DE10317047A1 - Methode und Vorrichtung zur Maximierung des Energiemanagements in hybriden Fahrzeugen - Google Patents

Methode und Vorrichtung zur Maximierung des Energiemanagements in hybriden Fahrzeugen

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Abstract

Eine Einrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie für ein hybrides Fahrzeug enthält einen integrierten Starter-Generator (11) und einen Inverter (12), die mit einer Speichereinrichtung für elektrische Energie, wie z. B. einem Kondensator (13) und einer Batterie, mittels jeweils eines ersten und zweiten Schalters (15, 16) verbunden sind. Eine Steuerung schaltet die Schalter (15, 16) entsprechend den gewählten Betriebszuständen an und aus, um Energie vom Kondensator (13) für den integrierten Starter-Generator (11) und die Batterie (14) bereitzustellen und Energie von dem integrierten Starter-Generator (11) zum Kondensator (13) und der Batterie (14) zu leiten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Maximierung des Energiemanagements in "weichen" hybriden Fahrzeugen, die mehrere Energiespeicher besitzen.
  • Der Bedarf für reduzierte Emissionen von Fahrzeugen, gesteigerte Kraftstoff- Ausnutzung, wachsender elektrischer Leistungsbedarf und besseres Energiemanagement hat die großen Fahrzeughersteller (OEMs) dazu veranlasst, "weiche" hybride Fahrzeuge als eine mögliche Lösung zu betrachten. Ein "weiches" hybrides Fahrzeug hat typischerweise eine elektrische Starter-/Generator-Einheit, die bei einer höheren Spannung, zum Beispiel 42 V, arbeitet, und die parallel betrieben wird mit einem konventionellen Verbrennungs-Motor (IC - Interner Verbrennungsmotor), der in einem gewissen Maße dadurch verkleinert werden kann. Der Starter/Generator, auch bezeichnet als integrierter Starter-Generator oder ISG, nimmt die Stelle des konventionellen Anlassers und der Lichtmaschine ein, die mit dem Verbrennungsmotor verwendet werden, und bietet auch zusätzliche Funktionen einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Servo-Unterstützung, regeneratives Bremsen, automatische Start-Stopp-Funktion, Leistungserhöhung, und eingeschränkte Antriebsfunktion.
  • Der Weg hin zu hybriden Fahrzeugen bringt eine zweite Antriebsquelle in das Fahrzeug (zusätzlich zu dem konventionellen Verbrennungsmotor), und Systeme und Strategien sind erforderlich, um diese Antriebsquellen zu koordinieren und dabei die verschiedenen Anwendungsbedarfe im Fahrzeug zu erfüllen. Das Vorhandensein eines ISG erlaubt, dass die Verbrennungsmaschine abgeschaltet wird, wenn sie nicht für die Antrieb erforderlich ist, erlaubt auch, die Energie, die typischerweise beim Bremsen verloren wird, wieder zu gewinnen, und die Energie von Energiespeichersystemen zu verwenden, wenn zusätzliche Energie erforderlich ist, zum Beispiel in Situationen wie dem Starten eines Fahrzeugs vom Ruhezustand, oder als Zusatz- Energie in Situationen des Einordnens oder Überholens. Das Energiespeichersystem in hybriden Fahrzeugen muss verschiedene Arten von Anforderungen erfüllen, die jeder der oben erwähnten Betriebszustände erfordert, wobei es immer auch die konventionellen Bedarfe für des elektrischen System im Fahrzeug erfüllen muss. Eine Batterie ist gut verwendbar, um die konventionellen Energie-Anforderungen des Fahrzeugbetriebs zu erfüllen, wie zum Beispiel die Unterstützung der elektrischen Verbraucher im Fahrzeug. Ein Kondensator auf der anderen Seite ist gut einsetzbar, um kurzzeitige Anforderungen in Situationen mit hohem Leistungsbedarf zu unterstützen, zum Beispiel Antriebspitzen abzudecken, um den Motor bei Einordnungs- oder Überholungs-Vorgängen zu unterstützen, oder die Energie, die während des Bremsvorgangs verloren gehen würde, wieder zu gewinnen. Diese Speichereinrichtungen müssen geeignet verwaltet werden, abhängig von der Anforderung und dem Betriebszustand des Fahrzeugs.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die elektrische Energie für ein hybrides Fahrzeug zur Verfügung stellt. Sie enthält: einen integrierten Starter-Generator, der verbunden ist mit einem Inverter; eine Kondensator-Baugruppe zur Speicherung von elektrische Energie; eine erste Schalter-Baugruppe (Schalter), die den Inverter und die Kondensator- Baugruppe verbindet; eine Batterie-Baugruppe zur Speicherung von elektrischer Energie; eine zweite Schalter-Baugruppe (Schalter), die den Inverter und die Batterie-Baugruppe verbindet; und eine Steuerungs-Baugruppe, die verbunden ist mit der ersten und zweiten Schalter-Baugruppe, um selektiv jede der beiden (erste und zweite) Schalter-Baugruppen ein- und auszuschalten. Die Steuerungs-Baugruppe schaltet jeweils den ersten und zweiten Schalter ein und aus, um die Batterie aus dem Kondensator mittels Pulsweiten-Modulation aufzuladen. Die Steuerung schaltet den ersten Schalter ein, um elektrische Energie aus dem Kondensator bereitzustellen und damit den integrierten Starter-Generator zu betreiben. Die Steuerung schaltet den zweiten Schalter ein und aus, um die Batterie durch den integrierten Starter-Generator mittels Pulsweiten-Modulation aufzuladen.
  • Der erste Schalter kann eine Diode enthalten, die den Stromfluss vom Inverter zum Kondensator erlaubt. Der zweite Schalter kann eine Diode enthalten, die den Stromfluss von der Batterie zu dem Inverter und dem Kondensator erlaubt.
  • Die oben genannten und auch weitere Vorteile der vorliegende Erfindung werden für Fachleute klar aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführung, wenn sie mit Hilfe der begleitenden Zeichnungen erklärt werden. In diesen Zeichnungen ist dargestellt:
  • Fig. 1 ist ein Schaltschema einer Baugruppe mit 2 Energiequellen entsprechend der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2 ist ein Block-Diagramm eines Steuerungs-Schaltkreises für das Gerät aus Fig. 1; und
  • Fig. 3 ist eine Tabelle von Signal-Zuständen während verschiedenen Betriebszuständen des Geräts aus Fig. 1.
  • Ein hybrider Energiespeicher/Energiequelle 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Die Systemkonfiguration der hybriden Energiequelle 10 enthält einen integrierten Starter- Generator 11, der verbunden ist mit einem Ausgang eines Inverters 12, der wiederum einen Eingang besitzt, der parallel verbunden ist mit einem Kondensator 13 und mit einer Batterie 14. Der Kondensator repräsentiert eine geeignete Energiespeicher-Einrichtung. Der Inverter 12 ist verbunden mit dem Kondensator 13 durch einen ersten Leistungsschalter 15, und er ist verbunden mit der Batterie 14 durch einen zweiten Leistungsschalter 16. Eine erste Signalleitung 17, die verbunden ist mit dem ersten Leistungsschalter 15 und eine zweite Signalleitung 18, die verbunden ist mit einem zweiten Leistungsschalter 16, empfangen Steuerungssignale von einem unten beschriebenen Steuerungs-Schaltkreis, um die Leistungsschalter ein- und auszuschalten. Der Steuerungs-Schaltkreis erzeugt ein "Schalter_1" Steuerungssignal auf der Signalleitung 17 und ein "Schalter_2" Steuerungssignal auf der Signalleitung 18. Eine Klemme 14a des zweiten Leistungs- Schalters 16 und die positive Spannungs-Klemme der Batterie 14 sind verbunden mit 42 V-Aggregaten (nicht gezeigt) des Fahrzeugs. Ein "Inverter_Ausgang_42 V" Signal liegt an der Klemme 12a des Inverters 12 und den Schaltern 15 und 16 an.
  • Die Leistungsschalter 15 und 16 können zum Beispiel jeweils die NPN MOS- FETs 15a und 16a enthalten. Der MOSFET 15a hat einen Kollektor, der verbunden ist mit dem Kondensator 13, eine Basis, die verbunden ist mit der Signalleitung 17, und einen Emitter, der verbunden ist mit dem Inverter 12. Die Diode 15b hat eine Kathode, die verbunden ist mit dem Kollektor, und eine Anode, die verbunden ist mit dem Emitter des MOSFET 15a. Der MOSFET 16a hat einen Kollektor, der verbunden ist mit dem Inverter 12, eine Basis, die verbunden ist mit der Signalleitung 18, und einen Emitter, der verbunden ist mit der Batterie 14. Die Diode 16b hat eine Kathode, die verbunden ist mit dem Kollektor, und eine Anode, die verbunden ist mit dem Emitter des MOSFET 16a.
  • Die Leistungsschalter 15 und 16 erlauben, dass der Kondensator 13 oder die Batterie 14 selektiv mit dem Inverter 12 verbunden werden, und beide können auch zusammen verwendet werden, entsprechend dem Leistungsbedarf des Fahrzeugs. Außerdem erlauben die Leistungsschalter 15 und 16 eine Spannungs-Differenz zwischen dem Kondensator 13 und der Batterie 14, wodurch es möglich ist, dass die Spannung am Kondensator höher ist als die Batteriespannung, was wiederum erlaubt, dass die Energiespeichermöglichkeiten des Kondensators 13 maximiert werden können. So kann der Kondensator 13 zum Beispiel bei einer ersten Spannung von ungefähr 56 V arbeiten, während die Batterie 14 bei einer zweiten Spannung von 36 V arbeitet. Der Kondensator 13 repräsentiert einen einzelnen Kondensator oder zwei oder mehr Kondensatoren, die in Reihe oder parallel geschaltet sind und die gleiche Funktion ausführen. In ähnlicher Weise ist die Batterie 14 repräsentativ für eine einzelne Batterie oder zwei oder mehr Batterien, die in Reihe oder parallel geschaltet sind und die gleiche Funktion ausführen.
  • Das "weiche" hybride Fahrzeug (nicht dargestellt) kann in verschiedenen Betriebszuständen arbeiten, wie zum Beispiel den folgenden Betriebszuständen (wobei diese Liste nicht erschöpfend ist, sondern auch weitere Betriebszustände möglich sind):
    A: Schlüssel aus
    B: Schlüsselstellung 1 (Zusatzeinrichtungen)
    C: Schlüssel ein, Motor aus
    D: Schlüssel Stopp
    E: Schlüssel Start
    F: Anlasser Zeitüberschreitung (Anlasser-Fehler)
    G: Energie-Erzeugung (Starter-Generator erzeugt Energie, um Energiebedarf des Fahrzeugs zu decken)
    H: Antriebs-Spitzenbedarf (Antriebs-Servo-Unterstützung)
    I: Auto Start (Maschine wird eingeschaltet aus dem Auto Stopp Modus, da ein Antriebs-Bedarf erkannt wird)
    J: Auto Stopp (Maschine wird automatisch abgeschaltet, wenn kein Bedarf für Vortrieb vorliegt)
    K: Regeneration (Starter-Generator belastet die Versorgungsleitungen, um Energie aufzunehmen, die normalerweise beim Bremsen verloren wird)
  • Der Betriebszustand des Fahrzeugs wird bestimmt durch eine Fahrzeug- Steuerung 19, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Steuerung 19 ist mit einem Fahrzeug-Kommunikations-Bus 20 verbunden, der für den Transfer von Sensor- und Steuerungssignalen zwischen verschiedenen Komponenten des hybriden Fahrzeugs zur Verfügung steht. Eine Leistungsschalter-Steuerung 21 ist auch mit dem Bus 20 verbunden und empfängt geeignete Steuerungssignale von der Fahrzeug-Steuerung 19, abhängig von dem gewählten Betriebszustand. Ausgänge von der Leistungsschalter-Steuerung 21 sind verbunden mit der ersten Signalleitung 17 und der zweiten Signalleitung 18, um Steuerungssignale zu erzeugen, die die Leistungsschalter 15 und 16 ein- und auszuschalten.
  • Der Begriff "Modus-Indikator" wird nachfolgend verwendet, um die Variable zu bezeichnen, die die Information über den Betriebszustand des Fahrzeugs enthält. In der Tabelle der Fig. 3 wird das Betriebszustands-Signal "Schalt_Modus_Indikator ", das in der linken Spalte gezeigt wird, erzeugt durch die Fahrzeug-Steuerung 19, um die Leistungsschalter-Steuerung 21 anzuweisen, die Steuerungssignale "Schalter_1" und "Schalter_2" zu erzeugen, die in der rechten Spalte gezeigt sind, und die als Ergebnis das Inverter- Signal "Inverter_Ausgang_42 V" haben, das auch in der rechten Spalte gezeigt ist.
  • Die Leistungsschalter-Steuerungs-Strategie entsprechend der vorliegenden Erfindung ist auch verbunden mit einer Batterie-Steuerungsstrategie, die typischerweise die Ausgangsspannungs-Einstellung für das Starter/Generator/Inverter-System empfiehlt (nachfolgend als "Empfohlene_Spannungs_Einstellung_42 V" bezeichnet), entsprechend dem Batterie Zustand bezüglich Ladung und Leistungsfähigkeit. Die vorgeschlagene Strategie zur Steuerung der Leistungsschalter enthält auch Vorgaben für das Signal zur Inverter-Ausgangsspannungs-Einstellung "Inverter_Ausgang_42 V", zusätzlich zur Steuerung der Leistungsschalter.
  • Eine mögliche Steuerungs-Strategie für die Leistungsschalter 15 und 16 ist in Fig. 3 dargestellt und ist in größeren Detail nachfolgend beschrieben.
    • A) Im Modus Schlüssel aus ist das Inverter_Ausgang_42 V Signal bei null Volt und die Leistungsschalter sind ausgeschaltet.
    • B) Im Modus Zusatzeinrichtungen ist es das Inverter_Ausgang_42 V Signal bei null Volt und die Leistungsschalter sind ausgeschaltet.
    • C) Im Modus Schlüssel ein Motor aus ist das Inverter_Ausgang_42 V Signal bei null Volt und die Leistungsschalter sind ausgeschaltet.
    • D) Im Modus Schlüssel Stopp ist das Inverter_Ausgang_42 V Signal bei null Volt. Wenn die Spannung am Kondensator 13 "Kondensator_Spannung" größer als 42 Volt ist, dann veranlasst ein "% Lade_Batterie_aus_Kondensator" Signal, dass die Leistungsschalter 15 und 16 pulsweitenmoduliert werden über die Steuerungs-Logik 21, mit einem Arbeitstakt, der einen inversen Zusammenhang mit der Batteriespannung hat, um die Batterie 14 zu laden. Andernfalls (ELSE) sind die Leistungsschalter ausgeschaltet.
    • E) Im Modus Schlüssel Start ist das Inverter_Ausgang_42 V Signal bei null Volt, der erste Leistungsschalter 15 ist eingeschaltet, um den Kondensator 13 mit dem Inverter 12 zu verbinden und Start-Energie zur Verfügung zu stellen, und der zweite Leistungsschalter 16 ist ausgeschaltet.
    • F) Im Modus 5 Anlasser Zeitüberschreitung (Anlasser-Fehler) ist das Inverter_Ausgang_42 V Signal bei null Volt und die Leistungsschalter sind ausgeschaltet.
    • G) Im Modus 6 Energie-Erzeugung ist das Inverter_Ausgang_42 V Signal gleich der Einstellung Empfohlene_Spannungs_Einstellung_42 V, der erste Leistungsschalter 15 ist ausgeschaltet und der zweite Leistungsschalter 16 ist angeschaltet, um die Batterie 14 mit dem Inverter 12 zum Aufladen zu verbinden.
    • H) Im Modus 7 Antriebs-Spitzenbedarf, ist das Inverter_Ausgang_42 V Signal bei null Volt, der erste Leistungsschalter 15 ist eingeschaltet, um den Kondensator 13 mit dem Inverter 12 zu verbinden, und der zweite Leistungsschalter 16 ist ausgeschaltet.
    • I) Im Modus 8 Auto Start ist das Inverter_Ausgang_42 V Signal bei null Volt, der erste Leistungsschalter 15 ist eingeschaltet, um den Kondensator 13 mit dem Inverter 12 zu verbinden, und der zweite Leistungsschalter 16 ist ausgeschaltet.
    • J) Im Modus 9 Auto Stopp; Kondensator Ladung halten, ist das Inverter_Ausgang_42 V Signal bei null Volt, und die Leistungsschalter sind ausgeschaltet.
    • K) Im Modus A Regeneration; Lade Kondensator zuerst, dann die Batterie, ist das Inverter_Ausgang_42 V Signal bei 56 Volt. Wenn die Kondensator-Spannung kleiner ist als 56 V, wird eine prozentuale Ladung des Kondensators 13 vorgenommenen, wobei der erste Leistungsschalter 15 ausgeschaltet ist und der zweite Leistungsschalter 16 pulsweitenmoduliert ist. Andernfalls (ELSE) ist das Signal Inverter_Ausgang_42 V Signal gleich der Einstellung Empfohlene_Spannungs_Einstellung_42 V, der erste Leistungsschalter 15 ist ausgeschaltet und der zweite Leistungsschalter 16 ist eingeschaltet, um die Batterie 14 mit dem Inverter 12 zu verbinden.
  • Die Betriebszustände die in den Paragraphen A bis K oben beschrieben sind, sind repräsentativ für eine bevorzugte Steuerungs-Strategie. Die unabhängige Steuerung der Leistungsschalter 15 und 16 erlaubt aber auch andere Steuerungsstrategien, die mit der Leistungsschalter-Steuerung 21 implementiert werden können.
  • Entsprechend den Patentregeln ist die vorliegende Erfindung in der Form beschrieben, wie es als bevorzugte Ausführung angesehen wird. Trotzdem ist es zu bemerken, dass die Erfindung auch anders ausgeführt werden kann als spezifisch dargestellt und beschrieben, ohne den gedanklichen Umfang oder Geltungsbereich zu verlassen.

Claims (11)

1. Eine Einrichtung, um elektrische Energie in einem hybriden Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, die aufweist:
einen integrierten Starter-Generator (11);
einen Inverter (12), der mit dem integrierten Starter-Generator (11) verbunden ist;
eine Speichereinrichtung (Kondensator 13 und/ oder Batterie 14) zur Speicherung von elektrischer Energie;
eine erste Schalter Baugruppe (15), die mit dem Inverter (12) und der Speichereinrichtung (Kondensator 13 und/oder Batterie 14) verbunden ist;
eine Batterie-Baugruppe (14) zur Speicherung von elektrischer Energie;
eine zweite Schalter-Baugruppe (16), die mit dem Inverter und der Batterie-Baugruppe verbunden ist; und
eine Steuerungseinrichtung, die mit der ersten und zweiten Schalter-Baugruppe (15, 16) verbunden ist, um selektiv jede der ersten und zweiten Schalter-Baugruppen (15, 16) an- und auszuschalten.
2. Die Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung jede der ersten und zweiten Schalter- Baugruppen (15, 16) ein- und ausschaltet, um die Batterie-Baugruppe (14) aus der Speichereinrichtung zu laden.
3. Die Einrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung jede der ersten zweiten Schalter- Baugruppen (15, 16) mit Hilfe von Puls-Weiten-Modulation ein- und ausschaltet.
4. Die Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung die erste Schalter-Baugruppe (15) einschaltet, um elektrische Energie von der Speichereinrichtung (Kondensator 13 und/ oder Batterie 14) bereit zu stellen, um den integrierten Starter-Generator (11) zu betreiben.
5. Die Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung die zweite Schalter-Baugruppe (16) einschaltet, um die Batterie-Baugruppe (14) mit Hilfe des integrierten Starter-Generators (11) aufzuladen.
6. Die Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung die zweite Schalter-Baugruppe (16) an- und ausschaltet mit Hilfe von Puls-Weiten-Modulation, um die Batterie-Baugruppe (14) mit Hilfe des integrierten Starter-Generators (11) aufzuladen.
7. Die Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalter-Baugruppe (15) eine Diode (15b) aufweist, die den Stromfluss vom Inverter (12) zur Speichereinrichtung (Kondensator 13 und/oder Batterie 14) erlaubt.
8. Die Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schalter-Baugruppe (16) eine Diode (16b) aufweist, die den Stromfluss von der Batterie (14) zur Speichereinrichtung (Kondensator 13 und/oder Batterie 14) erlaubt.
9. Die Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schalter-Baugruppe (16) eine Diode (16b) enthält, die den Stromfluss von der Batterie (14) zu dem Inverter (12) erlaubt.
10. Die Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung ein Kondensator (13) ist.
11. Eine Einrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie für einen integrierten Starter-Generator (11) in einem hybriden Fahrzeug, die aufweist:
eine Kondensator-Baugruppe (13) zur Speicherung von elektrischer Energie bei einer ersten Spannung;
eine erste Schalter-Baugruppe (15), die verbunden ist mit der Kondensator Baugruppe (13);
eine Batterie-Baugruppe (14) zur Speicherung von elektrischer Energie bei einer zweiten Spannung, die kleiner ist als die erste Spannung;
eine zweite Schalter-Baugruppe (16), die verbunden ist mit der Batterie-Baugruppe (14), wobei die erste und zweite Schalter- Baugruppe (16) verbunden sind über eine Klemme (14a); und
eine Steuerungseinrichtung, die mit der ersten und zweiten Schalter-Baugruppe (15, 16) verbunden ist, um selektiv jede der ersten und zweiten Schalter-Baugruppen (15, 16) an- und auszuschalten, um elektrische Energie an der Klemme (14a) bereitzustellen.
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