Beschreibung Titel

Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs, Steuergerät und Fahrzeug Feld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines

Fahrzeugs, ein Steuergerät und ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff der

unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

DE 10 2016 102 827 AI zeigt ein Hybridfahrzeug, das eine Kraftmaschine, eine Traktionsbatterie und eine Steuerung aufweist, wobei die Steuerung derart

programmiert ist, dass sie einen Ladezustandsschwellenwert, bei dem die

Kraftmaschine abgeschaltet wird, reduziert, um den Ladezustand zu reduzieren.

US 2015/0073637 AI zeigt ein Energiemanagementsystem und ein Verfahren zum Einsparen von Kraftstoff für ein Hybridfahrzeug.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs, aufweisend einen Verbrennungsmotor, mindestens einen Elektromotor, eine

Traktionsbatterie und ein Steuergerät, wobei eine voraussichtliche

Fahrzeuggeschwindigkeit und ein voraussichtliches Streckenprofil verwendet werden, um eine daraus resultierende Änderung eines Ladezustands der Traktionsbatterie zu bestimmen und einen Sollwert für den Ladezustand festzulegen, wobei der Sollwert für den Ladezustand zur Ansteuerung des Elektromotors und/oder des Verbrennungsmotors verwendet wird.

Hintergrund der Erfindung ist, dass nach Rekuperationsphasen des Fahrzeugs die zusätzliche Energie effizient eingesetzt werden kann, da mithilfe voraussichtlicher Fahrzeuggeschwindigkeit und voraussichtlichem Streckenprofil ermittelt wird, ob eine schnelle Entladung der Batterie notwendig ist. Wird keine zeitnahe

Rekuperationsphase erkannt, steigt der Sollwert für den Ladezustand auf einen erreichten Istwert des Ladezustands unmittelbar nach der Rekuperationsphase beziehungsweise auf den maximalen Grenzwert für den Ladezustand der

Traktionsbatterie an, je nachdem welcher Wert geringer ist, und wird langsam reduziert. Somit ist eine effiziente Batterienutzung ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird eine Leistung des Elektromotors zumindest zeitweise konstant gehalten. Somit fließen geringere Ströme im Elektromotor sowie in der

Traktionsbatterie und dadurch werden elektrische Verluste im Elektromotor und/oder der Traktionsbatterie reduziert.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Sollwert des Ladezustands von einem definierten oberen Grenzwert für den Ladezustand und einem definierten unteren Grenzwert für den Ladezustand begrenzt. Von Vorteil ist dabei, dass die Grenzwerte anhand der intrinsischen Batterieparameter und der voraussichtlichen Fahrzeuggeschwindigkeit und dem voraussichtlichem Streckenprofil wählbar sind und der Sollwert für den Ladezustand innerhalb dieser Grenzwerte variabel ist.

Weiter ist es von Vorteil, wenn der obere Grenzwert für den Ladezustand in

Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit festgelegt wird, wobei der obere Grenzwert für den Ladezustand mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit reduziert wird. Dadurch ist eine größere Energiemenge bei einem unvorhergesehenen

Bremsmanöver des Fahrzeugs von der Traktionsbatterie aufnehmbar. Vorteilhafterweise wird bei Erreichen des unteren Grenzwertes oder oberen

Grenzwertes durch den Sollwert für den Ladezustand die Leistung des Elektromotors angepasst, so dass der Sollwert für den Ladezustand innerhalb der Grenzwerte verbleibt. Somit werden möglichst lange Zeitabschnitte mit konstanter Leistung des Elektromotors erreicht.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Leistung des Elektromotors derart angepasst wird, dass der Sollwert für den Ladezustand zumindest zeitweise gleich dem unteren oder oberen Grenzwert ist. Dadurch werden die Sprünge zwischen den verschiedenen Leistungen des Elektromotors möglichst klein gehalten.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Leistung des Elektromotors derart gesteuert, dass sie mittels einer Stufenfunktion als Funktion der Zeit und/oder der Position abbildbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass möglichst lange Zeitabschnitte mit konstanter Leistung des Elektromotors erreicht werden.

Vorteilhafterweise wird die voraussichtliche Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder das voraussichtliche Streckenprofil mittels eines Navigationsgerätes und/oder eines gespeicherten Fahrprofils bestimmt. Dabei ist das Navigationsgerät signalleitend mit dem Steuergerät verbunden. Die gespeicherten Fahrprofile sind innerhalb des Steuergerätes und/oder in dem Navigationsgerät speicherbar.

Ein gespeichertes Fahrprofil weist ein Streckenprofil und Fahrzeuggeschwindigkeiten auf, die während zurückliegender Fahrten aufgezeichnet wurden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden mehrere Sollwerte für den

Ladezustand, insbesondere ein Verlauf des Sollwerts für den Ladezustand, bestimmt und gespeichert, wobei die gespeicherten Sollwerte für den Ladezustand und ein aktueller Energieparameter des Fahrzeugs zur Ansteuerung des Elektromotors und/oder des Verbrennungsmotors verwendet werden. Von Vorteil ist dabei, dass die Sollwerte vor der Fahrt berechnet werden können und dadurch der Rechenaufwand während der Fahrt reduzierbar ist. Zusätzlich können die Sollwerte bei der

Streckenauswahl für das Navigationsgerät verwendet werden. Vorteilhafterweise sind die vor der Fahrt berechneten Sollwerte mit dem aktuellen Energieparameter korrelierbar.

Vorteilhafterweise wird der Verlauf des Sollwerts für den Ladezustand als Funktion der Zeit und/oder der Strecke bestimmt.

Von Vorteil ist es weiterhin, wenn als aktueller Energieparameter des Fahrzeugs die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder der aktuelle Ladezustand der

Traktionsbatterie und/oder die aktuelle Position des Fahrzeugs verwendet wird. Von Vorteil ist dabei, dass diese Energieparameter in einfacher Art und Weise erfasst und ausgewertet werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Verlauf des Sollwerts für den Ladezustand nach einer Rekuperationsphase des Fahrzeugs neu berechnet. Von Vorteil ist dabei, dass bei unerwarteten Rekuperationsphasen die daraus verfügbare Energie bei der Berechnung der Sollwerte berücksichtigt wird und dadurch vollständig verwendbar ist.

Die Erfindung bei dem Steuergerät für ein Fahrzeug geht aus von einem Steuergerät, das eingerichtet ist, ein Verfahren wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf das Verfahren bezogenen Ansprüche auszuführen.

Hintergrund der Erfindung ist, dass nach Rekuperationsphasen des Fahrzeugs die zusätzliche Energie effizient eingesetzt werden kann, da das Steuergerät mithilfe voraussichtlicher Fahrzeuggeschwindigkeit und voraussichtlichem Streckenprofil ermittelt, ob eine schnelle Entladung der Batterie notwendig ist. Wird keine zeitnahe Rekuperationsphase erkannt, erhöht das Steuergerät den Sollwert für den

Ladezustand auf einen erreichten Istwert des Ladezustands unmittelbar nach der Rekuperationsphase beziehungsweise auf den maximalen Grenzwert für den

Ladezustand der Traktionsbatterie, je nachdem welcher Wert geringer ist, und reduziert ihn anschließend langsam. Somit ist eine effiziente Batterienutzung ermöglicht.

Die Erfindung bei dem Fahrzeug aufweisend einen Verbrennungsmotor, einen

Elektromotor, eine Traktionsbatterie, geht aus von einem Fahrzeug, das ein Steuergerät wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach dem auf das Steuergerät bezogenen Anspruch aufweist.

Hintergrund der Erfindung ist, dass nach Rekuperationsphasen des Fahrzeugs die zusätzliche Energie effizient eingesetzt werden kann, da mithilfe voraussichtlicher

Fahrzeuggeschwindigkeit und voraussichtlichem Streckenprofil ermittelt wird, ob eine schnelle Entladung der Batterie notwendig ist. Wird keine zeitnahe

Rekuperationsphase erkannt, steigt der Sollwert für den Ladezustand auf einen erreichten Istwert des Ladezustands unmittelbar nach der Rekuperationsphase beziehungsweise auf den maximalen Grenzwert für den Ladezustand der

Traktionsbatterie an, je nachdem welcher Wert geringer ist, und wird langsam reduziert. Somit ist eine effiziente Batterienutzung ermöglicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.

Es zeigt:

Fig. la ein voraussichtliches Streckenprofil als Funktion der Zeit;

Fig. lb einen für das in Fig. la dargestellte Streckenprofil bestimmten Sollwert des Ladezustands als Funktion der Zeit; Fig. 2a eine voraussichtliche Fahrzeuggeschwindigkeit als Funktion der Zeit;

Fig. 2b einen für die in Fig. 2a dargestellte Geschwindigkeit bestimmten Sollwert des Ladezustands als Funktion der Zeit; Fig. 3 den Sollwert des Ladezustands, einen oberen Grenzwert und einen unteren

Grenzwert für den Ladezustand und eine mittlere Leistung eines

Elektromotors als Funktion der Zeit;

Fig. 4 Kohlenstoffdioxid-Einsparpotentiale für verschiedene Fahrzeugtypen und

Fahrzyklen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs. Ausführungsformen der Erfindung

In Fig. 5 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 1, insbesondere ein Hybridfahrzeug dargestellt.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug 1 weist ein Getriebe 7, einen Verbrennungsmotor 2, einen Elektromotor 3, eine Traktionsbatterie 4, einen Spannungswandler 6, ein Steuergerät 5 und ein Navigationsgerät 8 auf.

Unter einer Batterie wird hierbei beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie verstanden, insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein

Batteriemodul aufweisend zumindest eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriepack aufweisend zumindest ein Batteriemodul. Die Batteriezelle ist als lithiumbasierte Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, ausgeführt. Alternativ ist die Batteriezelle als Lithium-Polymer-Batteriezelle oder Nickel- Metallhydrid-Batteriezelle oder Blei-Säure-Batteriezelle oder Lithium-Luft-Batteriezelle oder Lithium-Schwefel-Batteriezelle ausgeführt.

Das Navigationsgerät 8 ist signalleitend mit dem Steuergerät 5 verbunden.

Der Verbrennungsmotor 2 ist mittels des Getriebes 7 mit zumindest einer

Antriebsachse des Fahrzeugs 1 verbunden.

Der Elektromotor 3 ist mit dem Verbrennungsmotor 2 und/oder dem Getriebe 7 gekoppelt, beispielsweise mittels einer Riemenkopplung.

Mittels des Elektromotors 3 sind folgende Funktionen ausführbar:

Rekuperation von Bremsenergie;

Boosten (elektrisch unterstütztes Antreiben des Fahrzeugs 1, wobei der

Elektromotor 3 motorisch betrieben wird);

Lastpunktanhebung des Verbrennungsmotors 2 (wobei der Elektromotor 3 generatorisch betrieben wird). Die Traktionsbatterie 4 ist mittels des Spannungswandlers 6 mit dem Elektromotor 3 verbunden. Die Traktionsbatterie 4 speist also den Elektromotor 3 im motorischen Betrieb und wird im generatorischen Betrieb aus dem Elektromotor 3 gespeist.

Vorzugsweise ist die Traktionsbatterie 4 als 48V-Batterie ausgeführt. Die

Traktionsbatterie 4 hat also nur einen begrenzten Energiegehalt, daher ist eine effiziente Steuerung der Komponenten des Fahrzeugs 1 mittels des Steuergerätes 5 notwendig.

In Fig. la ist ein voraussichtliches Streckenprofil x als Funktion der Zeit t dargestellt. Das Streckenprofil x weist einen leichten Anstieg gefolgt von einem abfallenden Streckenabschnitt auf.

Fig. lb zeigt einen für das in Fig. la dargestellte Streckenprofil x resultierenden Verlauf des Ladezustands SoC als Funktion der Zeit t.

Der Ladezustand SoC wird begrenzt von einem oberen Grenzwert für den

Ladezustand SoC _ma x und einem unteren Grenzwert für den Ladezustand SoCmin. Die Grenzwerte werden bestimmt durch intrinsische Grenzwerte der Traktionsbatterie 4 und/oder durch das Steuergerät 5.

In der Fig. lb zeigt SoC _m einen Verlauf des Ladezustands SoC, der auf einen

Mittelwert des Ladezustands geregelt ist. SoC _p zeigt einen Verlauf eines Sollwertes des Ladezustands SoC, der gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt wurde und das voraussichtliche Streckenprofil x berücksichtigt.

Es ist erkennbar, dass der Sollwert des Ladezustands SoC _p zeitlich vor dem

abfallenden Streckenabschnitt bis auf den minimalen Grenzwert SoCmin abgesenkt wird, so dass während des abfallenden Streckenabschnitts eine maximale

Ladungsmenge von der Traktionsbatterie 4 aufgenommen werden kann, bevor der Sollwert des Ladezustands SoC _p den maximalen Grenzwert SoC _ma x erreicht.

Der SoCm weist zu Beginn des abfallenden Streckenabschnitts den Mittelwert des Ladezustands SoC auf. Der SoC _m erreicht den maximalen Grenzwert SoCmax zeitlich vor dem Sollwert des Ladezustands SoC _p . Dabei wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine etwa doppelt so große Ladungsmenge von der Traktionsbatterie 4 gespeichert.

In Fig. 2a ist eine voraussichtliche Fahrzeuggeschwindigkeit v als Funktion der Zeit t dargestellt. Die voraussichtliche Fahrzeuggeschwindigkeit v nimmt im zeitlichen Verlauf zuerst zu, danach wieder ab und bleibt dann konstant.

Fig. 2b zeigt einen für die in Fig. 2a dargestellte voraussichtliche

Fahrzeuggeschwindigkeit v resultierenden Verlauf des Ladezustands SoC als Funktion der Zeit t.

Wie in Fig. lb sind in Fig. 2b ebenfalls die Grenzwerte des Ladezustands SoC _ma x und SoCmin und der Sollwert für des Ladezustand SoC _p sowie der Ladezustand SoC _m dargestellt.

Während der Ladezustand SoC _m nach der Abnahme der Fahrzeuggeschwindigkeit v relativ schnell wieder auf den Mittelwert geregelt wird, berücksichtigt das

erfindungsgemäße Verfahren die nachfolgende konstante Fahrzeuggeschwindigkeit v, so dass der Sollwert für den Ladezustand SoC _p langsamer abnimmt als der

Ladezustand SoC _m .

In Fig. 3 sind der Sollwert des Ladezustands SoC _p , die Grenzwerte für den

Ladezustand (SoCmin, SoC _ma x) und eine Leistung des Elektromotors PE als

Funktion der Zeit t gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.

Der obere Grenzwert für den Ladezustand SoCmax wird abhängig von der

Fahrzeuggeschwindigkeit v gewählt. Je höher die Fahrzeuggeschwindigkeit v ist, desto kleiner wird der obere Grenzwert für den Ladezustand SoCmax gewählt, damit bei einer nachfolgenden Reduktion der Fahrzeuggeschwindigkeit v eine möglichst große Lademenge in der Traktionsbatterie 4 gespeichert werden kann.

Der Sollwert für den Ladezustand SoC _p wird innerhalb der Grenzwerte (SoCmin, SoCmax) so gewählt, dass die Leistung PE des Elektromotors 3 solange wie möglich konstant bleibt. Sobald der Sollwert für den Ladezustand SoC _p einen Grenzwert (SoCmin, SoC _ma x) erreicht, wird die Leistung PE des Elektromotors 3 angepasst, so dass der Sollwert für den Ladezustand SoC _p gleich dem jeweiligen Grenzwert (SoCmin, SoC _ma x) ist.

Fig. 4 zeigt einen Vergleich des Kohlenstoffdioxid-Einsparpotentials mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeuges für

verschiedene Fahrzeuge und Fahrzyklen gegenüber einer Betriebsstrategie ohne Sollwertvorgabe für den Ladezustand SoC.

Beispielsweise ist für ein Fahrzeug mit 1330 kg Masse und einem

Bord netzbedarf von 400 W im ersten Balken das Einsparpotential für einen

Fahrzyklus mit großer Höhendifferenz und mittlerer Geschwindigkeitsdynamik, im zweiten Balken für einen Fahrzyklus mit mittlerer Höhendifferenz und hoher

Geschwindigkeitsdynamik und im dritten Balken für einen Fahrzyklus mit vernachlässigbarer Höhendifferenz und hoher Geschwindigkeitsdynamik dargestellt.

Jeder Balken zeigt zwei Werte: das Einsparpotential basierend auf Sollwerten für den Ladezustand SoC _p mit Fahrzeuggeschwindigkeiten v gemäß vorgegebenen Geschwindigkeitsbegrenzungen und das Einsparpotential basierend auf

Sollwerten für den Ladezustand SoC _p mit Fahrzeuggeschwindigkeiten v gemäß gespeicherten Fahrprofilen. Dabei übersteigt das Einsparpotential bei der Bestimmung der Sollwerte für den Ladezustand SoC _p mit

Fahrzeuggeschwindigkeiten v gemäß gespeicherten Fahrprofilen das

Einsparpotential bei der Bestimmung der Sollwerte für den Ladezustand SoC _p mit Fahrzeuggeschwindigkeiten v gemäß vorgegebenen

Geschwindigkeitsbegrenzungen in allen Fällen.

Die größten Einsparpotentiale für alle Fahrzeuge bestehen bei dem Fahrzyklus mit großer Höhendifferenz und mittlerer Geschwindigkeitsdynamik, gefolgt von dem Fahrzyklus mit mittlerer Höhendifferenz und hoher

Geschwindigkeitsdynamik und dem Fahrzyklus mit vernachlässigbarer

Höhendifferenz und hoher Geschwindigkeitsdynamik.