MUMELTER, Georg (Schopenhauerstr. 66, München, 80807, DE)
HIRSCH, Ronny (Pürkelgutweg 12, Regensburg, 93055, DE)
HUMMEL, Holger (Lena-Christ-Strasse 4, München, 80807, DE)
MUMELTER, Georg (Schopenhauerstr. 66, München, 80807, DE)
HIRSCH, Ronny (Pürkelgutweg 12, Regensburg, 93055, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Regelung des Ladezustands (SoC) eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Batterie, eines Hybridfahrzeugs, das einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine aufweist, wobei die Batterie in einem Arbeits-Ladezustandsbereich (30%, 80%) betrieben wird, der vollständig innerhalb des theoretisch möglichen Ladezustandsbereichs (0%, 100%) der Batterie liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie in - einem ersten Teilbereich (1. TB) des Arbeits-Ladezustandsbereichs von der elektrischen Maschine geladen wird, wobei die elektrische Maschine generatorisch arbeitet und von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird, - einem zweiten Teilbereich (2. TB) des Arbeits-Ladezustandsbereichs weder geladen noch entladen wird, wobei die elektrische Maschine generatorisch arbeitet und von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird und dabei lediglich ein Bordnetz des Hybridfahrzeugs mit Strom versorgt, - einem dritten Teilbereich (3. TB) des Arbeits-Ladezustandsbereichs entladen wird und dabei das Bordnetz mit Strom versorgt, wobei die elektrische Maschine passiv mitläuft, und - einem vierten Teilbereich (4. TB) des Arbeits-Ladezustandsbereichs entladen wird und dabei die elektrische Maschine, welche elektromotorisch arbeitet, mit Strom versorgt. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ar- beits-Ladezustandsbereich eine untere Grenze aufweist, die im Bereich zwischen 25% und 35%, insbesondere bei etwa 30% des maximalen Ladezustands liegt. 3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ar- beits-Ladezustandsbereich eine obere Grenze aufweist, die im Bereich zwischen 75% und 85%, insbesondere bei etwa 80% des maximalen Ladezustands liegt. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (1. TB) des Arbeits-Ladezu- standsbereichs definiert ist durch die untere Grenze (30%) und eine erste Teilbereichsgrenze. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilbereichsgrenze im Bereich zwischen 50% und 55% des maximalen Ladezustands liegt. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilbereich (2. TB) des Arbeits-Ladezu- standsbereichs definiert ist durch die erste Teilbereichsgrenze und eine zweite Teilbereichsgrenze. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilbereichsgrenze bei etwa 60% des maximalen Ladezustands liegt. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teilbereich (3. TB) des Arbeits-Ladezu- standsbereichs definiert ist durch die zweite Teilbereichsgrenze und eine dritte Teilbereichsgrenze. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Teilbereichsgrenze bei circa 65% des maximalen Ladezustands liegt. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Teilbereich (4. TB) des Arbeits-Ladezu- standsbereichs definiert ist durch die dritte Teilbereichsgrenze und die obere Grenze des Arbeits-Ladezustandsbereichs. 11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des Lademoments der elektrischen Maschine über dem Ladezustand (SoC) einen stetigen Verlauf aufweist. 12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung der Funktion des Lademoments der elektrischen Maschine über dem Ladezustand nach dem Ladezustand einen unstetigen Verlaufe aufweist, insbesondere einen abschnittsweise konstanten Verlauf. |
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Sogenannte Hybridfahrzeuge zeichnen sich dadurch aus, dass in Schubphasen des Fahrzeugs kinetische Energie mittels einer elektrischen Maschine rekuperiert, d. h. in elektrische Energie umgewandelt und in einem Energiespeicher gespeichert wird. Die gespeicherte Energie kann in Antriebsphasen des Fahrzeugs zum Betreiben der elektrischen Maschine als Elektromotor und/oder zur Versorgung der diversen elektrischen Fahrzeugsysteme verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Ladezustand (SoC bzw.„State of Charge") des elektrischen Energiespeichers so zu regeln, dass sich eine hohe
Lebensdauer des Energiespeichers ergibt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zur Regelung des Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Batterie, eines Hybridfahrzeugs, das einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine aufweist. Der elektrische Energiespeicher wird in einem„Arbeits- Ladezustandsbereich" betrieben, der innerhalb des theoretisch möglichen Ladezustandsbereichs des Energiespeichers liegt. Theoretisch kann der Energiespeicher einen Ladezustand im Bereich zwischen 0% (Energiespeicher leer) und 100% (Energiespeicher voll aufgeladen) einnehmen. Versuche haben gezeigt, dass der Ladezustand des Energiespeichers im Betrieb möglichst nicht unterhalb einer vorgegebenen unteren Grenze und auch möglichst nicht oberhalb einer vorgegebenen oberen Grenze liegen sollte, da dies ansonsten stark zu Lasten der Lebensdauer des Energiespeichers gehen würde. Der„Arbeits-Ladezustandsbereich" kann beispielsweise definiert sein als der Ladezustandsbereich zwischen 30% und 80% des maximalen Ladezustands.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Arbeits-Ladezustandsbereich funktional in vier Teilbereiche unterteilt ist, die sich wie folgt charakterisieren lassen:
- In einem ersten Teilbereich (SoC niedrig) des Arbeits-Ladezustands- bereichs wird die Batterie von der elektrischen Maschine des Hybridfahrzeugs geladen. Die elektrische Maschine arbeitet also generatorisch und wird dabei von dem Verbrennungsmotor des Hybridfahrzeugs angetrieben.
- In einem zweiten Teilbereich (SoC unteres Optimum) des Arbeits-Lade- zustandsbereichs wird die Batterie weder geladen noch entladen. Die elektrische Maschine arbeitet auch in diesem Teilbereich generatorisch und wird von dem Verbrennungsmotor angetrieben. Die von der elektrischen Maschine erzeugte elektrische Leistung ist jedoch gerade so groß, dass sie das Bordnetz des Hybridfahrzeugs mit Strom versorgt. - In einem dritten Teilbereich (SoC oberes Optimum) des Arbeits-Ladezustandsbereichs wird die Batterie entladen, wobei die Batterie das Bordnetz des Hybridfahrzeugs mit Strom versorgt. Die elektrische Maschine läuft in dem dritten Teilbereich des Arbeits- Ladezustandsbereichs passiv mit. „Passiv mitlaufen" bedeutet, dass sie weder elektrische Leistung aufnimmt, noch elektrische Leistung abgibt. In diesem Bereich wird die Re- kuperationsenergie effizienter genutzt, in dem die vorhandene rekuperierte Speicherenergie für die Versorgung der im Fahrzeug vorhandenen elektrischen Verbrauchern genutzt wird.
- Einem vierten Teilbereich (SoC hoch) des Arbeits-Ladezustandsbereichs wird die Batterie entladen. In diesem Teilbereich arbeitet die elektrische Maschine des Hybridfahrzeugs elektromotorisch und wird von der Batterie mit Strom versorgt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Arbeits-Ladezustands- bereich eine untere Grenze auf, die im Bereich zwischen 25% und 35%, insbesondere bei etwa 30% des maximalen Ladezustands liegt. Die obere Grenze des Ladezustandsbereichs kann im Bereich zwischen 75% und 85%, insbesondere bei etwa 80% des maximalen Ladezustands liegen.
Der erste Teilbereich des Arbeits-Ladezustandsbereichs ist durch die untere Grenze des Arbeits-Ladezustandsbereichs und eine erste Teiibereichsgrenze definiert. Die erste Teiibereichsgrenze kann z. B. im Bereich zwischen 50% und 55% des maximalen Ladezustands des Energiespeichers liegen. Der erste Teilbereich kann somit z B. zwischen 30% und 55% des maximalen Ladezustands des Energiespeichers liegen.
Der zweite Teilbereich des Arbeits-Ladezustandsbereichs ist durch die erste Teiibereichsgrenze und eine zweite Teiibereichsgrenze definiert, die z. B. bei 60% liegen kann. Der dritte Teilbereich des Arbeits-Ladezustandsbereichs ist durch die zweite Teilbereichsgrenze und eine dritte Teilbereichsgrenze definiert, die z. B. bei 65% des maximalen Ladezustands des Energiespeichers liegen kann.
Der vierte Teilbereich des Arbeits-Ladezustandsbereichs ist durch die dritte Teilbereichsgrenze und die obere Grenze des Arbeits-Ladezustandsbereichs definiert. Der vierte Teilbereich kann somit beispielsweise zwischen 65% und 80% des maximalen Ladezustands des Energiespeichers liegen. Im ersten Teilbereich erfolgt somit eine„Lastpunkanhebung" des Verbrennungsmotors, was bedeutet, dass die elektrische Maschine generatorisch arbeitet und eine zusätzliche Last für den Verbrennungsmotor darstellt. Der vierte Teilbereich hingegen ist durch eine Lastpunktabsenkung gekennzeichnet, was bedeutet, dass die elektrische Maschine elektromotorisch arbeitet und den Fahrzeugantrieb bzw. den Verbrennungsmotor unterstützt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Übergänge zwischen den einzelnen Teilbereichen des Arbeits-Ladezustandsbereichs (im mathematischen Sinne) stetig. Sie können z. B. durch Rampenfunktionen definiert sein. Anders ausgedrückt weist das Lademoment der elektrischen Maschine über dem Ladezustand einen stetigen Verlauf auf. Der Verlauf muss aber nicht notwendigerweise stetig differenzierbar sein. Die Ableitung des Lademoments der elektrischen Maschine nach dem Ladezustand kann vielmehr einen unstetigen, z.B. abschnittsweise konstanten Verlauf aufweisen.
Das in Figur 1 gezeigte Diagramm verdeutlicht das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung des Ladezustands. Auf der Abszisse ist der Ladezustand (SoC,„State of Charge") aufgetragen. Der theoretisch mögliche Ladezustandsbereich einer Batterie liegt zwischen 0 und 100%. Üblicherweise wird ein Arbeitsladezustandsbereich definiert, der den untersten und den obersten Bereich des theoretisch möglichen Ladezustandsbereichs ausblendet. Der Arbeits-Ladezustandsbereich kann beispielsweise zwischen 30% und 80% liegen. Gemäß der Erfindung wird der Arbeits-Ladezustandsbereich in vier Teilbereiche 1. TB, 2. TB, 3. TB und 4. TB untergliedert. Der erste Teilbereich (1. TB) liegt bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen der unteren Grenze (30%) des Arbeits-Ladezustandsbereichs und einer ersten Teilbereichsgrenze, die hier auf einen Wert von 55% festgesetzt ist. In dem ersten Teilbereich arbeitet die elektrische Maschine des Hybridfahrzeugs generatorisch, was schon daran ersichtlich ist, dass das Lademoment der elektrischen Maschine einen positiven Wert annimmt. Die elektrische Maschine wird dabei vom Verbrennungsmotor des Hybridfahrzeugs angetrieben. In einem oberen Ladezustandsbereich des ersten Teilbereichs, der hier durch den Bereich zwischen 45% und 55% definiert ist, ist eine„Rampenfunktion" vorgesehen, d. h. das Lademoment der elektrischen Maschine wird mit zunehmendem Ladezustand der Batterie allmählich, z. B. linear heruntergefahren.
In dem zweiten Teilbereich (2. TB) des Arbeits-Ladezustands arbeitet die elektrische Maschine ebenfalls generatorisch, wobei sie weiterhin von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Die elektrische Maschine erzeugt in dem zweiten Teilbereich des Arbeits-Ladezustandsbereichs aber im Wesentlichen nur noch die Bordnetzlast, d. h. die Leistung, die zur Versorgung des Bordnetzes des Hybridfahrzeugs erforderlich ist. Der„Übergangsbereich" zwischen dem zweiten Teilbereich (2. TB) und dem dritten Teilbereich (3. TB) ist ebenfalls durch eine Übergangsfunktion gebildet. Auch diese Übergangsfunktion ist hier als Rampenfunktion gewählt. In dem dritten Teilbereich (3. TB) des Arbeits-Ladezustandsbereichs versorgt die Batterie das Bordnetz. Die elektrische Maschine läuft dabei im Wesentlichen passiv mit, d. h. sie nimmt weder Leistung auf noch gibt sie Leistung ab.
Der Vorteil der sich gegenüber herkömmlichen Regelungen oder dem 2. Teilbereich ergibt ist eine effizientere Nutzung der rekuperierten Energie. Eine Erhöhung des Ladezustands ergibt sich in diesem Bereich annähernd nur durch Rekuperation. Durch die Regelstrategie im 3. Teilbereich wird vermieden, dass die rekuperierte Energie sofort in kurzer Zeit über eine Lastpunktabsenkung an der E-Maschine in mechanische Energie umgesetzt wird, während die Versorgung des Bordnetzes über einem längeren Zeitraum wieder über einen Teil der Verbrennungsmotorleistung und die E-Maschine notwendig wird. Dies bedeutet im Ergebnis eine verbrauchseffizientere Nutzung der rekuperierten Energie proportional zum Faktor 1 / (2 * relativer Wirkungsgrad-E-Maschine).
Im vierten Teilbereich (4. TB) des Arbeits-Ladezustandsbereichs wird die Batterie entladen. Die elektrische Maschine arbeitet dabei elektromotorisch und wird von der Batterie mit Strom versorgt. In einem Übergangsbereich vom dritten Teilbereich zum vierten Teilbereich kann ebenfalls eine Übergangsfunktion bzw. eine Rampenfunktion vorgesehen sein. Das Lademoment der elektrischen Maschine ist, da die elektrische Maschine hier elektromotorisch arbeitet, entsprechend negativ. Man spricht dabei auch von einer Lastpunktabsenkung des Verbrennungsmotors, da die elektrische Maschine den Verbrennungsmotor drehmomentmäßig unterstützt.