DE102014201062A1

DE102014201062A1 - Verfahren zum Steuern einer Geschwindigkeit

Info

Publication number: DE102014201062A1
Application number: DE102014201062.4A
Authority: DE
Inventors: Andre Boehm; Andreas Lemke; Christian Korn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2015-07-23
Also published as: WO2015110274A1

Abstract

Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern einer Geschwindigkeit eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (10) mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen von Zustandsparametern einer Batterie (16) des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (10), b) Ermitteln einer Verlustleistung des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (10) für unterschiedliche Geschwindigkeiten; c) Ermitteln einer optimalen Geschwindigkeit, bei der die ermittelte Verlustleistung ein Minimum aufweist; und d) Steuern des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (10) bei der ermittelten, optimalen Geschwindigkeit. Zudem betrifft die Erfindung ein Computerprogramm und ein System, die zu Durchführung des Verfahrens ausgebildet und/oder eingerichtet sind, sowie ein Fahrzeug (10) mit einem derartigen System.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Geschwindigkeit eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges. Die Erfindung betrifft zudem ein Computerprogramm und ein System, die zu Durchführung des Verfahrens ausgebildet und/oder eingerichtet sind. Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem derartigen System.
In moderneren Fahrzeugen kommen Fahrassistenzsysteme als Zusatzeinrichtungen zum Einsatz, die den Fahrer des Fahrzeuges unterstützen. Derartige Zusatzeinrichtungen können beispielsweise Fahrinformationssysteme, Parkassistenten oder automatische Distanzregelsysteme (Adaptive Cruise Control-Systeme, ACC-Systeme) umfassen. Automatische Distanzregelsysteme zum Beispiel erkennen mit Hilfe von Abstandssensoren vorausfahrende Fahrzeuge und regeln die Geschwindigkeit derart, dass der Abstand zu den vorausfahrenden Fahrzeugen konstant bleibt. Dadurch kann eine konstante Fahrweise erreicht werden, die Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen minimiert, was neben sicherheitsrelevanten Aspekten auch den Verbrauch des Fahrzeuges reduziert.
Aus US 2009/0321165 A1 ist eine Geschwindigkeitsregelungsanlage bekannt, die den Abstand zu vorausfahrenden Fahrzeugen mit Hilfe von Radarsensoren misst, und die Geschwindigkeit entsprechend regelt.
In JP 2012 222 981 A ist eine Geschwindigkeitsregelanlage beschrieben, die periphere Informationen des Fahrzeuges berücksichtigt und zum Antreiben des Fahrzeuges den Entladestrom einer Batterie maximiert.
In JP 2000 050 416 A ist eine Geschwindigkeitsregelanlage beschrieben, die zum Bestimmen der Geschwindigkeit unter anderem den Windwiderstand berücksichtigt.
Bekannte Geschwindigkeitsregelanlagen ermöglichen eine konstante Fahrweise, die zum einen die Sicherheit erhöht und zum anderen den Verbrauch erniedrigt. Um Fahrzeuge noch effizienter betreiben zu können, besteht ein anhaltendes Interesse daran, die Funktionalität der Distanz- und Geschwindigkeitsregelung weiter auszuweiten.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Steuern einer Geschwindigkeit v eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges mit folgenden Schritten vorgeschlagen:

a) Bereitstellen von Zustandsparametern einer Batterie des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges,
b) Ermitteln einer Verlustleistung P_v,ges des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges für unterschiedliche Geschwindigkeiten v;
c) Ermitteln einer optimalen Geschwindigkeit v_opt, bei der die ermittelte Verlustleistung P_v,ges ein Minimum aufweist; und
d) Steuern des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges bei der ermittelten, optimalen Geschwindigkeit v_opt.

Das Verfahren ermöglicht es, das elektrisch angetriebene Fahrzeug derart zu steuern, dass sich das Fahrzeug mit der ermittelten, optimalen Geschwindigkeit v_opt bewegt und dadurch eine optimale Energiebilanz erreicht.
Das elektrisch angetriebene Fahrzeug kann als reines Elektrofahrzeug ausgestaltet sein und ausschließlich ein elektrisches Antriebsystem umfassen. Alternativ kann das Fahrzeug als Hybridfahrzeug ausgestaltet sein, das ein elektrisches Antriebssystem und einen Verbrennungsmotor umfasst. Dabei kann die Batterie des Hybridfahrzeuges intern über einen Generator mit überschüssiger Energie des Verbrennungsmotors geladen werden. Extern aufladbare Hybridfahrzeuge (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) sehen zusätzlich die Möglichkeit vor, die Batterie über das externe Stromnetz aufzuladen.
Um die gewünschte elektrische Leistung zum Antrieb des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges bereitzustellen, umfasst das Fahrzeug eine Batterie, die mehrere Batteriezellen umfasst. Weiterhin können mehrere Batteriezellen miteinander gruppiert sein, wobei derartige Gruppen auch als Batteriemodule bezeichnet werden. Während der Fahrt des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges mit einer Geschwindigkeit v werden Zustandsparameter der Batterie erfasst und einem Steuergerät bereitgestellt, auf dem ein Batteriemanagementsystem implementiert sein kann. Dabei können Zustandsparameter einzelner Batteriezellen oder einzelner Batteriemodule durch Sensoreinheiten erfasst werden. Solche Sensoreinheiten können als Zellüberwachungseinheiten am Ausgang der Batteriezellen oder als Modulüberwachungseinheiten am Ausgang der Batteriemodule realisiert sein. Insbesondere können derartige Sensoreinheiten eine Spannung, einen Strom, einen Widerstand, eine Leistung, eine Temperatur oder sonstige dem Fachmann bekannte Zustandsparameter einzelner Batteriezellen oder einzelner Batteriemodule erfassen.
Um die Batterie kontinuierlich zu überwachen, erfassen die Sensoreinheiten die Zustandsparameter einzelner Batteriezellen oder einzelner Batteriemodule kontinuierlich und stellen die entsprechenden Daten einem Steuergerät bereit, auf dem beispielsweise ein Batteriemanagementsystem realisiert ist. So können die Daten zwischen den Sensoreinheiten und dem Steuergerät über einen Bus, etwa über einen SPI Bus (Serial Peripheral Interface Bus) oder einen CAN Bus (Controller Area Network Bus) ausgetauscht werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Verlustleistung P_v,ges des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges eine Batterieverlustleistung P_v,batt und eine Antriebsverlustleistung P_v,a. Hierbei bezeichnet die Batterieverlustleistung P_v,batt den Anteil Verlustleistung P_v,ges, der batterieseitig die Gesamtleistung der Batterie reduziert. Eine Antriebsverlustleistung P_v,a bezeichnet weiterhin den Anteil der Verlustleistung P_v,ges, der antriebsseitig die von der Batterie bereitgestellte Gesamtleistung reduziert.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Batterieleistung in Abhängigkeit von einer Kühlleistung P_Kühl und/oder einem Innenwiderstand R_i der Batterie ermittelt.
Im Allgemeinen ergibt sich die theoretisch verfügbare Gesamtleistung der Batterie P_batt,ideal zu P_batt,ideal = U_OCV·I, (1) wobei U_OCV der Leerlaufspannung entspricht und I den Batteriestrom bezeichnet. Diese theoretisch verfügbare Gesamtleistung wird jedoch durch unterschiedliche Verlustkanäle in einem Batteriesystem reduziert, so dass gilt: P_batt = P_batt,ideal – P_v,batt, (2) wobei P_batt die tatsächliche Gesamtleistung der Batterie bezeichnet.
Beispiele solcher Verlustkanäle in einem Batteriesystem sind zum einen der Innenwiderstand R_i der Batteriezellen oder Batteriemodule, der zu einer Erwärmung der Batterie führt und dementsprechend als weiteren Verlustkanal eine Kühlung der Batterie bedingt. Damit kann sich die Batterieverlustleistung P_v,batt aus folgendem Zusammenhang ergeben: P_v,batt = R_i(I)·I² + P_kühl ≅ (1 + α(I))·R_i(I)·I². (3)
Dabei bezeichnen R_i (I) den Innenwiderstand in Abhängigkeit vom Batteriestrom I, P_kühl die aufzuwendende Kühlleistung und a(I) einen Faktor der Kühlleistung P_Kühl in Abhängigkeit vom Batteriestrom I.
In Batterien kann der Innenwiderstand R_i in Abhängigkeit von dem Batteriestrom I ansteigen. Dadurch kommt es zu einer Wärmeentwicklung in der Batterie, welcher durch ein Kühlsystem entgegengewirkt werden kann. Insbesondere kann bei kleinem Batteriestrom beispielsweise im Bereich von einigen mA eine passive Kühlung durch zum Beispiel Umgebungsluft ausreichen. Steigt der Batteriestrom an, erhöht sich die Wärmeentwicklung, welcher durch ein aktives Kühlsystem entgegengewirkt werden kann. Damit hängt die vom Kühlsystem bereitzustellende Kühlleistung P_Kühl vom Batteriestrom 1 ab und die Kühlleistung P_Kühl erhöht sich, wenn der Batteriestrom 1 zunimmt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Antriebsverlustleistung P_v,a in Abhängigkeit von wenigstens einem Effizienzparameter des elektrischen angetriebenen Fahrzeuges ermittelt.
Dabei kann der wenigstens ein Effizienzparameter einen Rollwiderstand, einen Luftwiderstand und/oder einen Wirkungsgrad des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges, insbesondere des Antriebssystems des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges umfassen. Im Allgemeinen hängt die Antriebsleistung P_a von der Geschwindigkeit v des elektrisch abgetriebenen Fahrzeuges ab. Diese Abhängigkeit kann vereinfacht als P_a = α·v + β·v² + γ·v³ (4) dargestellt werden, wobei die Faktoren α, β und γ Effizienzparameter des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges und insbesondere des Antriebssystems bezeichnen. In Formel (4) kann der Vorfaktor α insbesondere einen Rollwiderstand des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges auf einer Fahrbahn kennzeichnen. Der Rollwiderstand kann dabei von unterschiedlichen Faktoren, wie der Fahrbahnoberfläche, der Reifenqualität, dem Fahrzeuggewicht oder ähnlichen dem Fachmann bekannten Faktoren, abhängen. Weiterhin kann der Faktor γ den Luftwiderstand beschreiben, der von der Aerodynamik des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges abhängt. Der Faktor β kann weitere Faktoren, die mit dem Quadrat der Geschwindigkeit v eingehen, berücksichtigen. Bevorzugt ist der Faktor β = 0.
Weiterhin kann die Antriebsleistung P_a fahrzeugseitig mit einem Wirkungsgrad η behaftet sein. Die zum Antrieb aufzubringende Leistung ergibt sich damit zu P_ges = ¹/_ηP_a. (5)
Hierbei kann der Wirkungsgrad η insbesondere von dem Batteriestrom I abhängen, wobei der Wirkungsgrad η mit ansteigendem Batteriestrom I steigt. Dieser Zusammenhang kann beispielsweise im Rahmen von einem Kennlinienfeld, das fahrzeug- und batteriespezifisch erfasst werden kann, ermittelt werden.
Daraus ergibt sich die Antriebsverlustleistung P_v,a zu P_v,a = (1 – η)P_ges. (6)
Aus den vorstehenden Zusammenhängen für die Batterieverlustleistung P_v,batt und eine Antriebsleistung P_a kann sich weiterhin folgender Zusammenhang ergeben: P_ges = P_batt, (7) ¹/_η(I)P_a = P_batt,ideal – P_v,batt, (8) ¹/_η(I)(α·v + β·v² + γ·v³) = U_OCV·I – (1 + α(I))·R_i(I)·I². (9)
Somit können die antriebseitig benötigte Leistung einerseits und die batterieseitig zur Verfügung stehende Leistung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit v des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges und des Batteriestroms I andererseits miteinander verknüpft werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Verlustleistung P_v,ges des elektrisch angetrieben Fahrzeuges in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit v und einem dazu benötigten Batteriestrom I ermittelt. So kann sich die Verlustleistung P_v,ges des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges ergeben zu P_v,ges = (1 – η)P_ges + P_v,batt. (10)
Auf Basis dieses Zusammenhangs und insbesondere der Abhängigkeit der Verlustleistung P_v,ges des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges und der Geschwindigkeit v können Minima bestimmt werden, die sich im Verlauf der Verlustleistung P_v,ges des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges gegen die Geschwindigkeit v ergeben. Die optimale Geschwindigkeit v_opt beschreibt dann die Geschwindigkeiten v, bei denen die ermittelte Verlustleistung P_v,ges des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges ein Minimum aufweist. Das Minimum kann dabei ein lokales oder ein globales Minimum des Zusammenhangs der Verlustleistung P_v,ges des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges gegen die Geschwindigkeit v darstellen. Zum Ermitteln der optimalen Geschwindigkeit v_opt werden Minima in der ermittelten Verlustleistung P_v,ges des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges ermittelt und dementsprechend eines der Minima als optimale Geschwindigkeit v_opt festgelegt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die optimale Geschwindigkeit v_opt in einem vorgegebenen oder einem wählbaren Geschwindigkeitsfenster ermittelt. Derartige Geschwindigkeitsfenster können in einem Geschwindigkeitsbereich von 5 bis 200 km/h, bevorzugt von 30 bis 200 km/h, liegen und können beispielsweise vorgegeben in einer Speichereinrichtung hinterlegt sein oder frei wählbar über eine Mensch-Maschine Schnittstelle, wie einem berührungsempfindlichen Bildschirm oder einem Auswahlrad, vom Fahrer vorgegeben werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die optimale Geschwindigkeit v_opt in Abhängigkeit von fahrerspezifischen Daten, insbesondere Kalenderdaten und/oder Routendaten ermittelt. So können Kalenderdaten von einer Speichereinrichtung, wie einem Speicher einer mobilen Einheit, etwa in einem Mobiltelefon, einer dem Fahrzeug, insbesondere dem Steuergerät zugeordneten Speichereinrichtung oder einer über ein Datennetzwerk, wie das Internet oder eine Cloud, zugänglichen Speichereinrichtung bereitgestellt werden. Dabei können Kalenderdaten Daten und Orte umfassen, die zukünftige Fahrziele des Fahrers kennzeichnen. Daraus kann eine zu fahrende Strecke zu gegebenen Zeitpunkt bestimmt werden. Zusätzlich können Routendaten berücksichtigt werden, die zum Beispiel die Verkehrslage auf der zu befahrenen Straße kennzeichnen. Insbesondere können Verkehrsinformationen eines Navigationssystems oder einer über das Internet zugänglichen Datenbank, etwa über eine Cloud oder einen Online-Service, in die Berechnung einbezogen werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird nach Ermitteln der optimalen Geschwindigkeit v_opt zusätzlich ein Ladungszustand der Batterie erfasst, eine Reichweite bei der optimalen Geschwindigkeit v_opt ermittelt und die ermittelte Restreichweite weiteren Systemen im elektrisch angetriebenen Fahrzeug bereitgestellt. So könnte die ermittelte Restreichweite beispielsweise einer Mensch-Maschine-Schnittstelle bereitgestellt werden, die die Restreichweite an den Fahrer kommuniziert. Zusätzlich oder alternativ kann die Restreichweite weiteren Komponenten im elektrisch angetriebenen Fahrzeug, beispielsweise einem Navigationssystem, einen Stauassistenten, oder einen sonstigen Systemen zur Fahrassistenz, bereitgestellt werden.
Hierbei bezeichnet der Ladungszustand den gespeicherten Energieinhalt, der für den Fall eines elektrischen Antriebes der gespeicherten Energie einer Batterie entspricht. Für den Fall eines Verbrennungsmotors bezeichnet der gespeicherte Energieinhalt den Inhalt eines Kraftstofftanks. Bei Hybridfahrzeugen umfasst der Energieinhalt die Summe der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie und der Verbrennungsenergie.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine optimale Reichweite unter Berücksichtigung einer Energiebilanz in Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen ermittelt.
In einer weiteren Ausführungsform werden zusätzlich zu den Zustandsparametern der Batterie Abstandsdaten erfasst, aus den erfassten Abstandsdaten ein Abstand zu vorausfahrenden Fahrzeugen ermittelt und die optimale Geschwindigkeit v_opt in Abhängigkeit vom ermittelten Abstand zu vorausfahrenden Fahrzeugen ermittelt. Zum Erfassen von Abstandsdaten können dabei übliche dem Fachmann bekannte Sensorsysteme am Fahrzeug angeordnet sein. Geeignete Sensorsysteme sind zum Beispiel Radar-, Lidar- oder Ultraschallsensorsysteme.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul zur Implementierung eines Batteriemanagementsystems oder eines Subsystems hiervon in einem Fahrzeug handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung oder auf einer entfernbaren CD-ROM, DVD, einer Blu-ray-Disc oder einem USB-Stick. Zusätzlich oder alternativ kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung wie etwa auf einem Server oder einem Cloudsystem zum Herunterladen bereitgestellt werden, z. B. über ein Datennetzwerk wie das Internet oder eine Kommunikationsverbindung wie etwa eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein System zum Steuern einer Geschwindigkeit v eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges mit folgenden Komponenten vorgeschlagen:

a. einer Einheit zum Bereitstellen von Zustandsparametern einer Batterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges,
b. einer Einheit zum Ermitteln einer Verlustleistung P_v,ges des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges für unterschiedliche Geschwindigkeiten v;
c. einer Einheit zum Ermitteln einer optimalen Geschwindigkeit v_opt aus der ermittelten Verlustleistung P_v,ges und
d. einer Einheit zum Steuern des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges bei der ermittelten, optimalen Geschwindigkeit v_opt.

Bevorzugt ist das System zum Durchführen der hierin beschriebenen Verfahren ausgebildet oder eingerichtet. Dementsprechend gelten im Rahmen des Verfahrens beschriebenen Merkmale entsprechend für das System, und umgekehrt die im Rahmen des Systems beschriebenen Merkmale entsprechend für das Verfahren. Die Batterie kann als Lithium-Ion-Batterie oder Nickel-Metall-Hybrid Batterie ausgestaltet sein. Weiterhin kann die Batterie in einem Batteriesystem mit einem Batteriemanagementsystem eingebettet sein, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem eines Fahrzeuges verbindbar ist.
Die Komponenten des Systems sind als funktionaler Einheiten zu sehen, die nicht notwendigerweise physikalisch von einander getrennt sind. So können mehrere Komponenten das System in einer einzigen physikalischen Einheit realisiert sein, etwa wenn mehrere Funktionen in der Software auf einem Steuergerät implementiert sind. Weiterhin können die Funktionen der Komponenten auch in Hardware, beispielsweise durch Sensoreinheiten oder Speichereinheiten realisiert sein. Bevorzugt sind insbesondere die Komponenten b. und c. als Software im Batteriemanagementsysteme auf einem Steuergerät implementiert.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Fahrzeug mit dem hierin beschriebenen System vorgeschlagen. Bevorzugt ist das Fahrzeug ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, wie ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug, das zumindest teilweise durch elektrische Energie einer Batterie mit mehreren Batteriezellen angetrieben wird. Dazu ist die Batterie insbesondere mit dem Antriebsystem des Fahrzeuges verbunden.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht es, die vom Fahrer anvisierte Geschwindigkeit v selbsttätig zu optimieren. Dadurch können höhere Reichweiten mit einem geringeren Verbrauch gewährleistet werden, und der Energiehaushalt des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges kann optimiert werden. So kann insbesondere die Verlustleistung P_v,ges derart in Bezug auf die Geschwindigkeit v minimiert werden, dass die von der Batterie zur Verfügung stehende Leistung optimal durch das Antriebssystem genutzt wird. Dies ermöglicht eine optimale Abstimmung der gefahrenen Geschwindigkeit v und der Batterieparameter.
Die weitere Berücksichtigung von fahrerspezifischen Daten, wie Kalenderdaten oder Routendaten, ermöglicht es den Energiehaushalt zusätzlich individuell auf den Fahrer abzustimmen.
Letztlich kann durch die Bestimmung einer Reichweite eine optimale Geschwindigkeit v in Bezug auf den Energiehaushalt des Fahrzeuges ermittelt werden, um den verfügbaren Energieinhalt zum Erreichen des Ziels optimal auszunutzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem Batteriesystem,
2 einen beispielhaften Verlauf eines Innenwiderstandes R_i gegen einen Batteriestrom I,
3 einen beispielhaften Verlauf einer Kühlleistung P_Kühl gegen eine Batterieverlustleistung P_v,batt,
4 einen beispielhaften Verlauf einer Verlustleistung P_v,ges gegen eine Geschwindigkeit v.
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug 10 mit einem Batteriesystem 12.
Das Fahrzeug 10 der 1 kann als rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder als Hybridfahrzeug, das zusätzlich ein Verbrennungsmotor aufweist, ausgestaltet sein. Dazu ist das Fahrzeug 10 mit einem elektrischen Antriebssystem 14 ausgerüstet, dass das Fahrzeug 10 über einen Elektromotor (nicht dargestellt) zumindest teilweise elektrisch antreibt. Die elektrische Energie wird von einem Batteriesystem 12 bereitgestellt, dass eine Batterie 16 und ein Batteriemanagementsystem 18 umfasst.
Die Batterie 16 umfasst mehrere Batteriezellen 19, die auch als Akkumulatorzellen bezeichnet werden können und zum Beispiel als Lithium-Ion-Zellen mit einem Spannungsbereich von 2,8 bis 4,2 Volt betrieben werden. Die Batteriezellen 19 sind in Gruppen zu Batteriemodulen 20 zusammengefasst. Um einzelnen Batteriezellen 19 oder Batteriemodule 20 zu überwachen, sind diese mit Zellüberwachungseinheiten 22 oder Modulüberwachungseinheiten 23 ausgerüstet, die Zustandsparameter, wie eine Spannung, einen Strom oder eine Temperatur, einzelner Batteriezellen 19 oder einzelner Batteriemodule 20 erfassen und die erfassten Betriebsparameter dem Batteriemanagementsystem 18 bereitstellen. Beispielsweise können die Zustandsparameter über ein Bus 24 wie einem SPI Bus (Serial Peripheral Interface Bus) oder ein CAN Bus (Controller Area Network Bus), von dem Zellüberwachungseinheiten 22 oder Modulüberwachungseinheiten 23 an das Batteriemanagementsystem 18 übertragen werden.
Weiterhin umfasst das Batteriesystem 12 ein Kühlsystem 17, dass eine variable Kühlleistung P_Kühl für die Batterie 16 bereitstellt. So kann je nach Temperatur der Batteriezellen 19, der Batteriemodule 20 oder der Batterie 16 das Kühlsystem 17 derart geregelt werden, dass die Temperatur der Batterie 16 im Wesentlichen konstant ist. Hierbei bezeichnet im Wesentlichen konstant ein Temperaturbereich von +/–10°C, bevorzugt von +/–5°C.
Das Batteriemanagementsystem 18 implementiert Funktionen zum Steuern und Überwachen der Batterie 16. So weist das Batteriemanagementsystem 18 eine Einheit 26 zum Empfangen von Zustandsparametern auf, die von den Zellüberwachungseinheiten oder den Modulüberwachungseinheiten 23 erfasst werden. Die von Einheit 26 empfangenen Zustandsparameter werden einer Einheit 28 zum Ermitteln einer Verlustleistung P_v,ges bereitgestellt. Dabei wird die Verlustleistung P_v,ges in Abhängigkeit von einer Batterieverlustleistung P_v,batt ermittelt, die eine Kühlleistung und eine Verlustleistung P_v,ges aufgrund des Innenwiderstands R_i der Batterie 16 umfasst. Die Anteile der Verlustleistung P_v,ges betreffend den Innenwiderstand R_i und die Kühlleistung P_Kühl sind in Bezug auf die 2 und 3 näher erläutert.
Dazu zeigt 2 einen Verlauf 40 des Innenwiderstandes R_i der Batterie 16 gegen einen Batteriestromes I. Theoretisch verfügt die Batterie 16 über eine Leistung die sich aus der Lehrlaufspannung U_OCV und dem Batteriestrom I ergibt. Durch den Innenwiderstand R_i der Batterie 16 wird jedoch ein Teil der theoretisch verfügbaren Leistung in Wärme umgewandelt und kann nicht zum Antrieb des Fahrzeuges 10 genutzt werden.
Wie in 2 dargestellt, verhält sich der Innenwiderstand R_i nicht linear zum Batteriestrom I. So nimmt der Innenwiderstand R_i gemäß dem Verlauf 40 aus 2 mit anwachsendem Batteriestrom I im Bereich von einigen Milliampere zunächst ab und nimmt anschließend wieder zu. Je höher also der Batteriestrom I ist, desto höher ist auch der Innenwiderstand R_i der Batterie 16. Dementsprechend erhöht sich auch die in der Batterie 16 entwickelte Wärme. In Abhängigkeit von der Wärmeentwicklung in der Batterie 16 ist somit eine Kühlleistung P_Kühl von dem Kühlsystem 17 bereitzustellen.
3 zeigt den Verlauf 42 der Kühlleistung P_Kühl gegen die Batterieverlustleistung P_v,batt.
Bei geringer Batterieverlustleistung P_v,batt, die einem Batteriestrom I von wenigen Milliampere entspricht, ist keine aktive Kühlung notwendig und die Kühlung der Batterie 16 kann allein durch beispielsweise die Umgebungsluft erfolgen. Ab einer Verlustleistung P_passiv steigt die Erwärmung der Batterie 16 durch den Batteriestrom I derart an, dass eine aktive Kühlleistung P_Kühl durch das Kühlsystem 17 bereitgestellt werden muss. Dabei ist die benötigte Kühlleistung P_Kühl umso höher, je höher die Batterieleistung P_v,batt ist. Da die Kühlleistung P_Kühl von der Batterieverlustleistung P_v,batt durch den Innenwiderstand R_i abhängt, wird ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Kühlleistung P_Kühl und dem Batterietrom I der Batterie 16 ermittelt.
Neben der Anteile der Verlustleistung P_v,ges durch die Kühlleistung P_Kühl und den Innenwiderstand R_i der Batterie 16 ermittelt die Einheit 28 zum Ermitteln der Verlustleistung P_v,ges des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 10 weiterhin die Antriebsleistung P_a des Fahrzeuges 10. Dazu werden Antriebsparameter von einer Einheit 30 zum Empfangen von Antriebsparametern bereitgestellt. Die Antriebsleistung P_a des Fahrzeuges 10 hängt dabei von der Geschwindigkeit v, Effizienzparametern α, β, γ und den Wirkungsgrad η des Antriebssystems 14 ab. Die Effizienzparameter α, β, γ sind zum Beispiel der Rollwiderstand α, der sich linear mit der Geschwindigkeit v verändert, und der Luftwiderstand γ, der sich kubisch mit der Geschwindigkeit v verändert. Die Verlustleistung P_v,ges setzt sich damit aus zum einen der Batterieverlustleistung P_v,batt und zum anderen aus der Antriebsverlustleistung P_v,a zusammen. Diese Parameter werden von der Einheit 28 zum Ermitteln der Verlustleistung P_v,ges des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 10 an die Einheit 34 zum Ermitteln der optimalen Geschwindigkeit v_opt übermittelt. Damit steht der Einheit 34 zum Ermitteln der optimalen Geschwindigkeit v_opt eine Verlustleistung P_v,ges bereit, die ein Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit v und der Verlustleistung P_v,ges beinhaltet.
4 zeigt beispielhaft einen Verlauf 44 der Verlustleistung P_v,ges gegen die Geschwindigkeit v.
Der Verlauf 44 der Verlustleistung P_v,ges gegen Geschwindigkeit v zeigt ein nicht lineares Verhalten, wobei die Kurve im beispielhaften gezeigten Verlauf 44 zwei Minima v_opt1, v_opt2 aufweist. Hierbei ist v_opt1 ein globales Minimum des Verlaufs 44, wogegen das Minimum v_opt2 ein lokales Minimum darstellt. Zum Ermitteln der optimalen Geschwindigkeit v_opt wird aus den durch die Einheit 28 zum Ermitteln der Verlustleistung P_v,ges bereitgestellten Parametern ein Verlauf 44 berechnet und die entsprechenden globalen sowie lokalen Minima v_opt1, v_opt2 ermittelt. Die optimale Geschwindigkeit v_opt kann dann in einem vorgegebenen oder wählbaren Geschwindigkeitsfenster Δv₁, Δv₂, das v_opt1 oder v_opt2 umfasst, festgelegt werden.
Neben der in der Einheit 28 zum Ermitteln der Verlustleistung P_v,ges bereitgestellten Parameter können weitere Parameter in der Berechnung der optimalen Geschwindigkeit v_opt eingehen. So können Kalender- und/oder Routendaten einer Speichereinheit 32 der Einheit 34 zum Ermitteln der optimalen Geschwindigkeit v_opt bereitgestellt werden. Zusätzlich oder alternativ können externe Speichereinheiten, wie beispielsweise die eines Mobiltelefons, über eine Schnittstelle 36 Kalender- und/oder Routendaten der Einheit 34 zum Ermitteln der optimalen Geschwindigkeit v_opt bereitgestellt werden.
Ist die optimale Geschwindigkeit v_opt berechnet, wird diese einer Einheit 38 zum Steuern der Geschwindigkeit v des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 10 bereitgestellt. Diese übermittelt die optimale Geschwindigkeit v_opt an das Antriebssystem 14, dass Einheiten vorsieht die, die die Geschwindigkeit v und damit die Längsführung des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges 10 steuert.
Zusätzlich kann einer Einheit 39 die optimale Geschwindigkeit v_opt bereitgestellt werden, in der ein Ladungszustand der Batterie 16 erfasst wird, eine Restreichweite bei der optimalen Geschwindigkeit v_opt ermittelt wird und die ermittelte Restreichweite weiteren Systeme über die Schnittstelle 36 im elektrisch angetriebenen Fahrzeug 10 bereitgestellt wird. Zusätzlich kann in der Einheit 39 eine optimale Reichweite unter Berücksichtigung einer Energiebilanz im Beschleunigung- und Verzögerungsphasen ermittelt werden.
Neben dem Regeln des Antriebssystems 14 auf die optimale Geschwindigkeit v_opt in Bezug auf die Verlustleistung P_v,ges kann das Antriebssystem 14 mit einem Fahrassistenzsystem 37 gekoppelt sein und das Verfahren zum Bestimmen der optimalen Geschwindigkeit v_opt mit einem Fahrassistenzsystem 37 gekoppelt sein, das eine Geschwindigkeitsregelanlage (ACC, Adaptive Cruise Control) umfasst. So kann zunächst die optimale Geschwindigkeit v_opt bestimmt werden und das Fahrzeug 10 bei der optimalen Geschwindigkeit v_opt betrieben werden. Im Fahrassistenzsystem 37 kann weiterhin der Abstand von vorausfahrenden Fahrzeugen erfasst werden, um die optimale Geschwindigkeit v_opt in Abhängigkeit von dem Abstand zu vorausfahrenden Fahrzeugen zu regeln.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0321165 A1 [0003]
JP 2012222981 A [0004]
JP 2000050416 A [0005]

Claims

Verfahren zum Steuern einer Geschwindigkeit eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (10) mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen von Zustandsparametern einer Batterie (16) des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (10), b) Ermitteln einer Verlustleistung des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (10) für unterschiedliche Geschwindigkeiten; c) Ermitteln einer optimalen Geschwindigkeit, bei der die ermittelte Verlustleistung ein Minimum aufweist; und d) Steuern des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (10) bei der ermittelten, optimalen Geschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verlustleistung eine Batterieverlustleistung und eine Antriebsverlustleistung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Batterieverlustleistung in Abhängigkeit von einer Kühlleistung und/oder einem Innenwiderstand einer Batterie (16) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Antriebsverlustleistung in Abhängigkeit von wenigstens einem Effizienzparameter des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (10) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die optimale Geschwindigkeit in einem vorgegebenen oder wählbaren Geschwindigkeitsfenster ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die optimale Geschwindigkeit in Abhängigkeit von fahrerspezifischen Daten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Ladungszustand der Batterie (16) erfasst wird, eine Restreichweite bei der optimalen Geschwindigkeit ermittelt wird und die ermittelte Restreichweite weiteren Systemen im elektrisch angetriebenen Fahrzeug (10) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine optimale Reichweite unter Berücksichtigung einer Energiebilanz in Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Abstandsdaten erfasst werden, aus den erfassten Abstandsdaten ein Abstand zu vorausfahrenden Fahrzeugen ermittelt wird und die optimale Geschwindigkeit in Abhängigkeit von dem ermittelten Abstand zu vorausfahrenden Fahrzeugen ermittelt wird.
Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird.
System zum Steuern einer Geschwindigkeit eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (10) mit folgenden Komponenten: a. einer Einheit (26) zum Bereitstellen von Zustandsparametern einer Batterie (16) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (10), b. einer Einheit (28) zum Ermitteln einer Verlustleistung des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (10) für unterschiedliche Geschwindigkeiten; c. einer Einheit (34) zum Ermitteln einer optimalen Geschwindigkeit aus der ermittelten Verlustleistung; und d. einer Einheit (38) zum Steuern des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (10) bei der ermittelten, optimalen Geschwindigkeit.
Fahrzeug (10) mit einem System zum Steuern einer Geschwindigkeit gemäß Anspruch 11.