DE102011088988A1

DE102011088988A1 - Verfahren zum Steuern der Energieabgabe in einem Bordnetz und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011088988A1
Application number: DE102011088988A
Authority: DE
Inventors: Joachim Fröschl; Christian Pichler; Martin Hattenkofer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Energieabgabe zumindest zweier elektrischer Energiewandler (3, 4) in einem Kraftfahrzeug (1), welche aus jeweils unterschiedlichen Energieformen elektrische Energie für ein Bordnetz (2) des Kraftfahrzeugs (1) bereitstellen, wobei durch die zumindest zwei Energiewandler (3, 4) eine benötigte elektrische Gesamtleistung für das Bordnetz (2) bereitgestellt wird, wobei mittels einer Erfassungseinrichtung (10) des Kraftfahrzeugs (1) Umgebungsinformationen des Kraftfahrzeugs (1) erfasst werden und die Energieabgabe der zumindest zwei Energiewandler (3, 4) zum Bereitstellen der Gesamtleistung in Abhängigkeit von den erfassten Umgebungsinformationen gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Energieabgabe zumindest zweier elektrischer Energiewandler in einem Kraftfahrzeug, welche aus jeweils unterschiedlichen Energieformen elektrische Energie für ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Durch die zumindest zwei Energiewandler wird eine benötigte elektrische Gesamtleistung für das Bordnetz bereitgestellt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug, welches zum Durchführen eines derartigen Verfahrens ausgebildet ist.
Es ist bereits Stand der Technik, zwei unterschiedliche Energiewandler bzw. Energiequellen in einem Kraftfahrzeug einzusetzen, welche elektrische Energie aus unterschiedlichen Energieformen erzeugen. Vorliegend gilt das Interesse vorzugsweise der Kombination aus einem konventionellen Generator, welcher kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt, wie auch aus einem thermoelektrischen Generator, welcher aus thermischer Energie elektrische Energie bereitstellt. Ein solcher thermoelektrischer Generator kann zum Beispiel in einem Abgasstrang des Kraftfahrzeugs angeordnet sein und die dort vorhandene Wärme in elektrische Energie umwandeln. Dabei wird die Tatsache zunutze gemacht, dass der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs Abwärme liefert, welche zur Bereitstellung von elektrischer Energie für das Bordnetz ausgenutzt werden kann.
Bei der oben genannten Kombination aus dem herkömmlichen Generator einerseits und dem thermoelektrischen Generator andererseits stellt der Verbrennungsmotor im Prinzip die primäre Energiequelle im Kraftfahrzeug dar. Werden nun die unterschiedlichen Methoden der Energiewandlung nicht optimal koordiniert, so wird der optimale Wirkungsgrad des gesamten Bordnetzes nicht erreicht. Insbesondere bei einem Verbrennungsmotor als primäre Energiequelle ist die Bereitstellung der Energie für die elektrischen Wandler abhängig vom Lastpunkt der Verbrennungsmaschine. Eine besondere Herausforderung besteht somit darin, die Energieabgabe der elektrischen Energiewandler derart zu steuern, dass der Wirkungsgrad des Gesamtsystems auf ein Maximum gebracht werden kann.
Thermoelektrische Generatoren sind bereits aus dem Stand der Technik in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. So beschreibt beispielsweise die Druckschrift DE 10 2008 036 044 A1 ein thermodynamisches System mit einem derartigen thermoelektrischen Generator, welches in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann.
Aus der Druckschrift DE 10 2007 039 107 A1 ist ein Verfahren zur Rekuperation von Energie in einem Kraftfahrzeug während eines rekuperationsfähigen Betriebszustands bekannt, bei welchem freie Energie in elektrische oder aber thermische Energie umgewandelt und im Bordnetz gespeichert wird. Bei Betätigung eines Bedienelements durch den Fahrer wird ein Aufforderungssignal zum Wechsel in einen Rekuperations-Betriebszustand erzeugt, und aufgrund dieses Signals wird dann bei Vorliegen vorgegebener Bedingungen in den Rekuperations-Betriebszustand gewechselt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung der Wirkungsgrad des Bordnetzes im Vergleich zum Stand der Technik verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Steuern der Energieabgabe zumindest zweier elektrischer Energiewandler in einem Kraftfahrzeug, welche aus jeweils unterschiedlichen Energieformen elektrische Energie für ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs bereitstellen, wobei durch die zumindest zwei Energiewandler eine benötigte elektrische Gesamtleistung für das Bordnetz bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels einer Erfassungseinrichtung des Kraftfahrzeugs Umgebungsinformationen des Kraftfahrzeugs erfasst werden und die Energieabgabe der zumindest zwei Energiewandler zum Bereitstellen der Gesamtleistung in Abhängigkeit von den erfassten Umgebungsinformationen gesteuert wird.
Der erfindungsgemäße Effekt wird somit dadurch erzielt, dass die Steuerung der Energieabgabe der Energiewandler in Abhängigkeit von Umgebungsinformationen des Kraftfahrzeugs vorgenommen wird. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass bei unterschiedlichen Umgebungsszenarien bzw. Umgebungsbedingungen – etwa bei unterschiedlichen Höhenprofilen der Straße – jeweils unterschiedliche Energieformen zur Verfügung stehen, die dann in elektrische Energie umgewandelt werden können. Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass die Informationen über die aktuelle oder aber vorausliegende Umgebung des Kraftfahrzeugs erfasst werden können und somit auch ermittelt werden kann, welche Energieform – sei es die kinetische Energie, sei es die thermische Energie im Abgasstrang – momentan vorrangig zur Verfügung steht oder aber voraussichtlich auf der vorausliegenden Strecke zur Verfügung gestellt werden wird. Somit kann die elektrische Energie zumindest überwiegend durch denjenigen Energiewandler bereitgestellt werden, der zum jeweils aktuellen Zeitpunkt den größten Wirkungsgrad besitzt und somit für einen optimalen Wirkungsgrad des gesamten Bordnetzes sorgt. Lediglich beispielhaft sei folgendes Szenario beschrieben: Wird anhand der Umgebungsinformationen ein – vorausliegendes – Straßengefälle erkannt, so kann die Steuerung der Energieabgabe bereits im Voraus derart festgelegt werden, dass zumindest der überwiegende Anteil der Gesamtleistung mittels des konventionellen Generators, nämlich aus kinetischer Energie, erzeugt wird, während der thermoelektrische Generator überhaupt keine Leistung oder aber lediglich einen geringen Anteil der Gesamtleistung bereitstellen kann. Das Kraftfahrzeug kann also im Straßengefälle in den so genannten Schubbetrieb geschaltet werden, in welchem eine Rekuperation der kinetischen Energie durchgeführt wird. Somit kann der Gesamtwirkungsgrad auf ein Maximum gebracht werden.
Unter einer Steuerung der Energieabgabe wird vorliegend eine Einstellung der jeweiligen Energiemenge verstanden, die von den zumindest zwei elektrischen Energiewandlern im Betrieb abgegeben werden soll, um die benötigte Gesamtleistung zu erzeugen. Dies bedeutet beispielsweise, dass, je größer der Anteil der abgegebenen Energie eines der Energiewandler bei einer vorgegebenen Gesamtleistung ist, desto kleiner der Anteil der abgegebenen Energie des anderen Energiewandlers ist. Zwischen den beiden Energiewandlern besteht somit eine Wechselwirkung, sodass bei einer vorgegebenen Gesamtleistung die Energieabgabe eines der Energiewandler von dem anderen Energiewandler abhängig ist. Es kann auch die Beziehung gelten, dass die benötigte Gesamtleistung gleich der Summe der Leistungen der einzelnen Energiewandler ist.
Also wird die Energieabgabe der zumindest zwei elektrischen Energiewandler unter Berücksichtigung von Umgebungsinformationen des Kraftfahrzeugs gesteuert. Es erweist sich dabei als besonders vorteilhaft, wenn die Umgebungsinformationen mittels eines Navigationssystems des Kraftfahrzeugs erfasst werden und die Energieabgabe in Abhängigkeit von Streckeninformationen des Navigationssystems gesteuert wird. Dies hat den Vorteil, dass ein Navigationssystem – ein GPS-Empfänger – Daten liefert, welche Informationen über die aktuelle globale bzw. geographische Position des Kraftfahrzeugs beinhalten, sodass auch die Position des Kraftfahrzeugs auf einer Karte bekannt ist. Es kann somit ermittelt werden, ob in der Umgebung des Kraftfahrzeugs ein Straßengefälle oder aber ein Straßenanstieg vorhanden ist und welche Energieform momentan oder voraussichtlich zur Verfügung steht. Ein Navigationssystem liefert also eine ganze Menge von Informationen über die Umgebung des Kraftfahrzeugs. Anhand von Streckeninformationen kann auch erkannt werden, ob dem Kraftfahrzeug eine Kurve vorausliegt, sodass bereits im Vorfeld festgestellt werden kann, dass der Fahrer demnächst abwechselnd abbremsen und Gas geben wird. Somit kann vorausgesehen werden, dass abwechselnd die kinetische und die thermische Energie für die Bereitstellung der elektrischen Energie zur Verfügung gestellt wird.
Also ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Umgebungsinformationen Informationen über eine vorausliegende Umgebung, insbesondere über einen vorausliegenden Streckenabschnitt, umfassen. Dann kann die Steuerung der Energieabgabe der zumindest zwei Energiewandler bereits im Voraus für die vorausliegende Umgebung festgelegt werden. Die Steuerung der Energieabgabe durch die beiden Energiewandler kann somit bereits im Vorfeld geplant werden. Eine solche Vorgehensweise hat insbesondere den Vorteil, dass das gesamte Bordnetz bereits im Vorfeld konditioniert und beispielsweise zusätzliche Aufnahmemöglichkeiten für die elektrische Energie geschaffen werden können. So kann beispielsweise bereits im Voraus eine elektrische Batterie des Kraftfahrzeugs entladen werden, um die zukünftige Aufnahme der elektrischen Energie zu ermöglichen. Es ist auch möglich, dass ein elektrischer Verbraucher zugeschaltet wird, welcher zunächst mit elektrischer Energie aus der Batterie und dann gegebenenfalls mit der von den Energiewandlern abgegebenen Energie versorgt wird. Als elektrischer Verbraucher kann beispielsweise ein Kältemittelverdichter und/oder eine Heizung und/oder ein Lüfter aktiviert werden.
Besonders bevorzugt werden als Umgebungsinformationen Informationen über ein Höhenprofil einer Straße erfasst, auf welcher sich das Kraftfahrzeug bewegt, nämlich insbesondere über das Höhenprofil eines dem Kraftfahrzeug vorausliegenden Streckenabschnitts. Auf diesem Wege gelingt es, beispielsweise ein Straßengefälle oder aber einen Straßenanstieg zu detektieren und die Energieabgabe der elektrischen Energiewandler entsprechend zu steuern.
Es kann auch vorgesehen sein, dass als Umgebungsinformationen Informationen über einen zweidimensionalen Verlauf der Straße, insbesondere des vorausliegenden Streckenabschnitts, erfasst werden. Bei dieser Ausführungsform kann beispielsweise das Vorhandensein von Kurven detektiert werden, und die Energieabgabe kann entsprechend der Kurvenfahrt gesteuert werden. Diese Ausführungsform macht sich die Tatsache zunutze, dass bei einer Kurvenfahrt der Fahrer abwechselnd Gas gibt und abbremst, wobei das Abbremsen üblicherweise in einem Schubbetrieb erfolgt. Somit kann die elektrische Energie auch abwechselnd einmal durch einen thermoelektrischen Generator (wenn der Fahrer Gas gibt) und einmal durch den herkömmlichen Generator (im Schubbetrieb) erzeugt werden. Die Informationen über das Vorhandensein von Kurven können mithilfe des Navigationssystems erfasst werden. Ergänzend oder alternativ können diese Informationen aber auch mittels einer Sensoreinrichtung des Kraftfahrzeugs gewonnen werden, etwa mithilfe eines Radargeräts und dergleichen.
Als Umgebungsinformation kann ergänzend oder alternativ auch eine Entfernung zwischen dem Kraftfahrzeug und einem vom Fahrer mittels des Navigationssystems ausgewählten Zielort erfasst und bei der Steuerung der Energieabgabe berücksichtigt werden. Diese Ausführungsform beruht auf der Erkenntnis, dass der Kraftstoffverbrauch üblicherweise in Abhängigkeit von der Zielnähe verbraucht bzw. in der Nähe des Zielortes in der Regel gespart wird. Außerdem bedeutet die Zielnähe in der Regel, dass sich das Kraftfahrzeug bereits in einem Stadtgebiet befindet. Dies bedeutet wiederum, dass in solchen Situation relativ wenig thermische Energie zur Verfügung gestellt wird, so dass die mechanische Rekuperation mithilfe des herkömmlichen Generators bevorzugt wird. Auf diesem Wege gelingt es, den Gesamtwirkungsgrad weiterhin zu optimieren.
Ergänzend oder alternativ kann als Umgebungsinformation auch ein Typ der Straße erfasst werden, auf welcher sich das Kraftfahrzeug bewegt und/oder voraussichtlich bewegen wird. Dabei wird insbesondere zwischen folgenden Straßentypen unterschieden: einer Autobahn und/oder einer Landstraße und/oder einer Innerortsstraße. Befindet sich das Kraftfahrzeug auf einer Autobahn, so steht die thermische Rekuperation vorzugsweise im Vordergrund. Wird also erkannt, dass sich das Kraftfahrzeug auf einer Autobahn befindet, so kann elf überwiegender Anteil der elektrischen Gesamtleistung aus der thermischen Energie erzeugt werden. Demgegenüber wird auf einer Innerortsstraße die mechanische Rekuperation bevorzugt, bei welcher die zur Verfügung stehende kinetische Energie des Kraftfahrzeugs in die elektrische umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad kann somit auf ein Maximum gebracht werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Information über eine dem Kraftfahrzeug vorausliegende Autobahnauffahrt und/oder eine Autobahnausfahrt erfasst und bei der Steuerung der Energieabgabe berücksichtigt wird. Während bei einer Autobahnauffahrt der Fahrer in der Regel Gas geben wird, wird bei einer Autobahnausfahrt das Kraftfahrzeug üblicherweise im Schub betrieben bzw. abgebremst. Folglich kann bei einer Autobahnauffahrt die thermische Energie und bei einer Ausfahrt die mechanische Energie genutzt werden, um die elektrische Energie zu erzeugen.
Bei der Steuerung der Energieabgabe kann auch zumindest ein Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs berücksichtigt werden. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die aktuelle Drehzahl eines Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs erfasst und bei der Steuerung der Energieabgabe berücksichtigt wird. Diese Ausführungsform macht sich die Tatsache zunutze, dass bei einer thermischen Rekuperation die Menge der zur Verfügung gestellten Wärmeenergie direkt proportional zu der Drehzahl des Antriebsmotors ist. Auch bei der mechanischen Rekuperation ist die für die Umwandlung bereitgestellte kinetische Energie proportional zur Drehzahl. Diese Beziehungen können nun genutzt werden, um die Energieabgabe der beiden Energiewandler zu steuern und/oder um die benötigte Gesamtleistung zu bestimmen.
Wie bereits ausgeführt, können als Energiewandler folgende Komponenten verwendet werden: zumindest ein Generator, welcher kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt, wie auch zumindest ein thermoelektrischer Generator, der thermische Energie – insbesondere eines Abgasstrangs – in elektrische Energie umwandelt. Je nach Umgebungsszenario kann somit die elektrische Energie aus unterschiedlichen Energieformen erzeugt werden, sodass der Wirkungsgrad des Bordnetzes jeweils optimiert werden kann.
Besonders bevorzugt werden bei dem Verfahren folgende Schritte durchgeführt: Falls anhand der Umgebungsinformationen ein Straßenanstieg erkannt wird, wird die Energieabgabe derart gesteuert, dass während der Fahrt durch den Straßenanstieg zumindest ein überwiegender Anteil der Gesamtleistung mittels des thermoelektrischen Generators bereitgestellt wird. Während der Fahrt bergauf muss nämlich die Verbrennungsmaschine besonders viel mechanische Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen, sodass auch relativ viel Wärme im Abgasstrang des Kraftfahrzeugs erzeugt wird. Diese thermische Energie wird nun durch den thermoelektrischen Generator abgegriffen und in elektrische Energie umgewandelt. Somit wird die bei diesem Szenario ohnehin vorhandene thermische Energie für die Bereitstellung der elektrischen Energie verwendet. Während der Fahrt durch den Straßenanstieg kann der herkömmliche Generator beispielsweise vollständig abgeschaltet werden, sodass die volle Gesamtleistung mittels des thermoelektrischen Generators bereitgestellt wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass auch der herkömmliche Generator elektrische Energie bereitstellt, und zwar zum Beispiel einen Anteil der Gesamtleistung von 5% oder 10%. Der Wirkungsgrad des Bordnetzes ist somit maximal.
Wird hingegen anhand der Umgebungsinformationen ein Straßengefälle erkannt, so kann die Energieabgabe derart gesteuert werden, dass während der Fahrt bergab zumindest ein überwiegender Anteil der Gesamtleistung – beispielsweise auch die vollständige Gesamtleistung – aus kinetischer Energie mittels des Generators bereitgestellt wird. Diese Ausführungsform wiederum beruht auf der Erkenntnis, dass bei einer Bergabfahrt der Verbrennungsmotor üblicherweise im Schub betrieben wird und dabei keine Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Hierbei ist die Erzeugung der elektrischen Energie mithilfe der mechanischen Rekuperation vorrangig, um den Gesamtwirkungsgrad auf ein Maximum zu bringen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels einer Fahrstilerkennungseinrichtung der Fahrer des Kraftfahrzeugs hinsichtlich seiner Fahrweise klassifiziert wird. Dann kann bei der Steuerung der Energieabgabe der zumindest zwei Energiewandler auch die Fahrweise des Fahrers berücksichtigt werden. Somit kann der Wirkungsgrad des gesamten Bordnetzes weiterhin optimiert werden. Ein „sportlicher” Fahrer wird nämlich in der Regel etwas mehr Gas geben, sodass hier auch der Anteil der abgegebenen Leistung des thermoelektrischen Generators im Vergleich zu einer wenig sportlichen Fahrweise erhöht werden kann. So kann beispielsweise selbst während der Fahrt in einem Straßengefälle zumindest ein Anteil der Gesamtleistung mithilfe des thermoelektrischen Generators bereitgestellt werden, nämlich insbesondere bei einer sportlichen Fahrweise des Fahrers. Solche Fahrstilerkennungseinrichtungen sind bereits aus dem Stand der Technik als bekannt zu entnehmen; die Fahrstilerkennung erfolgt dabei üblicherweise anhand von unterschiedlichsten Informationen, die beispielsweise an einem Kommunikationsbus des Kraftfahrzeugs – zum Beispiel CAN-Bus – abgegriffen werden können, nämlich beispielsweise anhand einer Gaspedalbewegung, Bremspedalbewegung, Beschleunigung des Kraftfahrzeugs und dergleichen.
Die Steuerung der Energieabgabe durch die zumindest zwei elektrischen Energiewandler kann – wie bereits ausgeführt – bereits im Voraus festgelegt werden, etwa in Abhängigkeit von Informationen über einen vorausliegenden Streckenabschnitt. Somit kann das Bordnetz auch entsprechend „vorbereitet” bzw. „konditioniert” werden. Dabei können im Bordnetz Bedingungen geschaffen werden, die es ermöglichen, die elektrische Energie der beiden Energiewandler aufzunehmen. Das Bordnetz kann also derart gezielt konditioniert werden, dass die Energiewandler betrieben und die benötigte Gesamtleistung auch im Vorfeld festgelegt und dann erzeugt werden kann. In einer Ausführungsform ist somit vorgesehen, dass vor oder mit der Energieabgabe durch die Energiewandler zumindest eine Komponente des Bordnetzes zur direkten Annahme der abgegebenen Energie vorbereitet wird. Diese gezielte Vorbereitung der Komponente ermöglicht dann, dass die erzeugte Energie der Energiewandler unmittelbar genutzt, etwa verbraucht, werden kann. Dabei können zwei Ausführungsformen vorgesehen sein: Zum einen kann vor der Energieabgabe durch die Energiewandler ein elektrischer Energiespeicher – zum Beispiel eine Batterie – des Bordnetzes zumindest teilweise entladen werden. Andererseits kann auch zumindest ein elektrischer Verbraucher des Bordnetzes aktiviert werden. Als elektrischer Verbraucher kann beispielsweise der oben genannte Kältemittelverdichter zugeschaltet werden. Wird beispielsweise ein vorausliegender Straßenanstieg bzw. ein Straßengefälle erkannt, so kann bereits bei der Anfahrt zum Berg der elektrische Verbraucher aktiviert und/oder die Batterie derart entladen werden, dass die Überschussenergie auch gespeichert werden kann. Die Aktivierung eines elektrischen Verbrauchers ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Batterie nicht zyklisiert werden darf. In diesem Falle kann beispielsweise eine Heizung und/oder ein Lüfter betrieben werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass vor der Energieabgabe durch die Energiewandler die benötigte Gesamtleistung im Vorfeld festgelegt wird. Dies kann beispielsweise so erfolgen, dass bereits im Voraus festgestellt wird, wie viele elektrische Verbraucher aktiviert werden können und welche Leistung überhaupt aufgenommen werden kann. Es kann auch im Voraus überprüft werden, wie viel Energie die Fahrzeugbatterie überhaupt aufnehmen kann. Wird diese Gesamtleistung im Voraus festgelegt, so kann dann die Steuerung der Energieabgabe derart erfolgen, dass diese Gesamtleistung nicht überschritten wird.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, näher erläutert. Dabei veranschaulicht die einzige Figur in schematischer und höchst abstrakter Darstellung ein Kraftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Ein in der Figur dargestelltes Kraftfahrzeug 1 ist beispielsweise ein Personenkraftwagen. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ein elektrisches Bordnetz 2, welches folgende Komponenten beinhaltet: einen herkömmlichen Generator 3 (auch mit G bezeichnet), einen thermoelektrischen Generator 4 (auch mit TEG bezeichnet), eine Batterie 5 (auch mit B bezeichnet), einen vorderen sowie einen hinteren Stromverteiler 6, 7, eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern 8 (auch mit V bezeichnet), eine elektronische Steuereinrichtung 9, einen GPS-Empfänger 10 sowie eine Fahrstilerkennungseinrichtung 11.
Im Ausführungsbeispiel ist das Kraftfahrzeug 1 ein konventionelles Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein solches Fahrzeug beschränkt; das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf Elektrofahrzeuge und/oder Hybridfahrzeuge angewandt werden.
Der Generator 3 ist mit der Brennkraftmaschine gekoppelt und stellt elektrische Energie bereit, nämlich aus kinetischer Energie der Brennkraftmaschine. Der Generator 3 ist dabei über eine elektrische Generatorleitung 12 mit der Batterie 5 elektrisch verbunden.
Die Batterie 5 ist im Heckbereich des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Sie kann beispielsweise unter der hinteren Sitzbank oder alternativ im Kofferraum des Kraftfahrzeugs 1 platziert sein. Die Batterie 5 ist mit dem hinteren Stromverteiler 7 elektrisch gekoppelt.
An den hinteren Stromverteiler 7 ist zumindest einer der elektrischen Verbraucher 8 angeschlossen und kann mit elektrischer Energie aus der Batterie 5 oder aber direkt aus dem thermoelektrischen Generator 4 versorgt werden.
Der hintere Stromverteiler 7 ist über eine Versorgungsleitung 13 mit dem vorderen Stromverteiler 6 verbunden, welcher wiederum im Frontbereich des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet ist. Über die Versorgungsleitung 13 erfolgt also eine Energieübertragung zwischen dem Heckbereich einerseits und dem Frontbereich andererseits. An den vorderen Stromverteiler 6 können eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern 8 gekoppelt sein, nämlich beispielsweise eine Heizung, eine Klimaanlage, ein Infotainmentsystem, ein Kältemittelverdichter, jegliche Fahrerassistenzsysteme und dergleichen.
Der thermoelektrische Generator greift thermische Energie in einem Abgasstrang des Kraftfahrzeugs 1 ab und kann diese thermische Energie in elektrische Energie umwandeln. Dabei ist der thermoelektrische Generator 4 an den vorderen Stromverteiler 6 gekoppelt, sodass die vom thermischen Generator 4 erzeugte Energie einerseits an die Verbraucher 8 und andererseits auch gegebenenfalls an die Batterie 5 abgegeben werden kann.
Die Steuereinrichtung 9 – etwa ein Steuergerät – steuert die Energieabgabe der beiden Generatoren 3, 4. Dabei sind die Generatoren 3, 4 Energiewandler im Sinne der vorliegenden Erfindung. Die Energieabgabe des herkömmlichen Generators 3 kann derart erfolgen, dass die vom Generator 3 bereitgestellte elektrische Spannung mithilfe eines Reglers geregelt wird. Die Energieabgabe des thermoelektrischen Generators 4 erfolgt hingegen beispielsweise mithilfe von Klappen, welche die Menge an thermischer Energie einstellen können, die dem thermoelektrischen Generator 4 zugeführt wird.
Der GPS-Empfänger 10 ist mit der Steuereinrichtung 9 gekoppelt, sodass die Steuereinrichtung 9 Positionsdaten empfängt, die Informationen über die jeweils augenblickliche globale Position des Kraftfahrzeugs beinhalten. In der Steuereinrichtung 9 – welche zusammen mit dem GPS-Empfänger 10 ein Navigationssystem bildet – sind außerdem digitale Karten abgelegt, sodass in der Steuereinrichtung 9 die jeweils aktuelle Position des Kraftfahrzeugs 1 auf der Karte bekannt ist. Die Steuereinrichtung 9 empfängt außerdem Daten von der Fahrstilerkennungseinrichtung 11, welche Informationen über den Fahrstil bzw. die Fahrweise des Fahrers liefert. In der Steuereinrichtung 9 ist somit auch die Fahrweise des Fahrers bekannt.
Nun richtet sich das Interesse auf die Steuerung der Energieabgabe durch die beiden Generatoren 3, 4 mittels der Steuereinrichtung 9. Ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend näher beschrieben:
Die Steuereinrichtung 9 erkennt anhand der Signale des GPS-Empfängers 10, dass sich vor dem Kraftfahrzeug 1 ein Berg befindet. Die Steuereinrichtung 9 erkennt also einen vorausliegenden Straßenanstieg und ein dahinter liegendes Straßengefälle. Noch während der Anfahrt zum Berg nimmt die Steuereinrichtung 9 eine Konditionierung des Bordnetzes 2 vor und bereitet das Bordnetz 2 auf eine Energieannahme vor. An dieser Stelle kann die Steuereinrichtung 9 beispielsweise zumindest einen der elektrischen Verbraucher 8 aktivieren und/oder die Batterie 5 teilweise oder gar vollständig entladen. Auf diese Weise wird das Bordnetz 2 gezielt auf die Annahme der elektrischen Energie vorbereitet. Als elektrischer Verbraucher 8 kann an dieser Stelle zum Beispiel ein Kältemittelverdichter und/oder eine Heizung und/oder ein Lüfter aktiviert werden. Alternativ kann diese Aktivierung erst mit der Energieabgabe durch die Generatoren 3, 4 erfolgen.
Während der Anfahrt zum Berg – also noch im Vorfeld – legt die Steuereinrichtung 9 auch die Gesamtleistung fest, die durch die beiden Generatoren 3, 4 erzeugt werden soll. Diese Gesamtleistung kann beispielsweise davon abhängen, wie viele Verbraucher 8 aktiviert werden und/oder wie viel Energie die Batterie 5 aufnehmen kann.
Ebenfalls im Vorfeld legt die Steuereinrichtung 9 die Steuerung der beiden Generatoren 3, 4 fest. Und zwar bestimmt die Steuereinrichtung 9 an dieser Stelle, dass während der Fahrt durch den Straßenanstieg der größte Anteil der benötigten Gesamtleistung durch den thermoelektrischen Generator 4 bereitgestellt werden soll. Während der Fahrt durch den Straßenanstieg soll also eine thermische Rekuperation vorgenommen werden, d. h. die abgegebene thermische Energie der Brennkraftmaschine soll in elektrische Energie umgewandelt werden. Demgegenüber soll bei der Bergabfahrt der Verbrennungsmotor im Schub betrieben werden, und es soll keine Kraftstoffeinspritzung erfolgen. Die Steuereinrichtung 9 bestimmt somit im Voraus, dass während der bevorstehenden Fahrt im Straßengefälle die benötigte Gesamtleistung zumindest überwiegend – gegebenenfalls auch vollständig – mittels des herkömmlichen Generators 3 erzeugt werden soll. Durch eine solche Steuerung der Energieabgabe der beiden Generatoren 3, 4 ist der Gesamtwirkungsgrad des Bordnetzes 2 maximal.
Bei der Steuerung der Energieabgabe kann auch der Fahrstil bzw. die Fahrweise des Fahrers berücksichtigt werden. Erkennt die Steuereinrichtung 9 beispielsweise, dass der Fahrer eine relativ sportliche Fahrweise bevorzugt, so kann ein Anteil der Gesamtleistung auch im Straßengefälle mittels des thermoelektrischen Generators 4 bereitgestellt werden. Hierbei wird die erzeugte Wärme der Brennkraftmaschine in elektrische Energie umgewandelt.
Ein weiteres Beispiel betrifft ein Szenario, bei welchem die Steuereinrichtung 9 anhand der Daten des GPS-Empfängers eine Vielzahl von vorausliegenden Kurven erkennt. Auch hier kann die Steuereinrichtung 9 eine Konditionierung des Bordnetzes 2 durchführen und beispielsweise einen elektrischen Verbraucher 8 aktivieren und/oder die Batterie 5 teilweise entladen. Während der Kurvenfahrt gibt der Fahrer nämlich abwechselnd Gas und bremst ab, sodass das Kraftfahrzeug 1 abwechselnd beschleunigt und wieder abgebremst (insbesondere im Schubbetrieb) wird. Hier kann die Steuereinrichtung 9 bereits im Voraus festlegen, dass im Schubbetrieb bzw. beim Abbremsen der Generator 3 betrieben werden soll, während beim Beschleunigen die elektrische Energie mittels des thermoelektrischen Generators 4 bereitgestellt werden soll.
Insgesamt können also bei dem Verfahren drei unterschiedliche Stufen unterschieden werden: Die erste Stufe bedeutet die Konditionierung des gesamten Systems. Hierunter versteht man die Schaffung von Ladeakzeptanz der Batterie 5 bzw. die Aktivierung von temporären Verbrauchern 8, wie beispielsweise einem elektrischen Kältemittelverdichter. Hierzu ist das Wissen erforderlich, auf welcher Fahrstrecke sich das Kraftfahrzeug 1 bewegt, und wie der Fahrer die Eigenschaften des Fahrzeugs verwendet (also Informationen über die Fahrweise). In einer zweiten Stufe wird passend zu der Fahrstrecke und dem Fahrstil die Energiewandlung durch die beiden Generatoren 3, 4 gesteuert bzw. festgelegt. In einer dritten Stufe wird dabei die Verteilung der Erzeugung der elektrischen Energie auf die unterschiedlichen Generatoren 3, 4 nach Gesamtwirkungsgraden durchgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: elektrisches Bordnetz
3: herkömmlicher Generator
4: thermoelektrischer Generator
5: Batterie
6: Stromverteiler
7: Stromverteiler
8: elektrischer Verbraucher
9: elektronische Steuereinrichtung
10: GPS-Empfänger
11: Fahrstilerkennungseinrichtung
12: Generatorleitung
13: Versorgungsleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008036044 A1 [0004]
DE 102007039107 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Steuern der Energieabgabe zumindest zweier elektrischer Energiewandler (3, 4) in einem Kraftfahrzeug (1), welche aus jeweils unterschiedlichen Energieformen elektrische Energie für ein Bordnetz (2) des Kraftfahrzeugs (1) bereitstellen, wobei durch die zumindest zwei Energiewandler (3, 4) eine benötigte elektrische Gesamtleistung für das Bordnetz (2) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Erfassungseinrichtung (10) des Kraftfahrzeugs (1) Umgebungsinformationen des Kraftfahrzeugs (1) erfasst werden und die Energieabgabe der zumindest zwei Energiewandler (3, 4) zum Bereitstellen der Gesamtleistung in Abhängigkeit von den erfassten Umgebungsinformationen gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsinformationen mittels eines Navigationssystems erfasst werden und die Energieabgabe in Abhängigkeit von Streckeninformationen des Navigationssystems gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsinformationen Informationen über eine vorausliegende Umgebung, insbesondere über einen vorausliegenden Streckenabschnitt, umfassen und die Steuerung der Energieabgabe der zumindest zwei Energiewandler (3, 4) im Voraus für die vorausliegende Umgebung festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Umgebungsinformationen Informationen über ein Höhenprofil einer Straße, auf welcher sich das Kraftfahrzeug (1) bewegt, insbesondere über das Höhenprofil eines vorausliegenden Streckenabschnitts, erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Umgebungsinformationen Informationen über einen zweidimensionalen Verlauf einer Straße, auf welcher sich das Kraftfahrzeug (1) bewegt, insbesondere über den zweidimensionalen Verlauf eines vorausliegenden Streckenabschnitts, erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Umgebungsinformationen zumindest eine der folgenden Informationen erfasst wird, welche bei der Steuerung der Energieabgabe berücksichtigt wird: – eine Entfernung zwischen dem Kraftfahrzeug (1) und einem vom Fahrer mittels eines Navigationssystems ausgewählten Zielort und/oder – ein Typ der Straße, auf welcher sich das Kraftfahrzeug (1) bewegt, wobei insbesondere zwischen folgenden Straßentypen unterschieden wird: einer Autobahn und/oder einer Landstraße und/oder einer Innerortsstraße, und/oder – eine Information über eine dem Kraftfahrzeug vorausliegende Autobahnauffahrt und/oder Autobahnausfahrt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiewandler (3, 4) zumindest ein Generator (3), welcher kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt, und zumindest ein thermoelektrischer Generator (4) verwendet werden, welcher thermische Energie, insbesondere eines Abgasstrangs des Kraftfahrzeugs (1), in elektrische Energie umwandelt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass falls anhand der Umgebungsinformationen ein Straßenanstieg erkannt wird, die Energieabgabe derart gesteuert wird, dass während der Fahrt durch den Straßenanstieg zumindest ein überwiegender Anteil der Gesamtleistung mittels des thermoelektrischen Generators (4) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass falls anhand der Umgebungsinformationen ein Straßengefälle erkannt wird, die Energieabgabe derart gesteuert wird, dass während der Fahrt in dem Straßengefälle zumindest ein überwiegender Anteil der Gesamtleistung aus kinetischer Energie mittels des Generators (3) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Fahrstilerkennungseinrichtung (11) der Fahrer des Kraftfahrzeugs (1) hinsichtlich seiner Fahrweise klassifiziert wird und bei der Steuerung der Energieabgabe auch die Fahrweise des Fahrers berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder mit der Energieabgabe durch die Energiewandler (3, 4) zumindest eine Komponente (5, 8) des Bordnetzes (2) zur Annahme der abgegebenen Energie vorbereitet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Energieabgabe durch die Energiewandler (3, 4) ein elektrischer Energiespeicher, insbesondere eine elektrische Batterie (5), des Bordnetzes (2) zumindest teilweise entladen wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder mit der Energieabgabe durch die Energiewandler (3, 4) zumindest ein elektrischer Verbraucher (8) des Bordnetzes (2) aktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Energieabgabe durch die Energiewandler (3, 4) die benötigte Gesamtleistung im Voraus festgelegt wird.
Kraftfahrzeug (1), welches zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet ist.