Beschreibung

Rekuperation von Energie bei Hybridfahrzeugen mit einer herkömmlichen hydraulischen oder pneumatischen Bremsanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rückgewinnen von Energie bei einem Bremsvorgang eines Hybrid-Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Hybridfahrzeuge umfassen neben dem Verbrennungsmotor üblicherweise eine elektrische Maschine, die in Abhängigkeit von der Fahrsituation entweder im Motor- oder im Generatorbetrieb betrieben wird. Im Motorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine ein zusätzliches Antriebsmoment, das den Verbrennungsmotor z.B. in einer Beschleunigungsphase unterstützt. Im Generatorbetrieb wird dagegen die bei der Verzögerung des Fahrzeugs frei werdende kinetische Energie in elektrische Energie gewandelt (Rekuperation). Die so gewonnene elektrische Energie wird in einem Energiespeicher, wie z.B. einer Batterie oder einem Super-Cap, gespeichert und kann in anderen Fahrsituationen z. B. zum Antrieb des Fahrzeugs oder zur Versorgung elektrischer Verbraucher genutzt werden. Der Wirkungsgrad des Fahrzeugs kann dadurch erheblich gesteigert werden.

Die Menge der vom Generator erzeugbaren elektrischen Energie ist abhängig vom Ladezustand bzw. der Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers. Bei einem voll aufgeladenen Energiespeicher kann nur sehr wenig bzw. gar keine elektrische Energie in das Bordnetz gespeist werden, da der Energiespeicher andernfalls überlastet oder spannungsempfindliche Verbraucher beschädigt werden könnten. Die vom Generator abgegebene Leistung wird von einem Regler entsprechend eingestellt.

Der Generator erzeugt im Rekuperationsbetrieb ein leistungsabhängiges Bremsbzw. Schleppmoment. Dabei gilt grundsätzlich, dass das Schleppmoment mit

zunehmender Erzeugung elektrischer Leistung steigt. Wegen der Abhängigkeit vom Ladezustand des elektrischen Energiespeichers kann das Schleppmoment stark variieren. Bei einem vom Fahrer initiierten Bremsvorgang (durch Betätigung der Betriebsbremse), bei dem die elektrische Maschine im Rekuperationsbetrieb zugeschaltet ist, variiert somit auch das Bremsverhalten des Fahrzeugs entsprechend. Dies gefährdet die Fahrsicherheit.

Hybrid-Fahrzeuge mit einer herkömmlichen hydraulischen oder pneumatischen Bremsanlage (bei der ein mechanischer Durchgriff zwischen dem Bremspedal und den einzelnen Radbremsen besteht) sind daher so ausgelegt, dass entweder nur beim Ausrollen des Fahrzeugs (nicht beim Bremsen) Energie zurück gewonnen oder beim Bremsen nur ein sehr geringer Betrag an Energie zurück gewonnen wird, um den Einfluss des Generators gering zu halten. Dies hat jedoch den wesentlichen Nachteil, dass die vom Generator maximal erzeugbare elektrische Leistung - vorausgesetzt der Energiespeicher ist aufnahmefähig - nicht voll ausgenutzt und somit der Wirkungsgrad des Fahrzeugs nur wenig verbessert werden kann.

Eine maximale Rückgewinnung von Bremsenergie ist i. d. R. nur bei Hybrid- Fahrzeugen mit einem elektrohydraulischen Bremssystem (EHB) möglich, da die schwankende Bremswirkung des Generators bei solchen Systemen kompensiert werden kann (üblicherweise durch eine Variation der Bremskennlinie). Der Fahrer spürt in diesem Fall bei gleicher Betätigung des Bremspedals immer die gleiche Bremswirkung. Diese Kompensation ist nur bei elektrohydraulischen Bremssystemen, nicht jedoch bei rein hydraulischen bzw. rein pneumatischen Bremssystemen möglich.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Rückgewinnen von Energie bei Hybridfahrzeugen zu schaffen, das bzw. die es ermöglicht, ein Höchstmaß an Energie zurück zu gewinnen, ohne die Bremswirkung der Betriebsbremse zu stark zu beeinträchtigen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 6 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, elektrische Energie vor allem in einem Anfangsbereich des Bremspedalwegs zurück zu gewinnen und bei einer über den Anfangsbereich hinausgehenden Betätigung des Fuß-Bremspedals die Generatorleistung vorzugsweise zu reduzieren oder den Generatorbetrieb vollständig zu deaktivieren. Der Anfangsbereich ist vorzugsweise ein Bereich, in dem die Betriebsbremse noch nicht anspricht bzw. nur eine sehr geringe

Bremswirkung entfaltet und ist vorzugsweise kleiner als 20mm Pedalweg. Durch die Beschränkung der Rekuperation auf diesen Anfangsbereich wird erreicht, dass der Generator das Bremsverhalten des Fahrzeugs bei einer stärkeren Bremsbetätigung nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt. Wenn der Fahrer das Bremspedal nur leicht antippt, kann dagegen ein maximaler Betrag an elektrischer Leistung zurück gewonnen werden. In diesem Fall ist die Bremswirkung des Generators zwar auch abhängig vom Ladezustand des elektrischen Energiespeichers, der Fahrer gibt aber keinen bestimmten Bremswunsch vor, der exakt umgesetzt werden muss. Ein Vorteil dieses Systems besteht also darin, dass der Fahrer in einer unkritischen Fahrsituation, wenn das Fahrzeug z.B. vor einer Ampel ausrollt, durch eigene Initiative maximal Energie zurück gewinnen kann, indem er das Bremspedal leicht antippt.

Der Anfangsbereich der Pedalbetätigung, in dem die Rekuperation vor allem aktiv ist, ist vorzugsweise durch das Spiel der Bremse definiert und reicht vorzugsweise bis zu einem Druckpunkt, ab dem die Betriebsbremse anspricht. Dieser Druckpunkt liegt bei den meisten herkömmlichen Bremsanlagen bei ca. 6 mm bis 10 mm Pedalweg. Der Anfangsbereich kann aber auch unabhängig vom Druckpunkt auf einen beliebigen anderen Wert festgelegt werden, der vorzugsweise kleiner ist als 20 mm und insbesondere etwa 10 mm beträgt.

Die Höhe der zurück gewonnenen Energie hängt vorzugsweise davon ab, wie stark der Fahrer das Bremspedal antippt - immer vorausgesetzt der Energiespeicher ist aufnahmefähig. D.h., die Generatorleistung ist vorzugsweise eine Funktion des Bremspedalwegs bzw. der Pedalkraft. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Rekuperationssystem derart ausgelegt, dass der Generator bei einer Betätigung des Fuß-Bremspedals im Anfangsbereich mit zunehmendem Pedalweg eine höhere Generatorleistung erzeugt. Dadurch wird ermöglicht, dass der Fahrer nach Wunsch mehr oder weniger Energie zurückgewinnen kann. Die Höhe der zurück gewonnenen Energie kann dem Fahrer z. B. auf einem Display angezeigt werden.

Zur Auflösung des Anfangsbereichs ist vorzugsweise ein Pedalwertgeber vorgesehen, dessen Signal von einer Elektronik, insbesondere einem Steuergerät, ausgewertet wird. Die Elektronik steuert den Generator bzw. einen Pulswechselrichter derart an, dass - sofern möglich - elektrische Energie in das Bordnetz gespeist wird, wenn der Fahrer das Fuß-Bremspedal im Anfangsbereich betätigt.

Der Pedalwertgeber kann beispielsweise einen stationär angeordneten Sensor (z. B. Abstandssensor) und einen am Bremspedal angeordneten Geber, wie z.B. eine Referenzplatte, umfassen. Der Pedalwertgeber kann beispielsweise als induktiver oder kapazitiver Abstandssensor realisiert sein. Vorzugsweise wird ein

Magnetfeldsensor, wie z. B. ein Hall-, AMR- oder GMR-Sensor verwendet. Andere bekannte Sensortypen sind ebenfalls einsetzbar. Der Pedalwertgeber könnte wahlweise auch an einer Druckstange zwischen Bremspedal und Bremszylinder oder im Bremskraftverstärker angeordnet sein. Wesentlich ist, dass zumindest der Anfangsbereich der Pedalbetätigung aufgelöst werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Rekuperationssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Generatorleistung in Abhängigkeit vom Pedalweg; und

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Bremspedals mit Pedalwertgeber.

Fig. 1 zeigt eine Blockdarstellung eines Rekuperationssystems zum Rückgewinnen elektrischer Energie bei einem Bremsvorgang eines Hybridfahrzeugs, das neben dem Verbrennungsmotor auch eine elektrische

Maschine 3 umfasst. Die elektrische Maschine 3 wird im Rekuperationsbetrieb als Generator betrieben und erzeugt dabei elektrische Energie, die in einem Energiespeicher (nicht gezeigt) des Bordnetzes gespeichert wird.

Das Rekuperationssystem umfasst im Wesentlichen einen dem Fuß-Bremspedal 10 zugeordneten Pedalwertgeber 2, der an einem Steuergerät 1 angeschlossen

ist, das das Sensorsignal auswertet und die elektrische Maschine 3 entsprechend ansteuert. Die elektrische Maschine 3 umfasst die eigentliche Maschine 5, sowie einen Pulswechselrichter 4, mittels dessen die Betriebsart (Generatorbetrieb bzw. Motorbetrieb) die Leistung der Maschine 5 eingestellt werden kann.

Das Rekuperationssystem ist hier derart ausgelegt, dass der Generator 5 vor allem in einem Anfangsbereich A (siehe Fig. 2 unten) des Pedalwegs s elektrische Energie erzeugt wird. Bei einer darüber hinaus gehenden Betätigung des Bremspedals 10 wird die elektrische Leistung dagegen reduziert bzw. der Generatorbetrieb vollständig deaktiviert. Der Anfangsbereich A kann z. B. nur wenige Millimeter, z.B. 6-10 mm, groß sein. Der Anfangsbereich A ist vorzugsweise durch das Spiel der Bremse definiert und reicht bis zu einem Druckpunkt s1 , ab dem die Betriebsbremse anspricht.

Fig. 2 zeigt im oberen Diagramm den Verlauf eines beispielhaften Bremsvorgangs, bei dem das Fuß-Bremspedal 10 ausgehend von der Null-Stellung zunehmend durchgedrückt wird und der Pedalweg s somit rampenartig zunimmt. Im unteren Diagramm ist die zugehörige Generatorleistung P _Gθπ in Abhängigkeit vom Pedalweg s dargestellt. Im Falle der Kurve 7b nimmt die Generatorleistung P _Gen im Anfangsbereich A, ausgehend von Null stetig zu - eine entsprechende Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers vorausgesetzt. Wenn das Pedal 10 über den Grenzwert s1 durchgedrückt wird, wird die Generatorleistung reduziert. Die Reduktion kann linear (Kennlinie 8a), exponentiell (Kennlinie 8b) oder in beliebiger anderer Weise erfolgen. Wahlweise könnte der Generatorbetrieb auch vollständig deaktiviert werden (sprungartige Reduktion). Dadurch wird erreicht, dass der Fahrer die Möglichkeit hat, das Bremspedal 10 leicht anzutippen, um aktiv elektrische Energie zurück zu gewinnen. Das Bremsverhalten des Fahrzeugs wird dagegen bei einer stärkeren Betätigung des Bremspedals nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt.

Im Falle der Kennlinie 7a wird bereits beim Ausrollen des Fahrzeugs (ohne

Betätigung des Fuß-Bremspedals 10) elektrische Energie zurück gewonnen. Der Fahrer kann durch leichtes Antippen des Bremspedals die elektrische Leistung weiter erhöhen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Fuß-Bremspedals 10 nach einer Betätigung um wenige Millimeter aus der Nulllage. Die Anordnung zeigt das

Bremspedal 10, das über eine Druckstange 12 auf den Bremskraftverstärker 13 wirkt. Das Pedal 10 schwenkt bei einer Betätigung um die Achse 14. Die Anordnung umfasst ferner einen Pedalwertgeber 2, 11 , der einen Abstandssensor 2 und eine am oberen Ende des Pedals 10 angeordnete Referenzplatte 11 umfasst. Der Pedalwertgeber 2,11 misst den Abstand der Referenzplatte 11 zum stationär montierten Sensor 2 und ist derart ausgelegt, dass wenigstens der Anfangsbereich A einer Pedalbetätigung aufgelöst werden kann.