DE102014111516A1 - Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs und Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei das Fahrzeug eine elektrische Maschine, einen elektrischen Energiespeicher, einen Gleichspannungswandler und ein elektrisches Heizelement aufweist, wobei in einem ersten Fahrbetriebsmodus das elektrische Heizelement eingeschaltet ist und wobei ferner im ersten Fahrbetriebsmodus die Heizleistung des elektrischen Heizelements temporär reduziert wird, wenn der Gleichspannungswandler zur elektrischen Versorgung oder Stabilisierung eines Bordnetzes des Fahrzeugs eingeschaltet wird.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus dem Stand der Technik sind Hybrid-Fahrzeuge sowie batteriebetriebene Fahrzeug hinlänglich bekannt und werden zunehmend dazu eingesetzt, den Verbrauch und die Abgasemissionen von fossilen Brennstoffen bei Kraftfahrzeugen zu reduzieren. Hybrid-Fahrzeuge weisen üblicherweise sowohl einen Verbrennungsmotor als auch wenigstens einen Elektromotor auf. Je nach Anforderungen und zur Verfügung stehenden Ressourcen kann zur Erzeugung von Rotationsenergie wahlweise in einem ersten Fahrbetriebsmodus entweder der Verbrennungsmotor oder in einem zweiten Fahrbetriebsmodus der Elektromotor verwendet werden. Während im ersten Fahrbetriebsmodus der Verbrennungsmotor chemische Energie von klassischem Kraftstoff, wie Benzin oder Diesel, durch Verbrennung in Rotationsenergie umwandelt, wird im zweiten Fahrbetriebsmodus der wenigstens eine Elektromotor mit elektrischer Energie aus bordeigenen Energiespeicherzellen gespeist, um Rotationsenergie zum Antrieb des Fahrzeugs zu erzeugen. Zum Wiederaufladen der Energiespeicherzellen wird das Fahrzeug entweder mit einer externen Stromquelle, beispielsweise an einer sogenannten Stromtankstelle oder einem Hausstromnetzanschluss, verbunden oder die im ersten Fahrbetriebsmodus durch den Verbrennungsmotor erzeugte Rotationsenergie wird zumindest teilweise mittels eines fahrzeugeigenen Generators in elektrische Energie zum Laden der Energiespeicherzellen über einen Batteriestromkreis umgewandelt. Denkbar ist auch, dass der Elektromotor und der Generator durch eine einzige elektrische Maschine, welche wahlweise entweder im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb betrieben werden kann, realisiert werden. Ferner wird typischerweise Bremsenergie zurückgewonnen und in elektrische Energie zum Laden der Energiespeicherzelle umgewandelt.
  • Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, Hochvoltbatterien, insbesondere auf Lithium-Ionen- oder Nickel-Metallhybrid-Basis, als wiederaufladbare, elektrochemische Energiespeicherzellen zur Versorgung des wenigstens einen Elektromotors zu verwenden, da Hochvoltbatterien zur Aufnahme und Abgabe vergleichsweise großer Energiemengen in kurzer Zeit optimiert sind. Eine Besonderheit bei der Verwendung von solchen Hochvoltbatterien ist allerdings, dass die vorgegebenen Stromgrenzen beim Laden und Entladen der Hochvoltbatterien eingehalten werden müssen, da andernfalls eine Beschädigung der Hochvoltbatterien droht. Typischerweise sind in einem Fahrzeug mehrere Hochvoltbatterien zu Batteriemodulen zusammengeschaltet, so dass die Einhaltung der Stromgrenzen für jede einzelne Hochvoltbatterie nicht immer zeitlich optimal gesteuert werden kann. Dies gilt insbesondere bei niedrigen Temperaturen.
  • Jedes Fahrzeug weist typischerweise ein 12 Volt-Bordnetz auf, über welches die elektrischen und elektronischen Komponenten, wie Kombiinstrumente, Bordcomputer, Infotainmentsysteme, Fahrerassistenzsysteme, Beleuchtung und dergleichen, eingebunden sind. Zur Versorgung und/oder Stabilisierung des Bordnetzes mit elektrischer Energie wird bei Hybrid-Fahrzeugen in der Regel keine klassische Lichtmaschine, wie sie von reinen Verbrennungsfahrzeugen bekannt sind, verwendet, sondern es werden Gleichspannungswandler, welche die Gleichspannung der Hochvoltbatterien und des Batteriestromkreises auf ein niedrigeres Gleichspannungsniveau für das Bordnetz wandeln, eingesetzt.
  • Wenn der zum Stabilisieren des Bordnetzes eingesetzte Gleichspannungswandler nun während des ersten Fahrbetriebsmodus plötzlich eingeschaltet wird, steigt abrupt der Bedarf an elektrischer Energie, wodurch Entladeströme vom elektrischen Energiespeicher zum Gleichspannungswandler fließen. Es besteht dabei die Gefahr, dass es zu einer kurzzeitigen Überschreitung der maximal zulässigen Entladeströme auf Seiten des Energiespeichers kommt und somit zu einer Beschädigung oder zu einer Sicherheitsabschaltung der betreffenden Hochvoltbatterie kommt. Die Sicherheitsabschaltung kann im schlimmsten Fall zu einem Komplettausfall des Fahrzeugs führen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs zur Verfügung zu stellen, mit welchem die genannten Nachteile des Standes der Technik ausgeräumt werden und welches insbesondere ein zuverlässiges und störungsfreies Einschalten des Gleichspannungswandlers ermöglicht. Zudem soll das Verfahren einfach und kostengünstig zu implementieren sein.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug eine elektrische Maschine, einen elektrischen Energiespeicher, einen Gleichspannungswandler und ein elektrisches Heizelement aufweist, wobei in einem ersten Fahrbetriebsmodus das elektrische Heizelement eingeschaltet ist und wobei ferner im ersten Fahrbetriebsmodus die Heizleistung des elektrischen Heizelements temporär reduziert wird, wenn der Gleichspannungswandler zur elektrischen Versorgung oder Stabilisierung eines Bordnetzes des Hybrid-Fahrzeugs eingeschaltet wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der plötzlich ansteigende Bedarf an zusätzlicher elektrischer Energie, welcher durch das Einschalten des Gleichspannungswandlers verursacht ist, durch das Herunteregeln oder Abschalten des elektrischen Heizelements zumindest teilweise aufgefangen wird und somit das Auftreten von zu hohen (Entlade-)Strömen auf Seiten des Energiespeichers verhindert wird. Der elektrische Energiespeicher wird auf diese Weise also vor einer Übertretung der vorgegebenen Stromgrenzen geschützt. Die Gefahr von Beschädigungen des elektrischen Energiespeichers oder eines Komplettausfalls des Fahrzeugs, beispielsweise durch eine Sicherheitsabschaltung des Energiespeichers beim Einschalten des Gleichspannungswandlers bzw. beim Zuschalten des Gleichspannungswandlers zum Batteriestromkreis, wird somit ausgeräumt. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren vergleichsweise kostengünstig zu implementieren, wenn das Fahrzeug ohnehin mit einem elektrischen Heizelement ausgestattet ist. Ein solches Heizelement wird typischerweise zum Heizen des Fahrzeuginnenraums oder zum Heizen des Energiespeichers bei niedrigen Umgebungstemperaturen verwendet. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das elektrische Heizelement einer Doppelfunktion zugeführt, so dass es in einem Fall gemäß seiner ursprünglichen Bestimmung zum Heizen des Fahrzeuginnenraums oder des elektrischen Energiespeichers verwendet wird und im anderen Fall als temporär zuschaltbare virtuelle Stromquelle zum teilweisen Abfangen von zu hohen Entladeströmen im Batteriestromkreis verwendet wird. Durch Reduktion der Heizleistung wird dem Batteriestromkreis durch das elektrische Heizelement weniger oder kein Strom mehr entzogen, so dass das leistungsreduzierte oder abgeschaltete elektrische Heizelement als virtuelle Stromquelle fungiert. Das Fahrzeug umfasst ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug oder ein Hybrid-Fahrzeug. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Hybrid-Fahrzeug. Im ersten Fahrbetriebsmodus wird dann mittels der von einem Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Maschine der elektrische Energiespeicher über einen Batteriestromkreis geladen. Die elektrische Maschine fungiert dann als Generator. Neben der temporären Reduzierung der Heizleistung wird im Anschluss durch eine gerampte Anhebung der Heizleistung insbesondere sichergestellt, dass die Motorsteuerung bzw. Hybridsteuerung ebenfalls die nötige Anhebung der Ladeleistung der elektrischen Maschine so steuern kann, dass es nicht zu einer für den Fahrzeugführer merklichen Drehzahlschwankung am Verbrennungsmotor kommt. Das elektrische Heizelement umfasst vorzugsweise einen Widerstandsheizer, welcher elektrischen Strom in Joulesche Wärme umwandelt und vorteilhafterweise ein extrem kurzes Ansprechverhalten aufweist. Für den Fachmann versteht sich von selbst, dass im ersten Fahrbetriebsmodus auch eine Mehrzahl von elektrischen Heizelementen zugeschaltet werden könnte.
  • In einem zweiten Fahrbetriebsmodus des Hybrid-Fahrzeugs ist der Verbrennungsmotor vorzugsweise abgeschaltet und die elektrische Maschine fungiert als Elektromotor zum Antreiben und Verzögern des Hybrid-Fahrzeugs. Die elektrische Maschine wird dabei von dem elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt. Alternativ ist auch denkbar, dass das elektrische Heizelement als PTC-(Positive Temperature Coefficient) oder Peltier-Element ausgebildet ist. Denkbar ist auch, dass der Elektromotor und der Generator nicht durch eine einzige elektrische Maschine, welche wahlweise entweder im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb betrieben werden kann, realisiert wird, sondern durch zwei separate Aggregate, einen Elektromotor und einen Generator. Das Fahrzeug weist vorzugsweise einen Klimakompressor auf, dessen Leistung ebenfalls im ersten Fahrbetriebsmodus temporär reduzierbar ist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im ersten Fahrbetriebsmodus das elektrische Heizelement temporär abgeschaltet wird, wenn der Gleichspannungswandler zur elektrischen Versorgung oder Stabilisierung eines Bordnetzes des Fahrzeugs eingeschaltet wird. In vorteilhafter Weise wird die Leistungsentnahme des elektrischen Heizelements somit auf null reduziert, so dass zu hohe Entladeströme im Batteriestromkreis, hervorgerufen durch das Einschalten des Gleichspannungswandlers, kompensiert werden können, bis die Elektronik der als Generator arbeitenden elektrischen Maschine entsprechend nachjustiert ist und die elektrische Maschine den erforderlichen größeren Ladestrom in den Batteriestromkreis einspeist.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Ladestrom im Batteriestromkreis mittels einer Stromüberwachungseinheit überwacht wird und wobei von der Stromüberwachungseinheit die Leistungsreduktion am elektrischen Heizelement oder die Abschaltung des elektrischen Heizelements veranlasst wird, wenn die Stromüberwachungseinheit zu hohe Entladeströme des Energiespeichers oder ein Einschalten des Gleichspannungswandlers detektiert. Die Leistungsreduktion oder Abschaltung wird von der Stromüberwachungseinheit insbesondere dann veranlasst, wenn von der Stromüberwachungseinheit detektiert wird, dass der Entladestrom und/oder die Änderung des Entladestroms im Batteriestromkreis einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Denkbar ist auch, dass die Leistungsreduktion oder Abschaltung veranlasst wird, wenn die Änderung des Entladestroms innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls einen Grenzwert überschreitet. Die Stromüberwachungseinheit kann Teil eines Batteriesteuergeräts oder einer Leistungselektronik der elektrischen Maschine des Hybrid-Fahrzeugs sein.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass von einem Bordnetzsteuergerät die Leistungsreduktion oder die Abschaltung des elektrischen Heizelements veranlasst wird, wenn das Bordnetzsteuergerät den Gleichspannungswandler ein- bzw. zuschaltet. In vorteilhafter Weise kann das elektrische Heizelement somit abgeschaltet werden, während gleichzeitig der Gleichspannungswandler eingeschaltet wird. Insbesondere braucht nicht erst ein Ansteigen des Entladestroms im Batteriestromkreis abgewartet bzw. detektiert werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im ersten Fahrbetriebsmodus ein weiteres elektrisches Heizelement des Fahrzeugs eingeschaltet ist und temporär leistungsreduziert oder abgeschaltet wird, wenn der Gleichspannungswandler eingeschaltet wird, wobei mittels des weiteren elektrischen Heizelements der wenigstens eine elektrische Energiespeicher und/oder ein Fahrgastraum des Fahrzeugs geheizt wird. Durch die Abschaltung eines weiteren elektrischen Heizelements kann ein höherer Energiebedarf kurzzeitig aufgefangen werden. Auf diese Weise kann man sich im Betrieb den vorgegeben Stromgrenzen stärker annähern. Sowohl das elektrische Heizelement als auch das weitere elektrische Heizelement können somit als virtuelle Stromquelle zur temporären Kompensation der durch das Einschalten des Gleichspannungswandlers hervorgerufenen Ladestromsenke im Batteriestromkreis dienen. Neben der temporären Reduzierung der Heizleistung wird im Anschluss durch eine gerampte Anhebung der Heizleistung insbesondere sichergestellt, dass die Motorsteuerung bzw. Hybridsteuerung ebenfalls die nötige Anhebung der Ladeleistung der elektrischen Maschine so steuern kann, dass es nicht zu einer für den Fahrzeugführer merklichen Drehzahlschwankung am Verbrennungsmotor kommt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass mittels eines Ladesteuergerätes oder eines Klimatisierungssteuergeräts die Zuschaltung oder Abschaltung des elektrischen Heizelements oder des weiteren elektrischen Heizelements zum Batteriestromkreis durchgeführt wird.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug aufweisend eine elektrische Maschine und wenigstens einen elektrischen Energiespeicher, wobei das Fahrzeug ferner ein elektrisches Heizelement und einen Gleichspannungswandler zum elektrischen Versorgen oder Stabilisieren eines Bordnetzes des Hybrid-Fahrzeugs aufweist und wobei ferner im ersten Betriebsmodus die Heizleistung des elektrischen Heizelements temporär reduzierbar ist, wenn der Gleichspannungswandler eingeschaltet wird.
  • Das erfindungsgemäße Fahrzeug hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine temporäre Beaufschlagung des elektrischen Energiespeichers mit zu hohen Entladeströmen unterbunden wird, da die Heizleistung des elektrischen Heizelements im Falle eines durch das Einschalten des Gleichspannungswandlers hervorgerufenen Anstiegs des Energiebedarfs im Batteriestromkreis reduziert wird. Das leistungsreduzierte oder abgeschaltete elektrische Heizelement fungiert sodann als virtuelle Stromquelle im Batteriestromkreis, wodurch der Energiebedarf im Batteriestromkreis zumindest kurzzeitig abgefangen werden kann und zu hohe Entladeströme verhindert werden. In vorteilhafter Weise kann somit insbesondere eine Beschädigung des elektrischen Energiespeichers oder eine Sicherheitsabschaltung des elektrischen Energiespeichers vermieden werden. Das Fahrzeug umfasst ein Hybrid-Fahrzeug oder ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Im Falle eines Hybrid-Fahrzeugs weist das Fahrzeug einen Verbrennungsmotor auf, welche im ersten Betriebsmodus die elektrische Maschine antreibt, während die elektrische Maschine den Energiespeicher auflädt. Das elektrische Heizelement umfasst vorzugsweise einen oder mehrere Widerstandsheizer, welcher vorteilhafterweise ein extrem kurzes Ansprechverhalten aufweist. Die Leistungsreduktion oder Abschaltung des elektrischen Heizelements sorgt somit für eine unmittelbare Erhöhung der momentanen Stromstärke im Batteriestromkreis. Denkbar ist, dass das elektrische Heizelement insbesondere eine in Wirkverbindung mit dem wenigstens einen Energiespeicher stehende Energiespeicherheizung und/oder eine in Wirkverbindung mit dem Fahrzeuginnenraum stehende Fahrzeuginnenraumheizung umfasst. Analog zum vorstehend beschriebenen Verfahren wird auch beim erfindungsgemäßen Fahrzeug das elektrische Heizelement somit vorteilhafterweise einer Doppelfunktion zugeführt: In einem Fall wird es gemäß seiner ursprünglichen Bestimmung zum Heizen des Fahrzeuginnenraums oder des elektrischen Energiespeichers verwendet, während es im anderen Fall als kurzfristig zuschaltbare virtuelle Stromquelle zum Abfangen von zu hohen Entladeströmen im Batteriestromkreis verwendet wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Fahrzeug eine Stromüberwachungseinheit zum Überwachen des Ladestroms im Batteriestromkreis und zur Veranlassung der Leistungsreduktion oder Abschaltung des elektrischen Heizelements zum Batteriestromkreis bei Detektion von zu hohen Entladeströmen im Batteriestromkreis oder eines Einschaltens des Gleichspannungswandlers aufweist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Fahrzeug ein weiteres elektrisches Heizelement aufweist, dessen Heizleistung reduzierbar ist oder welches abschaltbar ist, wenn der Gleichspannungswandler eingeschaltet wird.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Fahrzeug eine Klimatisierungseinheit, insbesondere einen Klimakompressor, aufweist, welcher leistungsreduziert oder abgeschaltet wird, wenn zu hohe Entladeströme gegeben sind.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Hybrid-Fahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt eine schematische Übersicht der Ströme im Batteriestromkreis des Hybrid-Fahrzeugs gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
  • In 1 ist eine schematische Ansicht eines Hybrid-Fahrzeugs 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, um die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb des Hybrid-Fahrzeugs 1 zu erläutern. Das Hybrid-Fahrzeug 1 weist einen Verbrennungsmotor 2 und beispielhaft eine elektrische Maschine 6 auf. Das Hybrid-Fahrzeug 1 ist in zwei unterschiedlichen Fahrbetriebsmodi betreibbar:
    In einem ersten Fahrbetriebsmodus wird der Verbrennungsmotor 2 zur Gewinnung von Rotationsenergie betrieben, so dass in konventioneller Weise chemische Energie eines Kraftstoffs, wie Benzin oder Diesel, durch Verbrennung in Rotationsenergie umgewandelt wird. Dabei fungiert der Verbrennungsmotor 2 entweder als Traktionsmotor (Parallel-Hybrid) für das Hybrid-Fahrzeug 1 oder nur zum Betreiben der als Generator fungierenden elektrischen Maschine 6 (Serien-Hybrid).
  • In einem zweiten Fahrbetriebsmodus dient die in einem Elektromotormodus arbeitende elektrische Maschine 6 als Traktionsmotor zum Antreiben des Hybrid-Fahrzeugs 1, während der Verbrennungsmotor 2 außer Betrieb ist. Das Hybrid-Fahrzeug 1 weist einen elektrischen Energiespeicher 4 auf, welcher aus einer Mehrzahl zu einem Batteriemodul zusammengeschalteten Hochvoltbatterien 5 besteht. Die wiederaufladbaren Hochvoltbatterien 5 umfassen insbesondere Lithium-Ionen- oder Nickel-Metallhybrid-Batterien. Der elektrische Energiespeicher 4 versorgt die als Elektromotor arbeitende elektrische Maschine 6 im zweiten Fahrbetriebsmodus mit der notwendigen elektrischen Energie, welche von der elektrischen Maschine 6 in Rotationsenergie zum Antreiben der Antriebsachsen umgewandelt wird.
  • Das Hybrid-Fahrzeug 1 weist ferner ein elektrisches Heizelement 7 in Form eines Widerstandsheizelements auf. Das elektrische Heizelement 7 ist im Bereich des elektrischen Energiespeichers 4 angeordnet und dient dazu, den elektrischen Energiespeicher 4 durch Umwandlung von elektrischer Energie in Joulesche Wärme zu wärmen, wenn besonders niedrige Umgebungstemperaturen, beispielsweise unter –10° Celsius, herrschen. Somit können die Ladezeiten verkürzt und der zweite Fahrbetriebsmodus auch bei niedrigen Bauteiltemperaturen, wie beispielsweise im Winter, verwendet werden. Im vorliegenden Beispiel ist das elektrische Heizelement 7 zunächst eingeschaltet.
  • Die elektrische Maschine 6 kann auch in einem Generatormodus betrieben werden, so dass im ersten Fahrbetriebsmodus Rotationsenergie zumindest teilweise in elektrische Energie gewandelt wird, mit welcher der elektrische Energiespeicher 4 über einen Batteriestromkreis geladen wird. Zur Unterstützung des Bordnetzes des Hybrid-Fahrzeugs 1 weist das Hybrid-Fahrzeug 1 ferner einen Gleichspannungswandler 11 auf, welcher die Spannung des Hochvolt-Energiespeichers 4 für das Bordnetz herabsetzt.
  • Über das Bordnetz werden die elektrischen und elektronischen Komponenten (nicht dargestellt) des Hybrid-Fahrzeugs 1, wie beispielsweise Kombiinstrumente, Bordcomputer, Infotainmentsysteme, Fahrerassistenzsysteme, Beleuchtung und dergleichen, mit elektrischer Energie versorgt.
  • Zur Unterstützung oder Stabilisierung des Bordnetzes des Hybrid-Fahrzeugs 1 kann während des ersten Fahrbetriebsmodus der Gleichspannungswandler 11 eingeschaltet werden. Das Einschalten des Gleichspannungswandlers 11 während des ersten Fahrbetriebsmodus führt jedoch dazu, dass im Batteriestromkreis plötzlich ein zusätzlicher Stromverbraucher hinzukommt und dadurch – bis zur Nachregelung des Pulswechselrichters bzw. Umrichters – zusätzlicher Ladestrom im Batteriestromkreis abgezweigt wird. Dabei wird vom Gleichspannungswandler 11 derart viel Leistung dem Batteriestromkreis entnommen, dass das Bordnetz in seinem Verlauf eine Stromsenke aufweist (siehe 2) und Strom von dem elektrischen Energiespeicher 4 zum Gleichspannungswandler 11 fließt. Die verwendeten Hochvoltbatterien 5 dürfen aber nur mit einem vorgegeben maximalen Entladestrom belastet werden, welcher nicht überschritten werden darf. Dies gilt insbesondere bei Temperaturen unter –10° C. Andernfalls kann es zu einer Beschädigung der Hochvoltbatterien und deshalb zu einer Notabschaltung des Batteriestromkreises kommen.
  • Damit durch die auftretende Ladestromsenke der maximale Entladestrom nicht überschritten wird, wird mittels einer Steuereinheit 8 die Heizleistung des elektrischen Heizelements 7 entweder temporär reduziert oder das elektrische Heizelement 7 temporär vollständig abgeschaltet. Durch die Leistungsreduzierung und insbesondere das Abschalten des elektrischen Heizelements 7 steht derjenige Strom, welcher vorher in das elektrische Heizelement 7 geflossen ist, für den Gleichspannungswandler 11 bereit. Es kann somit verhindert werden, dass am Energiespeicher 4 der maximal zulässige Entladestrom überschritten wird. Das temporär heruntergeregelte oder abgeschaltete elektrische Heizelement 7 fungiert in diesem Moment als virtuelle Stromquelle für den Batteriestromkreis. Sobald die Elektronik der als Generator fungierenden elektrischen Maschine 6 nachgeregelt ist und die durch Einschalten des Gleichspannungswandlers 11 zusätzlich im Batteriestromkreis benötigte Leistung liefert, kann die Heizleistung des elektrischen Heizelements 7 wieder auf den ursprünglichen Wert mittels einer Rampe hochgefahren werden bzw. das elektrische Heizelement 7 wieder eingeschaltet werden. Somit kann verhindert werden, dass es durch eine schlagartige Änderung des Drehmoments der elektrischen Maschine 6 zu einer spürbaren Drehzahländerung kommt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Hybrid-Fahrzeug 1 wird das elektrische Heizelement 7 somit nicht nur als klassisches Heizelement zum Erwärmen des elektrischen Energiespeichers 4 bei tiefen Temperaturen, sondern zusätzlich auch noch als Ladestrompuffer bzw. virtuelle Ladestromquelle zum Abfedern von temporär auftretendem erhöhten Energiebedarf im Batteriestromkreis verwendet.
  • Denkbar ist, dass die Steuereinheit 8 eine Stromüberwachungseinheit im Batteriestromkreis umfasst und das elektrische Heizelement 7 runterregelt bzw. abschaltet, sobald der Ladestrom im Batteriestromkreis einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet oder der Entladestrom des Energiespeichers 4 einen maximalen Entladestrom erreicht oder die Einschaltung des Gleichspannungswandlers 11 detektiert wird. Die Steuereinheit 8 ist vorzugsweise Bestandteil eines Batteriesteuergerätes oder eines Bordnetzsteuergeräts des Hybrid-Fahrzeugs 1.
  • Alternativ ist denkbar, dass es sich bei dem elektrischen Heizelement 7 um eine Fahrzeuginnenraumheizung handelt.
  • Gemäß einer weiteren Alternative weist das Hybrid-Fahrzeug 1 sowohl das elektrische Heizelement 7 zur Heizung des Energiespeichers 4 als auch ein weiteres elektrisches Heizelement 9 auf, welches in Wirkverbindung mit einem Fahrzeuginnenraum des Hybrid-Fahrzeugs 1 steht. Das weitere elektrische Heizelement 9 umfasst insbesondere eine Fahrzeuginnenraumheizung in Form eines Widerstandsheizelements. Denkbar ist, dass anstelle des oder zusätzlich zum elektrischen Heizelement 7 auch noch das weitere elektrische Heizelement 9 temporär heruntergeregelt oder abgeschaltet wird, um die Ladestromsenken infolge der Einschaltung des Gleichspannungswandlers 11 abzufangen. Vorzugsweise werden sowohl das elektrische Heizelement 7 als auch das weitere elektrische Heizelement 9 abgeschaltet, damit größere Ladestromsenken abgefangen werden können.
  • Grundsätzlich wäre bei den vorstehend beschriebenen Hybrid-Fahrzeugen 1 auch denkbar, das Hybrid-Fahrzeug 1 zusätzlich mit einem Klimakompressor zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums derart zu verschalten, dass der Klimakompressor von dem Steuergerät 8 dem Batteriestromkreis zu- oder abgeschaltet wird, wenn Ladestromspitzen oder -senken auftreten. Alternativ ist auch denkbar, dass das elektrische Heizelement 7 und/oder das weitere elektrische Heizelement 9 als PTC-(Positive Temperature Coefficient) oder Peltier-Element ausgebildet ist.
  • Ferner wäre denkbar, dass der Generator und der Elektromotor bei dem vorstehend beschriebenen Hybrid-Fahrzeug 1 nicht in einer elektrischen Maschine vereint sind, sondern durch zwei separate Aggregate realisiert sind.
  • Zusätzlich kann bei ruhendem Hybrid-Fahrzeug 1 der elektrische Energiespeicher 4 natürlich auch mit Strom aus einem stationären Stromnetz geladen werden, wenn das Hybrid-Fahrzeug beispielsweise an einer Stromtankstelle oder in der Nähe eines Stromnetzhausanschlusses parkt. Ferner wird während des Bremsvorgangs vorzugsweise Bremsenergie über die elektrische Maschine 6 zurückgewonnen und zum Laden des elektrischen Energiespeichers 4 verwendet.
  • In 2 ist eine schematische Übersicht der Ströme im Batteriestromkreis des Hybrid-Fahrzeugs 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Diagramm dargestellt. Auf der Abszisse des Diagramms 10 ist die Zeit aufgetragen, während die Ordinate schematisch die Stromstärke der verschiedenen Ströme im Batteriestromkreis illustriert. Bis zum Zeitpunkt t1 sind die Stromaufnahme des Gleichspannungswandlers 11 (Kurve mit Bezugszeichen 12), der durch die als Generator arbeitende elektrische Maschine 6 erzeugte Ladestrom (Kurve mit Bezugszeichen 13), die Stromaufnahme des elektrischen Heizelements 7 (Kurve mit Bezugszeichen 14) und der Ladestrom des Energiespeichers 4 (Kurve mit Bezugszeichen 15) jeweils konstant.
  • Im vorliegenden Beispiel wird der Gleichspannungswandler 11 zum Zeitpunkt t1 eingeschaltet. Die Leistungsaufnahme des Gleichspannungswandlers 15 springt zum Zeitpunkt t1 von null auf einen positiven Wert. Die Elektronik justiert die elektrische Maschine 6 entsprechend nach, um die durch den Gleichspannungswandler 11 zusätzlich benötigte elektrische Energie zu liefern. Hierbei gibt es allerdings einen Zeitversatz. Erst zum Zeitpunkt t2 steigt die von der als Generator arbeitenden elektrischen Maschine 6 eingespeiste Leistung langsam an und zum Zeitpunkt t3 wird die durch den eingeschalteten Gleichspannungswandler 11 zusätzlich benötigte elektrische Energie vollständig zur Verfügung gestellt.
  • Im Zeitintervall zwischen t1 und t3 wird somit kurzzeitig mehr elektrische Energie benötigt, als die elektrische Maschine 6 liefert. Es fließt daher ein Entladestrom von dem elektrischen Energiespeicher 4 in den Batteriestromkreis. Damit dabei der maximale Entladestrom des elektrischen Energiespeichers 4 nicht überschritten wird, wird das elektrische Heizelement 7 für den Zeitraum zwischen t1 und t3 heruntergeregelt. Insbesondere wird das elektrische Heizelement 7 im Intervall zwischen t1 und t2 abgeschaltet und die Heizleistung im Intervall zwischen t2 und t3 analog zum Leistungszuwachs der elektrischen Maschine 6 kontinuierlich hochgefahren. Dem Verlauf der Kurve 14 ist zu entnehmen, dass das temporäre Abschalten bzw. die Leistungsreduktion des elektrischen Heizelements 7 dazu führt, die im Batteriestromkreis auftretende Stromsenke teilweise aufzufangen und somit zu hohe Entladeströme auf Seiten des elektrischen Energiespeichers 4 zu verhindern.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs (1), wobei das Fahrzeug (1) eine elektrische Maschine (6), einen elektrischen Energiespeicher (4), einen Gleichspannungswandler (12) und ein elektrisches Heizelement (7, 9) aufweist, wobei in einem ersten Fahrbetriebsmodus Batteriestromkreis das elektrische Heizelement (7, 9) eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Fahrbetriebsmodus die Heizleistung des elektrischen Heizelements (7, 9) temporär reduziert wird, wenn der Gleichspannungswandler (11) zur elektrischen Versorgung oder Stabilisierung eines Bordnetzes des Fahrzeugs (1) eingeschaltet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im ersten Fahrbetriebsmodus mittels der vom Verbrennungsmotor (2) angetriebenen elektrischen Maschine (6) der elektrische Energiespeicher (4) über einen Batteriestromkreis geladen wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im ersten Fahrbetriebsmodus das elektrische Heizelement (7, 9) temporär abgeschaltet wird, wenn der Gleichspannungswandler (11) zur elektrischen Versorgung oder Stabilisierung eines Bordnetzes des Fahrzeugs (1) eingeschaltet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strom im Batteriestromkreis mittels einer Stromüberwachungseinheit überwacht wird und wobei von der Stromüberwachungseinheit die temporäre Leistungsreduktion oder Abschaltung des elektrischen Heizelements (7, 9) veranlasst wird, wenn die Stromüberwachungseinheit einen zu hohen Strom oder ein Einschalten des Gleichspannungswandlers (11) detektiert.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von einem Bordnetzsteuergerät die temporäre Leistungsreduktion oder Abschaltung des elektrischen Heizelements (7, 9) veranlasst wird, wenn das Bordnetzsteuergerät den Gleichspannungswandler (11) einschaltet.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels des elektrischen Heizelements (7, 9) der wenigstens eine elektrische Energiespeicher (4) und/oder ein Fahrgastraum des Fahrzeugs (1) geheizt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im ersten Fahrbetriebsmodus ein weiteres elektrisches Heizelement (7, 9) des Fahrzeugs (1) temporär leistungsreduziert oder abgeschaltet wird, wenn der Gleichspannungswandler (11) eingeschaltet wird, wobei mittels des weiteren elektrischen Heizelements (7, 9) der wenigstens eine elektrische Energiespeicher (4) und/oder ein Fahrgastraum des Fahrzeugs (1) geheizt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem zweiten Fahrbetriebsmodus der Verbrennungsmotor (2) abgeschaltet ist und die elektrische Maschine (6) als Traktionsmotor für das Hybrid-Fahrzeug (1) fungiert, welcher von dem elektrischen Energiespeicher (4) mit elektrischer Energie versorgt wird.
  9. Fahrzeug (1) aufweisend eine elektrische Maschine (6) und einen elektrischen Energiespeicher (4), wobei das Fahrzeug (1) ferner ein elektrisches Heizelement (7, 9) und einen Gleichspannungswandler (11) zum elektrischen Versorgen oder Stabilisieren eines Bordnetzes des Fahrzeugs (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebsmodus die Heizleistung des elektrischen Heizelements (7, 9) temporär reduzierbar ist, wenn der Gleichspannungswandler (11) eingeschaltet wird.
  10. Fahrzeug (1) nach Anspruch 9, wobei im ersten Betriebsmodus das elektrische Heizelement (7, 9) temporär abschaltbar ist, wenn der Gleichspannungswandler (11) eingeschaltet wird.
  11. Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei das Fahrzeug (1) eine Stromüberwachungseinheit zum Überwachen des Stroms im Batteriestromkreis und zur Veranlassung der temporären Leistungsreduktion oder Abschaltung des elektrischen Heizelements (7, 9) bei Detektion eines zu hohen Stroms oder eines Einschaltens des Gleichspannungswandlers (11) aufweist.
  12. Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das elektrische Heizelement (7, 9) einen Widerstandsheizer umfasst.
  13. Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das elektrische Heizelement (7, 9) eine in Wirkverbindung mit dem wenigstens einen Energiespeicher (4) stehende Energiespeicherheizung (7) und/oder eine in Wirkverbindung mit dem Fahrzeuginnenraum stehende Fahrzeuginnenraumheizung (9) umfasst.
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