DE102020119554B4 - MHEV Betriebsstrategie für optimierte Fahrdynamik - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Energiesystems eines MHEV, welches einen 48 V Energiespeicher und mindestens eine elektrische Maschine umfasst, die mit mindestens einem Rad bzw. mindestens einer Achse des MHEV in Wirkzusammenhang steht, bei dem ein thermisches Derating des 48 V Energiespeichers vermieden wird, indem während einer Boost-Phase die volle Antriebsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine zur Unterstützung des Antriebs eingesetzt wird, während einer Bremsphase die Rekuperationsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine auf nicht mehr als 40% ihrer Maximalleistung begrenzt wird, und während einer Zugphase die mindestens eine elektrische Maschine im Generatorbetrieb unter Teil-Last betrieben wird, um zur Kompensation der abgerufenen Boost-Leistung beizutragen und den 48 V Energiespeicher aufzuladen, wobei ihre elektrische Ausgangsleistung auf nicht mehr als 40% ihrer maximalen elektrischen Ausgangsleistung begrenzt wird, wobei die abgegebene Boost-Leistung über eine Beobachterfunktion überwacht wird und bei Absinken des Mittelwerts der abgegebenen Boost-Leistung unter einen festgelegten Grenzwert der Generatorbetrieb während der Zugphasen eingestellt und die Begrenzung der Rekuperationsleistung aufgehoben werden, wobei der Grenzwert in Abhängigkeit von der maximal durch Kühlung aus dem 48 V-Energiespeicher abführbaren Verlustleistung festgelegt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine für Dynamik-Anforderungen optimierte Betriebsstrategie für 48V Antriebssysteme von MHEV.
  • Mild-Hybrid-Fahrzeuge (MHEV - Mild Hybrid Electric Vehicle) umfassen eine Verbrennungskraftmaschine und einen mittelstarken Elektroantrieb, der den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen und im Fahrbetrieb unterstützt. In der Regel kommen elektrische Antriebssysteme mit einer Betriebsspannung von 48 V zum Einsatz. Mild-Hybridsysteme werden zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs eingesetzt. Deswegen erfolgt eine Auslegung des Elektroantriebs auf maximale Rekuperationsleistung bei einer relativ geringen mittleren motorischen Abgabeleistung.
  • Sobald aber gleichzeitig sowohl hohe Rekuperations-Leistung als auch hohe Boost-Leistung benötigt werden, beispielsweise auf einer Rennstrecke, wo entweder stark beschleunigt (=Boost) oder verzögert wird (=Rekuperation), ist durch die dadurch entstehende Verlustleistung in der 48V Batterie nach kurzer Zeit ein thermisches Derating der Batterie zu erwarten, also ein Nachlassen der Maximalleistung der Batterie. Bei einer Betriebsstrategie, in der die Rekuperation von Bremsenergie grundsätzlich bis zur zulässigen Stromgrenze umgesetzt wird, wird die 48 V Batterie zu heiß. Thermisches Derating führt zu einer Reduktion der Boost-Leistung, was die Fahrdynamik verschlechtert. Heutige MHEV Systeme können daher die Systemleistung nur eingeschränkt zur Verbesserung der Fahrdynamik nutzen.
  • Aus der US 2014/0 067 183 A1 ist ein Energiespeichersystem eines Kraftfahrzeugs bekannt, das einen Energiespeicher umfasst, einen mit dem Energiespeicher gekoppelten Regler, eine oder mehrere Sensoren zum Erfassen von Strompegeln, Spannungspegeln, Temperaturniveaus und/oder Druckpegeln des Energiespeichers, und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, um einen Energiefluss in die oder aus dem Energiespeicher unter Verwendung eines Fuzzy-Logik-Ansatzes dynamisch zu bestimmen. Der Regler ist so konfiguriert, dass er einen Spannungspegel, einen Strompegel und einen zusätzlichen Zustandsparameter des Energiespeichers regelt. Durch Anwendung von Fuzzy-Logik werden über einen Wandler zwei Energiespeicher so betrieben, dass sowohl SOC als auch Energie für die Fahraufgabe optimal verteilt sind.
  • Die US 2014/0 200 756 A1 betrifft ein System zum elektrischen Speichern einer regenerativen Energie eines Fahrzeugs. Das System umfasst einen ersten Energiespeicher, einen zweiten Energiespeicher, einen Energieregler, der mit dem ersten und zweiten Energiespeicher gekoppelt ist, eine Quelle regenerativer Energie, die während eines regenerativen Energieereignisses des Fahrzeugs regenerierte Energie erfasst, und eine Steuereinheit, die mit dem Energieregler gekoppelt ist. Die Steuereinheit ist konfiguriert, unter Verwendung des Energiereglers elektrische Energie von dem ersten Energiespeicher zu dem zweiten Energiespeicher zu übertragen, basierend auf einer Vorhersage eines regenerativen Leistungsereignisses. Die Übertragung der elektrischen Energie dient dazu, die in dem ersten Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie zu reduzieren, wodurch der erste Energiespeicher regenerierte elektrische Energie empfangen kann, wenn das vorhergesagte regenerative Energieereignis auftritt.
  • Die DE 10 2013 225 677 A1 betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit hybridem Antriebskonzept umfassend einen elektrischen Boostbetrieb, bei dem zusätzlich zum Drehmoment eines Verbrennungsmotors ein elektrisches Drehmoment mittels einer elektrischen Maschine und Energie aus einem elektrischen Energiespeicher auf ein Fahrzeuggetriebe aufgebracht wird. Das Verfahren umfasst ein Erkennen einer vom Fahrer angeforderten Drehmomenterhöhung, insbesondere eines Zug-Schub-Wechsels; und ein Steuern eines Boostvorgangs unter Einsatz von Energie aus dem Energiespeicher nach Erkennung der vom Fahrer angeforderten Drehmomenterhöhung derart, dass der Boostvorgang eine vorbestimmte begrenzte Dauer aufweist.
  • Die DE 10 2016 222 827 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs, bei welchem wenigstens eine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildete elektrische Maschine zum Rekuperieren von elektrischer Energie genutzt wird. Hierbei wird eine Fahrt des Kraftfahrzeugs während eines bevorstehenden Zeitraums berücksichtigt. Beim Nutzen der wenigstens einen elektrischen Maschine zum Rekuperieren der elektrischen Energie wird berücksichtigt, ob aufgrund einer thermischen Belastung der wenigstens einen elektrischen Maschine in dem Zeitraum eine Verringerung der von der wenigstens einen elektrischen Maschine abgebbaren Leistung zu erwarten ist. Dann rekuperiert die wenigstens eine elektrische Maschine während eines Verzögerns des Kraftfahrzeugs eine Menge an elektrischer Energie, welche geringer ist als die während des Verzögerns mittels der wenigstens einen elektrischen Maschine rekuperierbare Menge an elektrischer Energie.
  • Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche es ermöglichen, die Leistung des elektrischen Energiesystems eines MHEV auch über einen längeren Zeitraum uneingeschränkt zur Verbesserung der Fahrdynamik zu nutzen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
  • Erfindungsgemäß wird ein thermisches Derating der 48 V Batterie des Energiesystems eines MHEV vermieden durch eine Reduktion der Rekuperationsleistung und durch eine dauerhafte Lastpunktanhebung (generatorischer Betrieb) zur Sicherstellung der Ladebilanz während dynamischer Fahrsituationen (z.B. Rennstrecke), um dauerhaft die volle Boost-Leistung darstellen zu können.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Energiesystems eines MHEV. Das elektrische Energiesystem umfasst einen 48 V Energiespeicher und mindestens eine elektrische Maschine, die mit mindestens einem Rad bzw. mindestens einer Achse des MHEV in Wirkzusammenhang steht. Die elektrische Maschine kann als Motor arbeiten und durch Bereitstellung zusätzlicher Antriebsleistung den Antrieb des Fahrzeugs unterstützen (Boost-Leistung), oder als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden, die in dem 48 V Energiespeicher gespeichert wird. Der Generatorbetrieb der elektrischen Maschine kann während Zugphasen des Fahrzeugs eingesetzt werden, um den Energiespeicher aufzuladen, oder zur Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie bei Bremsvorgängen (Rekuperationsbremse).
  • Erfindungsgemäß wird während einer Boost-Phase die volle Antriebsleistung der elektrischen Maschine zur Unterstützung des Antriebs eingesetzt, während einer Bremsphase die Rekuperationsleistung der elektrischen Maschine begrenzt, und während einer Zugphase die elektrische Maschine im Generatorbetrieb unter Teil-Last betrieben, um zur Kompensation der abgerufenen Boost-Leistung beizutragen und den 48 V Energiespeicher aufzuladen. Durch den Generatorbetrieb wird der Lastpunkt der VKM erhöht.
  • Die zur Kühlung einer 48V Batterie erforderliche Kühlleistung folgt einfachen physikalischen Zusammenhängen. I2*R bestimmt die Verlustleistung, Verlustleistung geteilt durch den Wärmeübergangskoeffizienten ergibt die notwendige Vorlauftemperatur des Kühlmediums der Batterie, z.B. Wasser. Die Vorlauftemperatur kann bei Wasserkühlung nicht unter 3°C sinken.
  • Der Strom geht somit dominierend quadratisch in die Verlustleistung ein. Ein hoher Strom während Boostphasen ist gewollt und soll realisiert werden. Um die mittlere Belastung der Batterie zu reduzieren, wird deswegen die ebenfalls hohe Strombelastung durch Rekuperation reduziert und die Energiebilanz wird über mittlere bis geringe Ladeströme im Generatorbetrieb ausgeglichen. Dies soll durch ein Rechenbeispiel verdeutlicht werden:
    • Bei einer Standard-Betriebsstrategie mit Boost und voller Rekuperation ergibt sich für einen fiktiven Zyklus von 1000 s, worin 350 s auf Zugphasen (gemittelte elektrische Leistung 0 kW), 250 s auf Zugphasen mit Boost (gemittelte elektrische Leistung 20 kW), und 300 s auf Rekuperationsphasen (gemittelte elektrische Leistung 16,67 kW) entfallen, ein gesamter Batteriestrom IRMS von 305,48 A.
  • Hingegen ergibt sich für die optimierte Strategie mit reduzierter Rekuperation und zusätzlichem Generatorbetrieb zur Verlustleistungsoptimierung für den fiktiven Zyklus von 1000 s, worin 350 s auf Zugphasen mit Generatorbetrieb (gemittelte elektrische Leistung 7,5 kW), 250 s auf Zugphasen mit Boost (gemittelte elektrische Leistung 20 kW), und 300 s auf Rekuperationsphasen (gemittelte elektrische Leistung 7,9 kW) entfallen, ein gesamter Batteriestrom IRMS von 276,96 A.
  • Durch die Reduktion der Rekuperationsleistung zugunsten der Lastpunktanhebung sinkt der Gesamt-Batteriestrom IRMS also signifikant.
  • Übertragen auf die Anforderungen an das Kühlsystem einer 48 V Batterie mit 10-2 Ω Innenwiderstand, einem Wärmeübergangskoeffizienten von 15 W/K, und einer Zellen-Grenztemperatur von 60°C ergibt sich folgendes:
    • Bei einer Standard-Betriebsstrategie mit Boost und voller Rekuperation ergibt sich eine Verlustleistung von 933 W, die eine Temperaturdifferenz von 62 K zwischen Zelle und Vorlauf erforderlich macht. Die Vorlauftemperatur müsste also -2°C betragen. Da bei Wasserkühlung die Vorlauftemperatur nicht unter 3°C sinken kann, wird die Verlustleistung nicht vollständig durch Kühlung kompensiert. Die Batterie wird überhitzt und es tritt ein thermisches Derating ein.
  • Bei der optimierten Strategie mit reduzierter Rekuperation und zusätzlichem Generatorbetrieb zur Verlustleistungsoptimierung ergibt sich hingegen eine Verlustleistung von nur 767 W, die eine Temperaturdifferenz von 51 K zwischen Zelle und Vorlauf erforderlich macht. Die Vorlauftemperatur muss also +9°C betragen, um die auftretende Verlustleistung vollständig zu kompensieren. Mit der optimierten Strategie lässt sich ein thermisches Derating verhindern.
  • Zur Vermeidung einer Überhitzung der 48 V Batterie wird erfindungsgemäß während einer Bremsphase die Rekuperationsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine begrenzt und während einer Zugphase die mindestens eine elektrische Maschine im Generatorbetrieb unter Teil-Last betrieben.
  • Erfindungsgemäß wird die Rekuperationsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine auf nicht mehr als 40%, der maximalen Rekuperationsleistung der elektrischen Maschine begrenzt.
  • Erfindungsgemäß wird im Generatorbetrieb die Ausgangsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine auf nicht mehr als 40%, der maximalen elektrischen Ausgangsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine begrenzt.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgen die Begrenzung der Rekuperationsleistung und die Leistungsbegrenzung im Generatorbetrieb in Abhängigkeit von der abgerufenen Boost-Leistung. Je höher die abgerufene Boost-Leistung und je länger die Dauer der Boost-Phase, desto stärker müssen Rekuperationsleistung und Generatorleistung begrenzt werden, um eine Überhitzung der 48 V Batterie zu vermeiden. Um die geringere Ladeleistung zu kompensieren, muss die mindestens eine elektrische Maschine während der Zugphasen für einen entsprechend längeren Zeitraum als Generator betrieben werden, damit die 48 V Batterie immer genügend geladen ist.
  • In einer Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt, wenn eine Fahrsituation mit erhöhten Anforderungen an die Fahrdynamik erkannt wird. In einer Ausführungsform wird eine Fahrsituation mit erhöhten Anforderungen an die Fahrdynamik anhand der Auswahl einer entsprechenden Fahrstufe (z.B. „S“) erkannt.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die abgegebene Boost-Leistung über eine Beobachterfunktion überwacht und bei Absinken des Mittelwerts der abgegebenen Boost-Leistung unter einen festgelegten Grenzwert wird der Generatorbetrieb während der Zugphasen eingestellt und die Begrenzung der Rekuperationsleistung wird aufgehoben. Der Grenzwert wird in Abhängigkeit von der maximal durch Kühlung aus dem 48 V-Energiespeicher abführbaren Verlustleistung festgelegt.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein elektrisches Energiesystem eines MHEV, umfassend einen 48 V Energiespeicher und mindestens eine elektrische Maschine, die mit mindestens einem Rad bzw. mindestens einer Achse des MHEV in Wirkzusammenhang steht, sowie ein Steuergerät, welches dafür konfiguriert ist, bei Erkennen einer Fahrsituation mit erhöhten Anforderungen an die Fahrdynamik
    1. a) während einer Boost-Phase die volle Antriebsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine zur Unterstützung des Antriebs bereitzustellen,
    2. b) während einer Bremsphase die mindestens eine elektrische Maschine als Rekuperationsbremse zu betreiben, wobei es die Rekuperationsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine auf nicht mehr als 40% der maximal möglichen Rekuperationsleistung begrenzt, und
    3. c) während einer Zugphase die mindestens eine elektrische Maschine im Generatorbetrieb zu betreiben, wobei es die Generatorleistung der mindestens einen elektrischen Maschine auf nicht mehr als 40% der maximal möglichen Generatorleistung begrenzt.
  • In einer Ausführungsform erkennt das Steuergerät eine Fahrsituation mit erhöhten Anforderungen an die Fahrdynamik anhand der Auswahl einer entsprechenden Fahrstufe.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät dafür konfiguriert, die abgegebene Boost-Leistung zu überwachen und bei Absinken der über die Zeit gemittelten abgegebenen Boost-Leistung unter einen festgelegten Grenzwert den Generatorbetrieb der mindestens einen elektrischen Maschine einzustellen und die Begrenzung der Rekuperationsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine aufzuheben. Der Grenzwert wird in Abhängigkeit von der maximal durch Kühlung aus dem 48 V-Energiespeicher abführbaren Verlustleistung festgelegt. Ist die maximale Kühlleistung größer als die durch Boost und Rekuperation erzeugte Verlustleistung, ist eine Begrenzung der Rekuperationsleistung nicht erforderlich.
  • Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, dass sich ohne Anpassung der Auslegung des Systems bei erkannter fahrdynamischer Situation durch die optimierte Betriebsstrategie die Verlustleistung der Batterie dauerhaft auf ein Niveau reduzieren lässt, das durch eine Kühlung der Batterie kompensiert werden kann. Die Fahrleistung (Dynamik) bleibt auf unverändert hohem Niveau, die Ladebilanz bleibt ausgeglichen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims (2)

  1. Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Energiesystems eines MHEV, welches einen 48 V Energiespeicher und mindestens eine elektrische Maschine umfasst, die mit mindestens einem Rad bzw. mindestens einer Achse des MHEV in Wirkzusammenhang steht, bei dem ein thermisches Derating des 48 V Energiespeichers vermieden wird, indem während einer Boost-Phase die volle Antriebsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine zur Unterstützung des Antriebs eingesetzt wird, während einer Bremsphase die Rekuperationsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine auf nicht mehr als 40% ihrer Maximalleistung begrenzt wird, und während einer Zugphase die mindestens eine elektrische Maschine im Generatorbetrieb unter Teil-Last betrieben wird, um zur Kompensation der abgerufenen Boost-Leistung beizutragen und den 48 V Energiespeicher aufzuladen, wobei ihre elektrische Ausgangsleistung auf nicht mehr als 40% ihrer maximalen elektrischen Ausgangsleistung begrenzt wird, wobei die abgegebene Boost-Leistung über eine Beobachterfunktion überwacht wird und bei Absinken des Mittelwerts der abgegebenen Boost-Leistung unter einen festgelegten Grenzwert der Generatorbetrieb während der Zugphasen eingestellt und die Begrenzung der Rekuperationsleistung aufgehoben werden, wobei der Grenzwert in Abhängigkeit von der maximal durch Kühlung aus dem 48 V-Energiespeicher abführbaren Verlustleistung festgelegt wird.
  2. Elektrisches Energiesystem eines MHEV, umfassend einen 48 V Energiespeicher und mindestens eine elektrische Maschine, die mit mindestens einem Rad bzw. mindestens einer Achse des MHEV in Wirkzusammenhang steht, sowie ein Steuergerät, welches dafür konfiguriert ist, bei Erkennen einer Fahrsituation mit erhöhten Anforderungen an die Fahrdynamik a) während einer Boost-Phase die volle Antriebsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine zur Unterstützung des Antriebs bereitzustellen, b) während einer Bremsphase die mindestens eine elektrische Maschine als Rekuperationsbremse zu betreiben, wobei es die Rekuperationsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine auf nicht mehr als 40% der maximal möglichen Rekuperationsleistung begrenzt, und c) während einer Zugphase die mindestens eine elektrische Maschine im Generatorbetrieb zu betreiben, wobei es die Generatorleistung der mindestens einen elektrischen Maschine auf nicht mehr als 40% der maximal möglichen Generatorleistung begrenzt, worin das Steuergerät dafür konfiguriert ist, die abgegebene Boost-Leistung zu überwachen und bei Absinken der über die Zeit gemittelten abgegebenen Boost-Leistung unter einen festgelegten Grenzwert den Generatorbetrieb der mindestens einen elektrischen Maschine einzustellen und die Begrenzung der Rekuperationsleistung der mindestens einen elektrischen Maschine aufzuheben, wobei der Grenzwert in Abhängigkeit von der maximal durch Kühlung aus dem 48 V-Energiespeicher abführbaren Verlustleistung festgelegt wird.
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