DE60033861T2

DE60033861T2 - System zum Verwalten der elektrischen Energie eines Hybridfahrzeugs

Info

Publication number: DE60033861T2
Application number: DE60033861T
Authority: DE
Inventors: Helène CAILLEUX
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: WO2001022556A1; FR2798785A1; DE60033861D1; ES2283314T3; US6949841B1; ATE356459T1; EP1410481B1; EP1410481A1; FR2798785B1

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Verwaltung der elektrischen Energie eines Parallelhybrid-Fahrzeugs mit einem Antrieb, der einen Elektro- und einen Verbrennungsmotor umfasst, und mit einer Hochleistungs- und einer Hilfsbatterie.
Insbesondere betrifft sie ein System zur Verwaltung der elektrischen Energie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb, der als Start-Stopp-System bezeichnet wird.
Es folgen einige Definitionen. Im Wesentlichen sind zwei Arten von Hybridantrieb bekannt, die so genannten seriellen und die parallelen Hybridantriebe.
Bei den seriellen Hybridantrieben treibt ein Verbrennungsmotor, etwa ein Kolbenmotor, einen Generator an, der Strom für die Versorgung eines oder mehrerer Elektromotoren erzeugt, die mit den Rädern des Fahrzeugs verbunden sind. Eine Akkumulatorenbatterie ermöglicht es, elektrische Energie zu speichern, um den Elektromotor zu betreiben.
Bei den parallelen Hybridantrieben sind ein Verbrennungsmotor, ein von einer Akkumulatorenbatterie versorgter Elektromotor und eine mechanische Übertragung über eine Vorrichtung gekoppelt, die sie in Drehung miteinander verbindet. Der Elektromotor kann gleichermaßen als Motor und als Stromgenerator funktionieren. Diese Art von Antrieb hat den Vorteil, dass entweder der thermische oder der elektrischen Antrieb oder beide gleichzeitig verwendet werden können. Für den Übergang von einer Betriebskonfiguration in eine andere sorgen Steuermitteln, die sämtliche Funktionen der Steuerung und Leistungsverwaltung übernehmen.
Das Start-Stopp-System ist ein besonderer paralleler Hybridantrieb, der einen elektronisch gesteuerten Elektromotor umfasst; es befindet sich zwischen Motor und Getriebe und ersetzt den Anlasser, den Alternator und das herkömmlichen Schwungrad. Diese Hybridart umfasst darüber hinaus zwei Batterien, eine Hilfsbatterie zur Versorgung des Bordnetzes vor allem während des Fahrens und eine Hochleistungsbatterie, die in erster Linie den Elektromotor mit Energie versorgt.
Es hat sich gezeigt, dass bei einem solchen Antrieb elektrische Energie verbraucht wird, die bei Vortrieb oder Antrieb des Fahrzeugs in mechanische Energie umgewandelt wird, aber auch aus der mechanischen Energie bei der Krafterzeugung wird Energie gewonnen, sodass es notwendig ist, diese zu verwalten.
Die EP 0 916 547 beschreibt ein Parallelhybrid-Fahrzeug mit einem Verbrennungs- und einem Elektromotor und Mitteln zur Kontrolle der elektrischen Energie, zu denen Regler und Betätigungsvorrichtungen des Verbrennungsmotors und des Generators gehören, wobei die Kontrollmittel das Ingangsetzen des Verbrennungsmotors steuern können, wenn der Elektromotor deaktiviert wird.
Die US 5 903 beschreibt ein Verfahren zur Kontrolle der Leistung der Ausgangswelle eines Antriebs mit einem Verbrennungsmotor vom Typ Diesel und einem Unterstützungsmotor. Das Verfahren besteht darin, mithilfe einer Steuereinheit den Verbrennungsmotor in Gang zu setzen, wenn die Restkapazität der einzigen Batterie unter einen Mindestwert fällt.
Die US 5635805 beschreibt ein Hybridfahrzeug mit einer Antriebswelle, einer dynamischen Rotationseinheit, Verbindungsmitteln, die die Kupplung der Übertragungswelle verbinden können, Mitteln zum Steuern von Geräten, einer Batterie und Mitteln zum Kontrollieren des Ladezustands der Batterie.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Energie in einem solchen System zu verwalten, um einen ausreichenden Ladezustand oder ein ausreichendes Energieniveau in der Hilfs- und der Hochleistungsbatterie zu garantieren, aber auch eine Verwendung der Hochleistungsbatterie in einem optimierten Bereich, um sowohl die Leistungen der Batterie (Lebensdauer, Leistung) und die vom Start-Stopp-System verlangten Leistungen zu garantieren.
Hierzu schlägt die Erfindung ein System zur Verwaltung der elektrischen Energie eines Parallelhybrid-Fahrzeugs mit einem Antrieb, der einen Elektromotor und einen Verbrennungsmotor umfasst, und mit einer Hochleistungs- oder Hochspannungsbatterie und einer Hilfs- oder Niederspannungsbatterie vor, wobei das Fahrzeug eine Überwachungseinheit aufweist, die den Elektromotor und den Verbrennungsmotor steuern kann. Erfindungsgemäß weist das System Folgendes auf:

– Mittel zum Verwalten der Energie des Antriebs, die die Informationen über die Schätzung des Antriebsmoments und des Krafterzeugungs-Moments sowie die Booleschen Informationen über die Erlaubnis, den Verbrennungsmotor anzuhalten oder einen Start zu verlangen, liefern können;
– Mittel zum Verwalten der Hilfsbatterie, die am Eingang Informationen über die Temperatur der Batterie erhalten können und am Ausgang den Mitteln zur Verwaltung der Energie des Antriebs Informationen über die Soll-Ladespannung der Batterie liefern können;
– Mittel zum Verwalten der Hochleistungsbatterie, die am Eingang Informationen über die Temperaturen, den Ladestrom und die Spannungen der Batterie erhalten können und am Ausgang den Mitteln zur Verwaltung der Energie des Antriebs Informationen über die Ladungsart der Batterie liefern können.

Vorteilhafterweise umfassen die Mittel zum Verwalten der Hochleistungsbatterie Mittel zum Bestimmen des Ladezustands der Hochleistungsbatterie, Mittel zum Überwachen der Hochleistungsbatterie und Mittel, die über die Art des Ladens entscheiden, die am Eingang die von den Mitteln stammenden, gegebenenfalls Booleschen Informationen empfangen können.
Vorzugsweise können die Überwachungsmittel in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur der Hochleistungsbatterie eine Aufforderung zum Ingangsetzen eines Ventilators übertragen.
Vorteilhafterweise können die Entscheidungsmittel am Eingang die möglicherweise Booleschen Informationen über den Ladezustand der Hochleistungsbatterie aus den Mitteln und die Informationen über die von den Überwachungsmitteln ausgegebenen Warnungen empfangen und bestimmen je nach den verschiedenen aktivierten Warnungen das Unterbrechen des Ladens oder das Entladen der Hochleistungsbatterie.
Vorteilhafterweise können die Mittel weiter abhängig von den möglicherweise Booleschen Informationen über den Ladezustand die folgende Strategie verfolgen:

– Wenn SOC < SOC_P, dann vorrangiges Laden, was dem vorrangigen Aufladen der Batterie entspricht, damit sich der Ladezustand vom verbotenen Bereich entfernt, ohne die Leistungen des Antriebsstrangs zu berücksichtigen.
– Wenn SOC_P ≤ SOC < SOC_N, dann normales Laden, was dem Aufladen der Batterie entspricht, wenn bestimmte Bedingungen er füllt sind, wie zum Beispiel: Verbrennungsmotor nicht angehalten, gute Leistung des Antriebsstrangs.
– Wenn SOC ≥ SOC_N, dann kein Laden.
Hierbei sind SOC_P und SOC_N Variablen, die wie folgt bestimmt werden:
– Keine Ladeaufforderung im Stillstand, dann SOC_P = 50% und SOC_N = 95%
– Ladeaufforderung im Stillstand, dann SOC_P = 80% und SOC_N = 80%.

Die oben erwähnten sowie weitere Merkmale der Erfindung werden deutlicher bei der Lektüre der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt.
1 ist ein Blockschaltbild, das ein Ausführungsbeispiel eines Systems zum Steuern eines Start-Stopp-Systems zeigt.
2 ist ein Blockschaltbild, das ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur Verwaltung der Energie zeigt.
In 1 sind ein Elektromotor 1 und ein Verbrennungsmotor 2 zu erkennen, die mit einer Überwachungseinheit 3 verbunden sind, welche sie steuert, indem sie ihnen jeweils eine Anweisung abhängig von Auslöseinformationen übermittelt, die von einem Rechner des Verbrennungsmotors 4, einem Rechner der Start-Stopp-Maschine 6 und einem System 7 zur Verwaltung der elektrischen Energie nach der Erfindung erhalten werden; Letzteres dient vor allem dazu, der Überwachungseinheit 3 drei Informationen über die Schätzung des Antriebsmoments, des Krafterzeugungs-Moments und über die Erlaubnis, den Verbrennungsmotor anzuhalten oder zu starten, was für gewöhnlich als „stop and go" bezeichnet wird, zu übermitteln, und zwar abhängig von Informationen, die größtenteils von der Hilfs- und der Hochleistungsbatterie stammen.
Die Rechner der Start-Stopp-Maschine 6 und des Verbrennungsmotors 4, welche Informationen insbesondere vom Fahrerposten erhalten, die beispielsweise von Sensoren geliefert werden, um die Absichten des Fahrers zu ermitteln, fallen nicht in den Rahmen der Erfindung und werden daher nicht detaillierter beschrieben.
Das erfindungsgemäße System 7 zum Verwalten der elektrischen Energie besteht aus drei Böcken, wie in 2 ersichtlich ist: einem Block 8 zur Verwaltung einer Hilfsbatterie oder Niederspannungsbatterie, einem Block 9 zur Verwaltung einer Hochleistungsbatterie oder Hochspannungsbatterie und einem Block 10 zur Verwaltung der Energie des Start-Stopp-Systems.
Nun werden nacheinander der Aufbau und die Funktionsweise jedes Blocks des erfindungsgemäßen Verwaltungssystems beschrieben.
Der Block 8 zur Verwaltung der Hilfsbatterie hat die Aufgabe, zum Aufladen der Batterie ihre Sollspannung in Abhängigkeit von der Temperatur zu bestimmen und sich zu vergewissern, dass die Hilfsbatterie während des gesamten Aufladens der Hochleistungsbatterie die richtige Spannung aufweist, da die Hilfsbatterie in bestimmten besonderen Lebensphasen des Fahrzeugs in der Lage ist, diese aufzuladen oder ihr zusätzliche Leistung zu liefern.
Hierzu erhält der Verwaltungsblock 8 am Eingang die Information über die Temperatur der Hilfsbatterie, die entweder von einem zur Batterie gehörenden Sensor geliefert oder rekonstruiert wird, um dem Block 10 zur Verwaltung der Energie eine Anweisung über die für die Batterie akzeptable Aufladespannung zu liefern, die beispielsweise von einer vorher festgelegten Kurve abhängt.
Der Verwaltungsblock 9 der Hochleistungsbatterie umfasst vorteilhafterweise einen Block 11 zur Bestimmung des Ladezustands der Hochleistungsbatterie, einen Block 12 zur Überwachung der Batterie und einen Block 13 für die Ladestrategie, der am Eingang die Informationen am Ausgang der beiden Blöcke 11 und 12 aufnimmt.
Der Block 11 zur Bestimmung des Ladezustands registriert die geladenen oder entladenen Amperestunden, die möglicherweise einer Leistung zuzuordnen sind, hierzu erhält der Block am Eingang die Informationen über Temperatur und Strom der Batterie von den Sensoren.
Vor jedem Abschalten des Rechners wird vorteilhafterweise der letzte Strom-Ladezustand gespeichert und bei jedem Starten des Antriebs wird dieser letzte Ladezustand abhängig von der Ruhezeit des Fahrzeugs korrigiert, die einem Parameter der Selbstentladung entspricht.
Eine Reinitialisierung des Ladezustands wird zu 100 Prozent durchgeführt, wenn eines der Kriterien des Voll-Ladens erfüllt wird.
Der Überwachungsblock 12 ermöglicht es, abhängig von den Informationen über Spannung und Temperatur, die von den Sensoren geliefert werden, die Temperaturen, die Gesamtspannung und die Teilspannungen zu kontrollieren, um über die Verwendung der Hochleistungsbatterie zu informieren.
Eine Verwendung der Hochleistungsbatterie wird nur dann erlaubt und fortgesetzt, wenn die Temperatur in einem Intervall zwischen ei ner Mindesttemperatur Tmin und einer Höchsttemperatur Tmax liegt, wobei vorzugsweise Tmin = –25°C und Tmax = 50°C.
Wenn die gemessene Temperatur der Batterie zu hoch wird oder wenn die verschiedenen Temperaturmessungen nicht homogen sind, überträgt der Überwachungsblock 12 eine Aufforderung, einen Ventilator in Gang zu setzen, wodurch für ein Abkühlen der Batterie gesorgt wird.
Darüber hinaus gibt die Überwachung der Ableitung der Temperatur über die Zeit einen Hinweis auf das Ende des Ladens der Batterie.
Die Überwachung der Gesamtspannung ermöglicht es, ein Entladen nur dann zuzulassen, wenn die Spannung einen bestimmten Wert Umin übersteigt, wobei vorzugsweise Umin = 31V. Ebenso wird ein Laden nur zugelassen, wenn die Spannung einen bestimmten Wert Umax unterschreitet, wobei vorzugsweise Umax = 57V.
Außerdem werden die Entlade- oder Ladephasen nur zugelassen, wenn die Teilspannungen einen bestimmten Wert Upmin überschreiten, wobei vorzugsweise Upmin = 10.5V, beziehungsweise wenn die Teilspannungen einen bestimmten Wert Upmax unterschreiten, wobei vorzugsweise Upmax = 19V.
Der Überwachungsblock wacht auch über die Spannungshomogenität der Batterie. So können beim Betrieb einer Batterie der Zustand und folglich die Spannung der Elemente unterschiedlich sein. Dies geschieht, wenn nicht alle Elemente die gleiche Temperatur besitzen. Wenn die Verteilung DU der Elemente zu groß ist, werden die Leistungen der Batterie (Kapazität, Leistung) nicht mehr aufrechterhalten und bestimmte Elemente können unwiderruflich beschädigt werden, wenn ihre Spannung zu niedrig wird. Die Verteilung DU wird ausgehend von den Teilspannungen berechnet. Die Grenze der maximal zulässigen Verteilung wird abhängig von der Amplitude des Momentanstroms bestimmt, um eine Warnung des Überwachungsblocks auszulösen.
Der Strategieblock 13 erhält am Eingang wie oben erwähnt die Information über den Ladezustand der Hochleistungsbatterie und die möglicherweise vom Überwachungsblock 12 ausgegebenen Warnungen und bestimmt so je nach den verschiedenen aktivierten Warnungen das Unterbrechen des Ladens oder das Entladen der Batterie.
Versuche haben gezeigt, dass der Ladezustand SOC vorteilhafterweise nie unter einem Mindest-Ladezustand SOCmin sinken darf, vorzugsweise wurde dieser Mindest-Ladezustand auf 30 Prozent festgelegt, damit keine Probleme in Bezug auf die Lebensdauer der Batterie auftreten. Außerdem müssen, um eine ausreichende Lebensdauer der Batterie zu garantieren, die Entladungstiefen auf das Maximum begrenzt werden. Ein optimaler Betrieb ist, wenn der Ladezustand der Batterie im Bereich von 50 Prozent bis 80 Prozent bleibt.
Der Strategieblock bestimmt abhängig von der Information über den Ladezustand die folgende Strategie:

– Wenn SOC < SOC_P, dann vorrangiges Laden, was einem vorrangigen Aufladen der Batterie entspricht, damit sich der Ladezustand vom verbotenen Bereich entfernt, ohne die Leistungen des Antriebsstrangs zu berücksichtigen.
– Wenn SOC_P ≤ SOC < SOC_N, dann normales Laden, was einem Aufladen der Batterie entspricht, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, wie zum Beispiel: Verbrennungsmotor nicht angehalten, gute Leistung des Antriebsstrangs.
– Wenn SOC ≥ SOC_N, dann kein Laden.

Hierbei sind SOC_P und SOC_N Variablen, die wie folgt bestimmt werden:

– Keine Ladeaufforderung im Stillstand, dann SOC_P = 50% und SOC_N = 95%
– Ladeaufforderung im Stillstand, dann SOC_P = 80% und SOC_N = 80%.

Der Strategieblock liefert also eine Information über die Art des beabsichtigten Ladens, die an den Energieverwaltungsblock des Systems übertragen wird.
Der Block hat die Aufgabe, die Strategie zum Steuern des Gleichstromumformers DC/DC festzulegen und die Anforderungen an das Lademoment abhängig von den Möglichkeiten des elektrischen Systems und vom Verbrauchskriterium (Ladeleistung) zu berechnen.
Hierzu umfasst der Block die Bestimmung des Potenzials des elektrischen Systems und das elektrische Steuern.
Die Bestimmung des Potenzials besteht darin, die vom elektrischen System ausführbaren Aktionen (elektrisches Antriebsmoment, Lademoment, stop and go) und die Erwartungen des elektrischen Systems (Hilfeaufforderung zum Kaltstarten) abhängig vom Ladezustand der Batterie, ihrer Temperatur, dem vom Elektromotor erzeugbaren Drehmoment und dem Verbrauch des 12-Volt-Bordnetzes zusammenzufassen.
Das Steuern des elektrischen Netzes besteht darin, den Gleichstromumformer DC/DC des Start-Stopp-Systems mit dem Hochspannungsnetz zu verbinden oder nicht, je nach Lebenssituation des Systems. Das Steuern besteht auch zum einen darin, die Sollspannung des Umformers DC/DC abhängig von den Lebenssituationen des Sy stems zu steuern (Kaltstarten, Fahren, Ladung im Stillstand), und zum anderen darin, die Anforderungen an das Ladungsmoment abhängig von der Ladestrategie zu bestimmen und zu optimieren.
Unter Berücksichtigung der verschiedenen Parameter, die vom erfindungsgemäßen Verwaltungssystem geliefert werden, bestimmt die Überwachungseinheit 3, welche Aktion sich ausführen lässt, um sich der Anforderung des Fahrers abhängig von der verfügbaren Energie so weit als möglich anzunähern.
Es versteht sich von selbst, dass verschiedene Ausführungsarten eines solchen Systems in Betracht kommen, die in den von den Ansprüchen definierten Rahmen fallen.

Claims

System zur Verwaltung (7) der elektrischen Energie eines Parallelhybrid-Fahrzeugs mit einem Antrieb, der einen Elektromotor (1) und einen Verbrennungsmotor (2) aufweist, und mit einer Hochleistungs- oder Hochspannungsbatterie und einer Hilfs- oder Niederspannungsbatterie, wobei das Fahrzeug eine Überwachungseinheit (3) zum Steuern des Elektromotors (1) und des Verbrennungsmotors (2) aufweist, wobei das Verwaltungssystem (7) Mittel (10) zum Verwalten der Energie des Antriebs aufweist, die Informationen über die Schätzung des Antriebsmoments und des Krafterzeugungsmoments sowie Boolesche Informationen über die Erlaubnis, den Verbrennungsmotor anzuhalten oder einen Start zu verlangen, liefern können, sowie Mittel (9) zum Verwalten der Hochleistungsbatterie, die am Eingang Informationen über die Temperaturen, den Ladestrom und die Spannungen der Batterie empfangen können und am Ausgang den Mitteln (10) zur Verwaltung der Energie des Antriebs Informationen über die Art des durchzuführenden Ladens der Batterie liefern können, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel (8) zum Verwalten der Hilfsbatterie aufweist, die am Eingang Informationen über die Temperatur der Batterie empfangen können und am Ausgang den Mitteln (10) zur Verwaltung der Energie des Antriebs Informationen über die Sollspannung der Ladung der Batterie liefern können.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (9) zum Verwalten der Hochleistungsbatterie Mittel (11) zum Bestimmen des Ladezustands der Hochleistungsbatterie, Mittel (12) zum Überwachen der Hochleistungsbatterie und Mittel (13) zum Entscheiden über die Art des durchzuführenden Ladens aufweisen, wobei Letztere am Eingang die möglicherweise Booleschen Informationen aus den Mitteln (11, 12) empfangen können.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsmittel (12) abhängig von der gemessenen Temperatur der Hochleistungsbatterie eine Aufforderung zum Ingangsetzen eines Ventilators übertragen können.
System nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entscheidungsmittel (13) am Eingang die möglicherweise Booleschen Informationen über den Ladezustand der Hochleistungsbatterie aus den Mitteln (11) und die Informationen über die von den Überwachungsmitteln (12) ausgegebenen Warnungen empfangen können und so je nach den verschiedenen aktivierten Warnungen das Unterbrechen des Ladens oder das Entladen der Hochleistungsbatterie bestimmen.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13) abhängig von den möglicherweise Booleschen Informationen über den Ladezustand die folgende Strategie verfolgen können: – Wenn SOC < SOC_P, dann vorrangiges Laden, was dem vorrangigen Aufladen der Batterie entspricht, damit sich der Ladezustand vom verbotenen Bereich entfernt, ohne die Leistungen des Antriebsstrangs zu berücksichtigen. – Wenn SOC_P < SOC < SOC_N, dann normales Laden, was dem Aufladen der Batterie entspricht, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, wie zum Beispiel: Verbrennungsmotor nicht angehalten, gute Leistung des Antriebsstrangs. – Wenn SOC ≥ SOC_N, dann kein Laden, wobei SOC_P und SOC_N Variablen sind, die wie folgt bestimmt werden: – keine Ladeaufforderung im Stillstand, dann SOC_P = 50% und SOC_N = 95% – Ladeaufforderung im Stillstand, dann SOC_P = 80% und SOC_N = 80%.