeichnet also den sogenannten Rekuperationsbetrieb. In der Traktionsbatterie ist hierbei elektrische Energie speicherbar, die im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine zugeführt wird. Im Rekuperationsbetrieb lädt die elektrische Maschine in der Regel die Traktionsbatterie. Hierbei ist anzumerken, dass die Erfindung auch ausdrücklich den Fall von einer zentralen oder mehreren dezentral im Kraftfahrzeug angeordneten elektrischen Maschinen umfasst, beispielsweise Kraftfahrzeuge mit einem, zwei oder mehreren Radnabenmotoren.
Mittels der elektrischen Maschine ist in einem Rekuperationsbetrieb elektrische Energie erzeugbar. Die mindestens eine Steuereinheit regelt hierbei einen Ladezustand der mindestens einen Traktionsbatterie, wobei der Ladezustand auch unter State-of-Charge (SOC) bekannt ist. Der Ladezustand wird hierbei auf einen Soll-Ladezustand geregelt. Erfindungsgemäß ist der Soll-Ladezustand kleiner als ein maximaler Ladezustand der mindestens einen Traktionsbatterie. Der maximale Ladezustand bezeichnet hierbei einen Ladezustand der Traktionsbatterie, in welchem diese vollständig geladen ist und keine weitere elektrische Energie aufnehmen kann. Da der Soll-Ladezustand niedriger als der maximale Ladezustand ist, kann die Traktionsbatterie im Bedarfsfall weitere elektrische Energie aufnehmen, insbesondere aus kinetischer Energie des Fahrzeugs im Rekuperationsbetrieb erzeugte elektrische Energie.
Eine Differenz zwischen dem maximalen Ladezustand und dem Soll-Ladezustand wird hierbei in Abhängigkeit einer kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs bestimmt. Je höher die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs, insbesondere je höher dessen Masse und/oder Geschwindigkeit, desto höher ist die Differenz zwischen dem maximalen Ladezustand und dem Soll-Ladezustand zu bestimmen. Hieraus ergibt sich, dass der Soll-Ladezustand desto niedriger ist, je höher die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs ist. Vorzugsweise entspricht die Differenz des maximalen Ladezustands und des Soll-Ladezustands der kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs. Selbstverständlich ist vorstellbar, dass die Differenz um ein vorbestimmtes Maß größer als die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs ist, wobei hierdurch in vorteilhafter Weise Toleranzen z. B. bei der Bestimmung der kinetischen Energie ausgeglichen werden können. Auch ist jedoch vorstellbar, dass die Differenz um ein vorbestimmtes Maß geringer als die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs bestimmt wird, wobei hierbei angenommen werden kann, dass zumindest ein Teil der kinetischen Energie im Bremsvorgang in Wärmeenergie umgewandelt wird.
Eine kinetische Energie W_kin kann beispielsweise wie folgt berechnet werden: W_kin = 0.5 × m × v² Formel 1, wobei m eine vorbekannte Masse des Kraftfahrzeugs und v eine aktuelle Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ist. Eine während des Rekuperationsbetriebs erzeugte, elektrische Leistung lässt sich beispielsweise wie folgt berechnen: P = m × mue × g × v Formel 2, wobei mue einen Fahrbahnreibwert, bei trockener Fahrbahn beispielsweise 1.1, und g eine Gravitationskonstante (g = 9.81 m/s²) bezeichnet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die gesamte kinetische Energie des Kraftfahrzeugs zu jeder Zeit in elektrische Energie umgewandelt werden kann, die dann in der Traktionsbatterie gespeichert werden kann. Das Kraftfahrzeug kann also zu jeder Zeit eine Vollbremsung durchführen, ohne dass überschüssige elektrische Energie im elektrischen System des Fahrzeugs vorhanden ist, die nicht in der Traktionsbatterie gespeichert werden kann. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass auch bei Vollbremsungen keine Beschädigungsgefahr durch Überspannung für insbesondere elektrische Elemente des elektrischen Systems des Kraftfahrzeugs besteht. Dabei schließt der Begriff Vollbremsung nachfolgend auch eine automatische Notbremsung mit ein.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Differenz zwischen dem maximalen Ladezustand und dem Soll-Ladezustand zusätzlich in Abhängigkeit einer potenziellen Energie des Kraftfahrzeugs bestimmt. Hierbei kann z. B. über ein im Kraftfahrzeug angeordnetes Navigationssystem oder ein im Kraftfahrzeugangeordnetes System zur Bestimmung einer Lage des Kraftfahrzeugs eine topographische Höhenlage der aktuellen Position und die zukünftig zu befahrende Fahrstrecke bestimmt werden. Eine potenzielle Energie lässt sich beispielsweise wie folgt bestimmen: W_pot = m × g × Δh Formel 3, wobei Δh die Höhendifferenz zwischen der aktuellen, ersten und einer zukünftigen, zweiten Position bezeichnet. Die Differenz kann hierbei derart bestimmt werden, dass auch eine Differenz zwischen der potenziellen Energie des Fahrzeugs in einer ersten, z. B. höheren, Position und einer zweiten, z. B. niedrigeren, Position zusätzlich zur kinetischen Energie berücksichtigt wird. Die erste und die zweite Position können hierbei z. B. um eine vorbestimmte Fahrstrecke entlang einer gewünschten Route voneinander beabstandet sein. Vorzugsweise entspricht die Fahrstrecke zwischen der ersten und der zweiten Position einer Fahrstrecke, die für eine Vollbremsung des Fahrzeugs benötigt wird. Maximal kann die aktuelle topographische Höhenlage im Verhältnis zur Meereshöhe/Normalnull angenommen werden. Diese kann z. B. mittels bekannter Verfahren berechnet oder geschätzt werden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass auch die aus einer potenziellen Energie des Fahrzeugs erzeugte elektrische Leistung nicht als überschüssige elektrische Leistung im elektrischen System des Kraftfahrzeugs bei einer Vollbremsung vorhanden ist.
In einer weiteren Ausführungsform regelt die mindestens eine Steuereinheit zusätzlich einen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs und/oder Betriebszustände von weiteren Elementen des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von Soll-Betriebszuständen, wobei die Soll-Betriebszustände in Abhängigkeit einer kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs bestimmt werden. Selbstverständlich können die Soll-Betriebszustände zusätzlich in Abhängigkeit einer potenziellen Energie des Kraftfahrzeugs bestimmt werden.
Insbesondere regelt die Steuereinheit hierbei Betriebszustände von den an einer Bremsung beteiligen Elementen des Kraftfahrzeugs, z. B. von Bremsen und den leistungselektronischen Elementen, die an einer Bremsung beteiligt sind. Unter dem Begriff Betriebszustand fällt hierbei z. B. eine Temperatur der Elemente. So kann die Steuereinheit die Elemente des Kraftfahrzeugs beispielsweise derart im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs regeln, dass eine vorbestimmte Betriebstemperatur nicht überschritten wird. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise gewährleistet werden, dass auch bei einer Vollbremsung keine Überhitzung der an der Bremsung beteiligten Elemente des Kraftfahrzeugs auftreten kann. Auch kann die Steuereinheit einen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs regeln. Hierbei umfasst der Begriff Betriebszustand des Kraftfahrzeugs beispielsweise eine Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und eine Beschleunigung des Kraftfahrzeugs. Hierbei kann z. B. die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs auf eine maximale Geschwindigkeit begrenzt werden, wobei hierdurch in vorteilhafter Weise gewährleistet werden kann, dass die bei dieser maximalen Geschwindigkeit im Kraftfahrzeug gespeicherte kinetische Energie vollständig in der Traktionsbatterie nach Umwandlung in elektrische Energie speicherbar ist. Zur Gewährleistung einer möglichst vollständigen Speicherung der kinetischen Energie des Fahrzeugs in der Traktionsbatterie kann also einerseits der Soll-Ladezustand und zusätzlich die maximale Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs geregelt werden. Weiter kann die Steuereinheit eine Beschleunigung des Kraftfahrzeugs derart begrenzen, dass Soll-Betriebszustände der Elemente im Kraftfahrzeug eingehalten werden. Hierbei kann z. B. angenommen werden, dass Verlustleistungen von elektrischen Elementen und deren Eigenerwärmung mit steigender Beschleunigung überproportional ansteigen.
Auch kann die Steuereinheit eine Kühlung des Kraftfahrzeugs derart regeln, dass eine Betriebstemperatur der, insbesondere elektrischen, Elemente jederzeit eingehalten wird. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass auch bei einer Vollbremsung des Kraftfahrzeugs keine Beschädigung von Elementen des Kraftfahrzeugs, insbesondere des elektrischen Systems des Kraftfahrzeugs, beispielsweise durch Überhitzung, erfolgt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in der mindestens einen Traktionsbatterie gespeichert, falls vorbestimmte Ladebedingungen der mindestens Traktionsbatterie erfüllt sind. Eine erste Ladebedingung ist beispielsweise erfüllt, wenn ein Ladezustand der mindestens einen Traktionsbatterie niedriger ist als ein vorbestimmter End-Ladezustand der mindestens einen Traktionsbatterie. Hierbei kann der vorbestimmte End-Ladezustand beispielsweise der maximale Ladezustand oder ein Ladezustand sein, in welchem die Traktionsbatterie um ein vorbestimmtes Maß, beispielsweise 90%, geladen ist. Eine zweite Ladebedingung ist beispielsweise erfüllt, wenn eine im Rekuperationsbetrieb erzeugte elektrische Leistung kleiner oder gleich einer maximalen Aufnahmeleistung der Traktionsbatterie ist. Eine dritte Ladebedingung ist beispielsweise dann erfüllt, wenn eine Betriebstemperatur der Traktionsbatterie kleiner als eine vorbestimmte Betriebstemperatur ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass die im Rekuperationsbetrieb erzeugte elektrische Energie oder Leistung nur dann in der Traktionsbatterie gespeichert wird, falls Ladebedingungen dieser Traktionsbatterie erfüllt sind. Hierdurch können Beschädigungen der Traktionsbatterie vermieden werden. Selbstverständlich sind weitere Ladebedingungen, insbesondere von Betriebsparametern der Traktionsbatterie abhängige Ladebedingungen, vorstellbar. Weiter kann die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in mindestens einer Zusatzbatterie gespeichert werden, falls vorbestimmte Ladebedingungen der mindestens einen Zusatzbatterie erfüllt und vorbestimmte Ladebedingungen der mindestens einen Traktionsbatterie verletzt sind. Kann die elektrische Energie oder Teile der im Rekuperationsbetrieb erzeugten elektrischen Energie aufgrund der Ladebedingungen der mindestens einen Traktionsbatterie nicht in dieser gespeichert werden, so können weitere Teile der im Rekuperationsbetrieb erzeugten elektrischen Energie in einer Zusatzbatterie gespeichert werden. Hierbei kann die Zusatzbatterie eine Batterie sein, die nicht der Energieversorgung der elektrischen Maschine im motorischen Betrieb dient. Insbesondere kann die Zusatzbatterie die Bordnetzbatterie sein. Auch können mehrere Zusatzbatterien im Fahrzeug angeordnet sein. Hierbei können diese Zusatzbatterien zur Energieversorgung von weiteren Systemen im Fahrzeug, wie z. B. einer elektromechanischen Lenkung, einem Steer-by-Wire oder einer elektromechanischen Bremse, z. B. einer Brake-by-Wire-Bremse, dienen. Die Zusatzbatterien können hierbei an verschiedenen oder gemeinsamen Bereichen des elektrischen Systems angeschlossen sein. Die Speicherung von im Rekuperationsbetrieb erzeugter elektrischer Energie in der Zusatzbatterie ist jedoch nur dann möglich, falls Ladebedingungen der Zusatzbatterie erfüllt sind. Hierbei entsprechen die Ladebedingungen der Zusatzbatterie im Wesentlichen den vorhergehend angeführten Ladebedingungen der mindestens einen Traktionsbatterie.
Weiter kann die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in Wärmeenergie umgewandelt werden, falls vorbestimmte Ladebedingungen der mindestens einen Zusatzbatterie und vorbestimmte Ladebedingungen der mindestens einen Traktionsbatterie verletzt sind. Hierfür können beispielsweise so genannte Heizwiderstände im elektrischen System des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Auch ist vorstellbar, existierende Elemente, wie z. B. Wicklungen der elektrischen Maschine, zur Erzeugung von Wärmeenergie zu nutzen. Die Umwandlung von der im Rekuperationsbetrieb erzeugten elektrischen Energie in Wärmeenergie erfolgt jedoch ausschließlich dann, wenn die im Rekuperationsbetrieb erzeugte elektrische Energie nicht mehr in der Traktionsbatterie und/oder mindestens einer Zusatzbatterie gespeichert werden kann, weil deren Ladebedingungen verletzt sind.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die gesamte, während eines Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie entweder in Energiespeicher (Traktionsbatterie, Zusatzbatterie) gespeichert werden kann und/oder in Energieverbrauchern (z. B. Heizwiderstände) in Wärmeenergie umgesetzt werden kann. Ist z. B. ein Ladezustand der Traktionsbatterie, z. B. aufgrund eines vorhergehenden Bremsvorgangs, noch höher als der Soll-Ladezustand, so wird in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass auch bei einem derartigen Ladezustand eine Vollbremsung durchgeführt werden kann. Hierbei wird möglichst viel der in elektrische Energie umgewandelten kinetischen Energie in der Traktionsbatterie gespeichert. Die zusätzlich vorhandene elektrische Energie, also die überschüssige elektrische Energie, wird vorzugsweise in mindestens einer Zusatzbatterie gespeichert und/oder in Wärmeenergie umgewandelt. Hierdurch wird also ein gezieltes Energiemanagement von der im Rekuperationsbetrieb erzeugten elektrischen Energie im Kraftfahrzeug ermöglicht. Hiermit minimiert sich eine Gefahr der Beschädigung von insbesondere elektrischen Komponenten im elektrischen System des Kraftfahrzeugs bei einer Vollbremsung des Kraftfahrzeugs.
In einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine elektrische Maschine einem ersten Bereich mit einer ersten Betriebsspannung des elektrischen Systems und die mindestens eine Zusatzbatterie einem weiteren Bereich des elektrischen Systems mit einer weiteren Betriebsspannung zugeordnet. Hierbei ist die erste Betriebsspannung von der weiteren Betriebsspannung verschieden. Die erste Betriebsspannung kann beispielsweise 400 Volt betragen, die mindestens eine weitere Betriebsspannung kann beispielsweise 12 Volt betragen. Insbesondere kann der erste Bereich ein so genannter Hochvoltbereich und der mindestens eine weitere Bereich ein Bordnetzbereich (Niedervoltbereich) des Kraftfahrzeugs sein. Zwischen dem ersten und dem mindestens einen weiteren Bereich ist mindestens ein Element zur Spannungswandlung angeordnet. Das Element zur Spannungswandlung kann hierbei beispielsweise ein so genannter Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) sein. Die Steuereinheit steuert das mindestens eine Element zur Spannungswandlung in Abhängigkeit von vorbestimmten Ladebedingungen der mindestens einen Traktionsbatterie und vorbestimmten Ladebedingungen der mindestens einen Zusatzbatterie. Durch das Steuern des Elements zur Spannungswandlung, insbesondere einer der dem weiteren Bereich des elektrischen Systems zugeordneten Ausgangsspannung des Elements zur Spannungswandlung, kann hierbei ein Energietransfer in den mindestens einen weiteren Bereich des elektrischen Systems erfolgen. Beispielsweise kann der mindestens eine weitere Bereich ein Bordnetz mit einer Betriebsspannung von 12 Volt des Kraftfahrzeugs sein. Hierbei kann eine dem Bordnetz zugeordnete Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers, insbesondere des DC/DC-Wandlers, von den beispielsweise typischen 13,8 Volt auf einen höheren Wert, beispielsweise 15 Volt oder 16 Volt, angehoben werden. Durch diese temporäre Spannungserhöhung kann mehr Energie aus dem ersten Bereich, insbesondere dem Hochvoltbereich, in das Bordnetz übertragen werden. Ist an das Bordnetz eine Bordnetzbatterie angeschlossen, so kann in dieser in das Bordnetz übertragene Energie gespeichert werden.
Hierbei ist vorstellbar, dass zur Entlastung der mindestens einen Traktionsbatterie bei jeder Bremsung des Kraftfahrzeugs, also nicht ausschließlich bei Vollbremsungen, Energie vom ersten Bereich in den mindestens einen weiteren Bereich übertragen wird. In Beschleunigungsphasen des Kraftfahrzeugs könnte hierbei auch die dem mindestens einen weiteren Bereich zugeordnete Ausgangsspannung des Elements zur Spannungswandlung reduziert werden, z. B. auf 11 Volt, damit mehr elektrische Leistung der Traktionsbatterie zur Fahrzeugbeschleunigung zur Verfügung steht. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass sich eine Energieentnahme aus der Traktionsbatterie vergleichmäßigt und somit zur Erhöhung einer Lebensdauer der Traktionsbatterie beiträgt.
Eine entsprechende Steuerung des Elements zur Spannungswandlung wird jedoch nur dann durchgeführt, falls vorbestimmte Ladebedingungen der mindestens einen Zusatzbatterie, insbesondere der Bordnetzbatterie, erfüllt sind.
In einer weiteren Ausführungsform steuert die Steuereinheit eine Betriebsweise der mindestens einen elektrischen Maschine derart, dass die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in Elementen der elektrischen Maschine und/oder Elementen einer der elektrischen Maschine zugeordneten Leistungselektronik in Wärmeenergie umgesetzt wird. Elemente der elektrischen Maschine umfassen hierbei z. B. Wicklungen, insbesondere Statorwicklungen der elektrischen Maschine. Elemente der der elektrischen Maschine zugeordneten Leistungselektronik umfassen z. B. Widerstände, Schaltelemente (MOSFET, IGBT) und/oder Dioden. Die Steuerung der Betriebsweise der elektrischen Maschine und/oder der der elektrischen Maschine zugeordneten Elemente der Leistungselektronik kann hierbei insbesondere mit einem von einem für den aktuellen Betriebszustand optimalen Wirkungsgrad abweichenden Wirkungsgrad erfolgen. Hierbei wird die gleiche mechanische Energie in weniger elektrische Energie umgesetzt, während sich gleichzeitig Elemente der elektrischen Maschine und/oder Elemente einer der elektrischen Maschine zugeordneten Leistungselektronik erwärmt werden. Weiter ist vorstellbar, dass diese zusätzliche Wärme über ein Kühlsystem des Kraftfahrzeugs abgeführt werden kann. Hierzu kann die Steuereinheit beispielsweise Elemente eines Kühlsystems des Kraftfahrzeugs derart steuern, dass die zusätzliche Wärme abgeführt wird. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass keine zusätzlichen Elemente zur Erzeugung von Wärmeenergie, insbesondere keine Heizelemente oder Wärmewiderstände, im Kraftfahrzeug angeordnet werden müssen, um die zusätzliche Wärmeenergie zu erzeugen.
In einer weiteren Ausführungsform schaltet die Steuereinheit zusätzlich an dem elektrischen System angeschlossene Energieverbraucher ein, wobei die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in den Energieverbrauchern verbraucht wird. Beispielsweise können weitere im Fahrzeug ohnehin vorhandene Hochstromverbraucher künstlich eingeschaltet werden, z. B. Sitzheizung, Front- oder Heckscheibenheizung, Kühllüfter, Klimakompressor usw. Auch können durch z. B. gezielte Bestromung mehrere oder alle Windungen eines elektrischen Servomotors einer elektromechanischen Servolenkung oder einer Rückförderpumpe eines ESP-Systems zur Energiewandlung in Wärme genutzt werden. Alternativ oder kumulativ können elektrische Zuheizer im Kraftfahrzeug eingeschaltet werden. Diese erwärmen z. B. ein Kühlwasser des Kraftfahrzeugs. Hierbei kann z. B. der Innenraum des Kraftfahrzeugs beheizt werden. Weiter ist vorstellbar, die künstlich erzeugte Wärme durch einen Fahrzeugkühler abzuführen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass weitere Energie in zusätzlichen Energieverbrauchern verbraucht werden kann und somit ein weiterer Freiheitsgrad zur vollständigen Speicherung und/oder zum vollständigen Verbrauch der während eines Rekuperationsvorgangs erzeugten Energie vorhanden ist.
In einer weiteren Ausführungsform bestimmt die Steuereinheit in Abhängigkeit der während des Rekuperationsbetriebs erzeugten oder der zu erzeugenden Leistung eine Aufteilung der während des Rekuperationsbetriebs erzeugten elektrischen Energie unter verschiedenen Energiespeichern und/oder Energieverbrauchern. Hierbei kann die Steuereinheit aus einer vorbekannten Masse und einer aktuell erfassten Fahrzeuggeschwindigkeit beispielsweise die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs berechnen oder schätzen. Weiter kann die Steuereinheit Ladezustände der mindestens einen Traktionsbatterie und/oder der mindestens einen Zusatzbatterie sowie Betriebszustände von Energieverbrauchern bestimmen oder schätzen. Wird ein Bremsvorgang eingeleitet, so kann die Steuereinheit in Abhängigkeit von Ladebedingungen der mindestens einen Traktionsbatterie einen ersten Anteil der aus der kinetischen Energie geschätzten elektrischen Energie der mindestens einen Traktionsbatterie zuweisen. Weiter kann die Steuereinheit einen weiteren Teil der aus der geschätzten oder bestimmten kinetischen Energie berechneten elektrischen Energie der mindestens einen weiteren Zusatzbatterie in Abhängigkeit von Ladebedingungen der Zusatzbatterie zuordnen. Auch kann die Steuereinheit weitere Teile der im Rekuperationsbetrieb erzeugten elektrischen Energie Energieverbrauchern (Heizwiderstände, Hochstromverbraucher) zuordnen.
Hierbei kann eine Aufteilung der elektrischen Energie unmittelbar nach dem Einleiten eines Bremsvorgangs erfolgen. Hierzu kann beispielsweise eine Bremspedalstellung und/oder ein Verlauf einer Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Fahrzeugbeschleunigung ausgewertet werden. Auch kann eine Aufteilung zur Laufzeit eines Bremsvorgangs bestimmt werden. Hierbei kann z. B. die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie solange in der mindestens einen Traktionsbatterie gespeichert werden, bis mindestens eine vorbestimmte Ladebedingung der mindestens einen Traktionsbatterie verletzt ist. Hiernach kann z. B. die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie in der mindestens einen Zusatzbatterie gespeichert werden, bis mindestens eine Ladebedingung der mindestens einen Zusatzbatterie verletzt ist. Hiernach kann die weitere elektrische Energie, die während des Rekuperationsbetriebs erzeugt wird, in Wärmeenergie und/oder in weiteren elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs verbraucht bzw. umgewandelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie parallel oder sequenziell in mindestens einem Energiespeicher gespeichert und/oder in mindestens einem Energieverbraucher verbraucht. Durch die parallele Speicherung und/oder das hierzu parallele Verbrauchen von elektrischer Energie wird in vorteilhafter Weise eine schnelle Speicherung und/oder ein schneller Verbrauch der elektrischen Energie gewährleistet. Durch das sequenzielle Speichern und Verbrauchen wird in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass zuerst eine maximal mögliche kinetische Energie in Speichereinheiten des Kraftfahrzeugs gespeichert wird, bevor eine Umwandlung in Wärmeenergie oder ein künstlicher Verbrauch dieser elektrischen Leistung erfolgt.
Weiter vorgeschlagen wird ein elektrisches System eines Kraftfahrzeugs, wobei das elektrische System mindestens eine Traktionsbatterie, mindestens eine Steuereinheit und mindestens eine elektrische Maschine umfasst. Mittels des vorgeschlagenen Systems ist in vorteilhafter Weise eines der vorhergehend erläuterten Verfahren durchführbar. Hierfür kann das elektrische System zusätzlich über mindestens eine Zusatzbatterie, insbesondere eine Bordnetzbatterie, verfügen.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Systems eines Kraftfahrzeugs und
2 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Energiemanagement.
In 1 ist eine schematische Übersicht über ein elektrisches System 1 eines Elektrofahrzeugs dargestellt. Das elektrische System 1 umfasst hierbei eine dreiphasige elektrische Maschine 2. Weiter umfasst das elektrische System einen Wechselrichter 3, einen Zwischenkreiskondensator 4, einen Hochvoltbereich 5, einen Niedervoltbereich 6, und einen schematisch dargestellten Gleichstromwandler 7. Die elektrische Maschine 2 weist hierbei drei Stränge mit den jeweiligen Strängen zugeordneten Wicklungen L auf. Hierbei werden Eingangsspannungen der elektrischen Maschine 2 mittels des Wechselrichters 3 eingestellt. Der Wechselrichter 3 weist hierbei drei Stränge 8 auf, die jeweils zwei schematisch dargestellte Schalter S umfassen. Die Schalter S können hierbei z. B. als MOSFET ausgebildet sein. Der Hochvoltbereich 5 umfasst mindestens eine Traktionsbatterie 9. Hierbei kann der Hochvoltbereich 5 eine Betriebsspannung von 400 Volt aufweisen. Im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 2 wird der Traktionsbatterie 9 elektrische Energie entnommen und über den Zwischenkreiskondensator und den Wechselrichter 3 der elektrischen Maschine 2 zugeführt. Der Niedervoltbereich 6, der auch als Bordnetz bezeichnet werden kann, umfasst mindestens eine Bordnetzbatterie 10. Der Niedervoltbereich 6 kann hierbei beispielsweise eine Betriebsspannung von 12 Volt aufweisen. Der Gleichspannungswandler 7 umfasst eine Induktivität L1 und zwei Schalter S1. Mittels des Gleichspannungswandlers 7 kann eine am Zwischenkreiskondensator 4 anliegende Zwischenkreisspannung auf die Betriebsspannung des Niedervoltbereichs 6 transformiert werden. Auch kann eine Ausgangsspannung der Bordnetzbatterie, also eine Betriebsspannung des Niedervoltbereichs 6, mittels des Gleichstromwandlers 7 auf die Höhe der Zwischenkreisspannung transformiert werden.
Eine nicht dargestellte Steuereinheit regelt hierbei einen Ladezustand der Traktionsbatterie 9 auf einen Soll-Ladezustand. Weiter kann die Steuereinheit Ladebedingungen der Traktionsbatterie 9 und der Bordnetzbatterie 10 auswerten. Weiter kann die Steuereinheit die Schalter S1 des Gleichstromwandlers 7 steuern.
In 2 ist ein schematisches Flussdiagramm des Verfahrens zum Energiemanagement dargestellt. In einem ersten Schritt 11 beginnt das Verfahren. In einem zweiten Schritt 12 wertet eine nicht dargestellte Steuereinheit aus, ob ein Bremsvorgang des Kraftfahrzeugs eingeleitet wurde. Ist dies nicht der Fall, so wird in einem Schritt 13 ein Ladezustand der in 1 dargestellten Traktionsbatterie 9 auf einen Soll-Ladezustand geregelt. Der Ladezustand wird hierbei in Abhängigkeit einer kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs gesteuert. Insbesondere entspricht eine Differenz eines maximalen Ladezustands der Traktionsbatterie 9 und des Soll-Ladezustands der kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs.
Wird ein eingeleiteter Bremsvorgang im Schritt 12 detektiert, beispielsweise über eine Auswertung einer Fahrpedalstellung und/oder ein Verlauf einer Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder einer Fahrzeugbeschleunigung, so wird in einem Schritt 14 ausgewertet, ob Ladebedingungen der Traktionsbatterie 9 erfüllt sind. Beispielsweise wird ausgewertet, ob ein Ladezustand der Traktionsbatterie 9 geringer ist als ein maximaler Ladezustand der Traktionsbatterie 9. Ist diese Ladebedingung erfüllt, so erfolgt in einem Schritt 15 ein Laden der Traktionsbatterie 9. Hierbei wird der Wechselrichter 3, insbesondere die Schalter S des Wechselrichters 3, derart gesteuert, dass im Rekuperationsbetrieb erzeugte elektrische Energie in die Traktionsbatterie 9 gespeichert wird.
Ist mindestens eine Ladebedingung der Traktionsbatterie 9 nicht erfüllt, so wird in einem Schritt 16 ausgewertet, ob mindestens eine Ladebedingung einer Bordnetzbatterie 10 (siehe z. B. 1) erfüllt sind. Hierbei kann z. B. ausgewertet werden, ob ein Ladezustand der Bordnetzbatterie 10 geringer ist als ein maximaler Ladezustand der Bordnetzbatterie 10. Ist diese Ladebedingung der Bordnetzbatterie 10 erfüllt, so wird in einem Schritt 17 elektrische Energie mittels des Wechselrichters 3 und des Gleichstromwandlers 7, insbesondere durch Steuerung von Schaltzeiten der Schalter S1 des Gleichstromwandlers 7, in die Bordnetzbatterie 10 übertragen.
Ist die Ladebedingung der Bordnetzbatterie 10 nicht erfüllt, so erfolgt in einem Schritt 18 eine Umwandlung der im Rekuperationsbetrieb der elektrischen Maschine 2 erzeugten elektrischen Leistung in Wärmeenergie. Hierbei kann z. B. eine Eingangsspannung der elektrischen Maschine, ein Eingangsstrom der elektrischen Maschine und/oder ein Phasenwinkel der elektrischen Maschine mittels des Wechselrichters 3 derart eingestellt werden, dass die Maschine das gewünschte Bremsmoment erzeugt, wobei die hierdurch erzeugte elektrische Energie in Wärmeenergie, beispielsweise durch Bestromung der Wicklungen L, umbesetzt wird. In einem Schritt 19 ist das erfindungsgemäße Verfahren beendet.
Bezugszeichenliste

1: elektrisches System
2: elektrische Maschine
3: Wechselrichter
4: Zwischenkreiskondensator
5: Hochvoltbereich
6: Niedervoltbereich, Bordnetz
7: Gleichstromwandler
8: Strang
9: Traktionsbatterie
10: Bordnetzbatterie
11: erster Schritt
12: zweiter Schritt
13: Schritt
14: Schritt
15: Schritt
16: Schritt
17: Schritt
18: Schritt
19: Schritt
S: Schalter
L: Wicklung
S1: Schalter
L1: Induktivität

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007024471 A1 [0005]
DE 102007039107 A1 [0006]
DE 10215686 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Energiemanagement in einem elektrischen System (1) eines Kraftfahrzeugs, wobei das elektrische System (1) mindestens eine Traktionsbatterie (9), mindestens eine Steuereinheit und mindestens eine elektrische Maschine (2) umfasst, wobei mittels der mindestens einen elektrischen Maschine (2) in einem Rekuperationsbetrieb elektrische Energie erzeugbar ist, wobei die mindestens eine Steuereinheit einen Ladezustand der mindestens einen Traktionsbatterie (9) auf einen Soll Ladezustand regelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Ladezustand niedriger als ein maximaler Ladezustand der mindestens einen Traktionsbatterie (9) ist, wobei eine Differenz zwischen dem maximalen Ladezustand und dem Soll-Ladezustand in Abhängigkeit einer kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem maximalen Ladezustand und dem Soll-Ladezustand zusätzlich in Abhängigkeit einer potenziellen Energie des Kraftfahrzeugs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinheit zusätzlich einen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs und/oder Betriebszustände von Weiteren Elementen des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von Soll-Betriebszuständen regelt, wobei die Soll-Betriebszustände in Abhängigkeit einer kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in der mindestens einen Traktionsbatterie (9) gespeichert wird, falls vorbestimmte Ladebedingungen der mindestens einen Traktionsbatterie (9) erfüllt sind, wobei die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in mindestens einer Zusatzbatterie gespeichert wird, falls vorbestimmte Ladebedingungen der mindestens einen Zusatzbatterie erfüllt und vorbestimmte Ladebedingungen der mindestens eine Traktionsbatterie (9) verletzt sind, wobei die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in Wärmeenergie umgewandelt wird, falls vorbestimmte Ladebedingungen der mindestens einen Zusatzbatterie und vorbestimmte Ladebedingungen der mindestens einen Traktionsbatterie (9) verletzt sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrische Maschine (2) einem ersten Bereich mit einer ersten Betriebsspannung des elektrischen Systems (1) und die mindestens eine Zusatzbatterie einem weiteren Bereich des elektrischen Systems (1) mit einer weiteren Betriebsspannung zugeordnet ist, wobei die erste Betriebsspannung von der weiteren Betriebsspannung verschieden ist, wobei mindestens ein Element zur Spannungswandlung zwischen dem ersten und dem mindestens einen weiteren Bereich angeordnet ist, wobei die Steuereinheit das mindestens eine Element zur Spannungswandlung in Abhängigkeit von vorbestimmten Ladebedingungen der mindestens einen Traktionsbatterie (9) und vorbestimmten Ladebedingungen der mindestens einen Zusatzbatterie steuert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine Betriebsweise der mindestens eine elektrischen Maschine (2) derart steuert, dass die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in Elementen der elektrischen Maschine (2) und/oder Elementen einer der elektrischen Maschine (2) zugeordneten Leistungselektronik in Wärmeenergie umgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit zusätzlich an dem elektrischen System angeschlossene Energieverbraucher einschaltet, wobei die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in den Energieverbrauchern verbraucht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit in Abhängigkeit der während des Rekuperationsbetrieb erzeugten oder zu erzeugenden Leistung eine Aufteilung der während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie unter verschiedenen Energiespeichern und/oder Energieverbrauchern bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die während des Rekuperationsbetriebs erzeugte elektrische Energie parallel oder sequentiell in mindestens einem Energiespeicher gespeichert und/oder in mindestens einem Energieverbraucher verbraucht wird.
Elektrisches System (1) eines Kraftfahrzeugs, wobei das elektrische System (1) mindestens eine Traktionsbatterie (9), mindestens eine Steuereinheit und mindestens eine elektrische Maschine (2) umfasst, wobei mittels der elektrischen Maschine (2) in einem Rekuperationsbetrieb elektrische Energie erzeugbar ist, wobei mittels der mindestens einen Steuereinheit ein Ladezustand der mindestens einen Traktionsbatterie (9) auf einen Soll-Ladezustand regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, das der Soll-Ladezustand kleiner als ein maximaler Ladzustand der mindestens einen Traktionsbatterie (9) ist, wobei eine Differenz zwischen dem maximalen Ladezustand und dem Soll-Ladezustand in Abhängigkeit einer kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs bestimmt wird.