DE102014215906A1

DE102014215906A1 - Abkoppeln eines elektrischen Energiespeichers eines seriellen Hybridantriebs

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Publication number: DE102014215906A1
Application number: DE102014215906.7A
Authority: DE
Inventors: Joerg Reuss; Christian Schmidt; Hans Glonner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-08-11
Filing date: 2014-08-11
Publication date: 2016-02-11

Abstract

Ein erster Aspekt betrifft ein Verfahren zum Abkoppeln eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers eines seriellen Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug. Der serielle Hybridantrieb umfasst eine elektrische Antriebsmaschine zum Antreiben des Fahrzeugs mit einer vorgeschalteten Leistungselektronik. Ferner ist ein Energiewandler zur Erzeugung elektrischer Energie für die elektrische Antriebsmaschine und für einen elektrischen Energiespeicher vorgesehen. Ferner ist der mit dem Energiewandler und der Leistungselektronik der elektrischen Antriebsmaschine gekoppelte elektrische Energiespeicher vorhanden. Ferner sind steuerbare Abkoppelmittel zum Abkoppeln des elektrischen Energiespeichers von dem Energiewandler und der elektrischen Antriebsmaschine vorhanden. Darüber hinaus sind Mittel zum Einstellen der am Eingang der Leistungselektronik anliegenden Zwischenkreisgleichspannung bei abgekoppeltem Energiespeicher vorhanden. Vor dem Abkoppeln des Energiespeichers liegt ein erster Wert der Zwischenkreisgleichspannung am Eingang der Leistungselektronik an. Erfindungsgemäß wird festgestellt, dass für eine Fahraufgabe keine Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist, und in Abhängigkeit hiervon wird entschieden, den Energiespeicher abzukoppeln. In Reaktion auf die Entscheidung, den Energiespeicher abzukoppeln, werden die steuerbaren Abkoppelmittel derart angesteuert, dass der elektrische Energiespeicher von dem Energiewandler und der elektrischen Antriebsmaschine abgekoppelt wird. Nach Abkoppeln des elektrischen Energiespeichers wird ein gegenüber dem ersten Wert veränderter, zweiter Wert der Zwischenkreisgleichspannung eingestellt, der sich gegenüber dem ersten Wert der Zwischenkreisgleichspannung durch eine erhöhte Energieeffizienz des Verbunds aus Energiewandler und elektrischer Antriebsmaschine kennzeichnet.

Description

Die Erfindung betrifft serielle Hybridantriebe.
Ein Kraftfahrzeug mit seriellem Hybridantrieb umfasst eine elektrische Traktionseinheit mit einer elektrischen Antriebsmaschine zum Antreiben des Fahrzeugs und einer vorgeschalteten Leistungselektronik. Ferner ist ein Energiewandler zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen Verbrennungsmotor und einen hierdurch angetriebenen elektrischen Generator, wobei die chemische Energie eines Kraftstoffs durch Verbrennung in mechanische Arbeit umgewandelt wird, und die mechanische Arbeit im Generator in elektrische Energie gewandelt wird. Statt einer Kombination aus Verbrennungsmotor und Generator kann der Energiewandler alternativ auch eine Brennstoffzelle sein, bei der chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie gewandelt wird. Ferner ist ein wiederaufladbarer elektrischer Energiespeicher vorgesehen. Der elektrische Energiespeicher kann elektrische Energie des Energiewandlers aufnehmen und elektrische Energie an die elektrische Antriebsmaschine liefern. Bei dem elektrischen Energiespeicher kann es sich um eine elektrochemische Batterie oder um einen Kondensator handeln.
In gewöhnlichen seriellen Hybridantrieben ist der elektrische Energiespeicher mit dem sogenannten Zwischenkreis kontinuierlich elektrisch verbunden, wobei an den Zwischenkreis der elektrische Ausgang des Energiewandlers und der Eingang der Leistungselektronik der elektrischen Antriebsmaschine angeschlossen sind.
Es ist bekannt, den elektrischen Energiespeicher im Fall eines Unfalls oder einer Störung oder bei einer Tiefentladung oder Überladung des Energiespeichers oder einer Überspannung oder bei ungenutztem Fahrzeug elektrisch abzukoppeln. Beispiele hierfür sind in den Druckschriften DE 10 2012 210 596 A1 , DE 10 2012 211 393 A1 , DE 10 2012 018 321 A1 , DE 10 2009 035 483 A1 , DE 100 50 379 A1 , WO 2011/103911 und EP 0967108 A1 beschrieben.
Der Wert der im Zwischenkreis herrschenden Zwischengleichspannung, die am Eingang der Leistungselektronik der Antriebsmaschine anliegt, wird typischerweise im Wesentlichen durch die Leerlaufspannung des elektrischen Energiespeichers und kaum durch den Energiewandler bestimmt. Ursächlich hierfür ist, dass typischerweise der elektrische Energiespeicher einer Spannungsquelle mit sehr geringem Innenwiderstand entspricht. Im Fall Energiewandlers in Form eines Verbrennungsmotors mit mechanisch angekoppeltem Generator und nachgeschaltetem Gleichrichter entspricht der Energiewandler näherungsweise einer Stromquelle mit hohem Innenwiderstand.
Handelt es sich bei dem elektrischen Energiespeicher um eine wiederaufladbare Batterie mit mehreren Batterie-Zellen, wird die Zwischenkreisgleichspannung im Wesentlichen durch die Zellspannung, den Ladezustand, die Zellenanzahl und den Batteriestrom bestimmt.
Die Energieeffizienz der Kaskade aus Energiewandler und elektrischer Traktionsmaschine hängt von der Zwischenkreisgleichspannung ab. Je nach Fahraufgabe kann daher eine von dem Energiespeicher abweichende Spannungslage der Zwischenkreisgleichspannung von Vorteil sein.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Betriebsverfahren für einen seriellen Hybridantrieb und einen entsprechenden seriellen Hybridantrieb mit verbesserter Energieeffizienz der Kaskade aus Energiewandler und elektrischer Traktionsmaschine anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein erster Aspekt betrifft ein Verfahren zum Abkoppeln eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers eines seriellen Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Personenkraftwagen.
Der serielle Hybridantrieb umfasst eine elektrische Antriebsmaschine zum Antreiben des Fahrzeugs mit einer vorgeschalteten Leistungselektronik. Die elektrische Antriebsmaschine mit Leistungselektronik ist beispielsweise eine Mehrphasen-Synchronmaschine (insbesondere eine Dreiphasen-Synchronmaschine) mit Wechselrichter.
Ferner ist ein Energiewandler zur Erzeugung elektrischer Energie für die elektrische Antriebsmaschine und für einen elektrischen Energiespeicher vorgesehen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen Verbrennungsmotor und einen hierdurch angetriebenen und als elektrische Maschine ausgestalteten Generator mit nachgeschaltetem Gleichrichter. Ferner ist der mit dem Energiewandler und der Leistungselektronik der elektrischen Antriebsmaschine gekoppelte elektrische Energiespeicher vorhanden. Bei dem elektrischen Energiespeicher kann es sich um eine elektrochemische Batterie oder um einen Kondensator handeln.
Ferner sind steuerbare Abkoppelmittel zum Abkoppeln des elektrischen Energiespeichers von dem Energiewandler und der elektrischen Antriebsmaschine vorhanden. Bei abgekoppeltem Energiespeicher bestimmt der Energiespeicher also nicht mehr das Spannungsniveau im Zwischenkreis. Als Abkoppelmittel kommen vorzugsweise ein oder mehrere elektrisch steuerbare Schalter, wie beispielsweise Schütze oder Relais, in Frage.
Ferner sind Mittel zum Einstellen der am Eingang der Leistungselektronik anliegenden Zwischenkreisgleichspannung bei abgekoppeltem Energiespeicher vorhanden. Beispielsweise wird hierfür ein variabel einstellbarer Spannungsregler zum Regeln der Zwischenkreisgleichspannung verwendet.
Vor dem Abkoppeln des Energiespeichers liegt ein erster Wert der Zwischenkreisgleichspannung am Eingang der Leistungselektronik an, der näherungsweise (unter Vernachlässigung des Spannungsabfalls bei Stromfluss) der Leerlaufspannung des Energiespeichers entspricht, beispielsweise eine Zwischenkreisspannung von ungefähr 360 V.
Erfindungsgemäß wird festgestellt, dass für eine Fahraufgabe keine Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist, und in Abhängigkeit hiervon wird entschieden, den Energiespeicher abzukoppeln. Zur Feststellung, dass für eine Fahraufgabe keine Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist, wird vorzugsweise die aufgenommene Leistung der elektrischen Antriebsmaschine oder eine hiermit im Zusammenhang stehende Größe (z. B. der über einen Stromsensor gemessene von der Antriebsmaschine aufgenommene Strom) herangezogen. Beispielsweise wird die aktuelle elektrische Leistungsaufnahme oder die mechanische Leistungsabgabe der elektrischen Antriebsmaschine (oder eine hierfür charakteristische Größe) bestimmt und geprüft, ob diese Leistung zusammen mit der aufgenommenen Leistung weiterer elektrischer Verbraucher (wie beispielsweise eines Klimakompressors), die über den Zwischenkreis mit Leistung versorgt werden, über den Energiewandler bereitgestellt werden kann.
Zum Feststellen, dass für eine Fahraufgabe keine Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist, kann auch über einen Stromsensor die aktuelle Stromaufnahme gemessen werden.
In Reaktion auf die Entscheidung, den Energiespeicher abzukoppeln, werden die steuerbaren Abkoppelmittel derart angesteuert, dass der elektrische Energiespeicher von dem Energiewandler und der elektrischen Antriebsmaschine abgekoppelt wird. Beispielsweise werden ein oder mehrere Relais oder Schütze, die den Energiespeicher an den Zwischenkreis zwischen dem Ausgang des Energiewandlers und dem Eingang der Leistungselektronik ankoppeln, geöffnet.
Nach Abkoppeln des elektrischen Energiespeichers wird ein gegenüber dem ersten Wert veränderter, zweiter Wert der Zwischenkreisgleichspannung eingestellt, der sich gegenüber dem ersten Wert der Zwischenkreisgleichspannung durch eine erhöhte Energieeffizienz des Verbunds aus Energiewandler und elektrischer Antriebsmaschine kennzeichnet. Beispielsweise wird nach dem Abkoppeln die Zwischenkreisgleichspannung auf 320 V reduziert.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass der elektrische Energiespeicher für Fahraufgaben, die keine Auf- oder Abgabe von elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erfordern, abgekoppelt werden kann, so dass danach die Zwischenkreisspannung nicht mehr durch den elektrischen Energiespeicher bestimmt wird. Die Zwischenkreisspannung entspricht dann einem einstellbaren Freiheitsgrad, wobei zur Erhöhung der Energieeffizienz des Verbundes aus Energiewandler und elektrischer Antriebsmaschine ein auf die Energieeffizienz hin optimierter Wert für die Zwischenkreisspannung gewählt werden kann. Durch die Abkopplung des elektrischen Energiespeichers kann also der verbleibende Verbund aus Energiewandler und elektrischer Antriebsmaschine bei einer in Bezug auf die Energieeffizienz günstigeren Spannungslage der Zwischenkreisspannung betrieben werden, beispielsweise bei einem niedrigen Spannungsniveau.
Es kann vorgesehen sein, dass festgestellt wird, dass für eine Fahraufgabe keine Ab- oder Aufnahme elektrische Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich, und damit die Entscheidung, den Energiespeicher abzukoppeln, in jedem Fall zwingend positivgetroffen wird und nicht das Vorliegen zusätzlich notwendiger Voraussetzungen geprüft wird. Es kann aber auch alternativ vorgesehen sein, dass für eine Fahraufgabe festgestellt wird, dass keine Ab- oder Aufnahme elektrische Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich, und dies noch nicht zwingend bedeutet, den Energiespeicher abzukoppeln. Beispielsweise kann dann in einem zweiten Schritt noch geprüft werden, ob es aus Effizienzgründen für den aktuellen Betriebspunkt des Generators des Energiewandlers und der elektrischen Traktionsmaschine Sinn macht, den elektrischen Energiespeicher abzukoppeln, da sich durch das Abkoppeln eine merkliche Energieeffizienzerhöhung bei Anpassung der Zwischenkreisgleichspannung ergeben würde.
Das Feststellen, dass für eine Fahraufgabe keine Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist, erfolgt vorzugsweise in der Weise, dass festgestellt wird, dass für die jeweilige Fahraufgabe (z. B. Konstantfahren mit einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit oder Beschleunigen mit einer bestimmten Beschleunigung) die Leistung der elektrischen Antriebsmaschine und gegebenenfalls die Leistung eines oder mehrerer weiterer elektrischer Verbraucher (z. B. des Klimakompressor der Klimaanlage), die über den Zwischenkreis versorgt werden, größer (oder größer gleich) als ein unterer Grenzwert (z. B. 10 kW) der Leistung des Energiewandlers und kleiner (oder kleiner gleich) als ein oberer Grenzwert (z. B. 45 kW) der Leistung des Energiewandlers ist. Der obere Grenzwert beschreibt beispielsweise das Leistungsmaximum des Energiewandlers und der untere Grenzwert beschreibt beispielsweise eine Leistungsuntergrenze, bei der noch ein ausreichender Wirkungsgrad des Energiewandlers oder eines Teils des Energiewandlers erzielt wird, beispielsweise ein Wirkungsgrad von größer 30% für den Verbrennungsmotor des Energiewandlers. Vorzugsweise wird bei der Leistungsbetrachtung auf die elektrische Leistung abgestellt; es wäre aber auch möglich, die Leistungsbetrachtung für die mechanische Leistung durchzuführen. Bei Fahraufgaben, die hinsichtlich des Leistungsbedarfs im energetisch sinnvollen Betriebsbereich des Energiewandlers liegen, kann der Energiespeicher abgekoppelt werden.
Es wird also vorzugsweise geprüft, ob die für die Fahraufgabe benötigte Leistung der Antriebsmaschine zuzüglich der Leistung für andere elektrische Verbraucher, die bei Wegfall des Energiespeichers über den Energiewandler mit Leistung versorgt werden, innerhalb eines Leistungsfensters des Energiewandlers liegt. Wenn dies der Fall ist, kann die Leistung über den Energiewandler bereit gestellt werden und es ist keine Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich. In diesem Fall ist es unter Umständen sinnvoll, den elektrischen Energiespeicher abzukoppeln, um die Zwischenkreisspannung zur Erhöhung der Effizienz zu modifizieren.
Es ist von Vorteil, wenn für das Abkoppeln nicht nur verifiziert wird, dass für die Fahraufgabe keine Ab- oder Aufnahme elektrische Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist, sondern für die Fahraufgabe eine Abkopplung auch aus Energieeffizienzgründen zweckmäßig ist. Hierzu kann für die jeweilige Fahraufgabe bei dem ersten Wert der Zwischenkreisgleichspannung der Wert einer Größe (z. B. Wirkungsgrad oder Verlustleistung) ermittelt wird, die mit der Energieeffizienz des Verbunds aus Energiewandler und elektrischer Antriebsmaschine oder eines Teils hiervon (bsw. Generator und elektrische Antriebsmaschine) im Zusammenhang steht. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine Wirkungsgradangabe oder eine Verlustleistungsangabe. Beispielsweise wird bei dem ersten Wert (z. B. 360 V) der Zwischenkreisgleichspannung ein Gesamtwirkungsgrad der Kette aus Generator und elektrischer Antriebsmaschine bestimmt. Die Entscheidung, den Energiespeicher abzukoppeln, erfolgt dann vorzugsweise in Abhängigkeit dieses Werts der für die Energieeffizienz charakteristischen Größe. In Abhängigkeit dieses Werts kann so beispielsweise festgestellt werden, ob sich eine Abkopplung aus Effizienzgründen überhaupt lohnt.
Ferner kann für die Fahraufgabe bei einem optimalen Wert der Zwischenkreisgleichspannung ein Wert der Größe ermittelt wird, die mit der Energieeffizienz des Verbunds aus Energiewandler und elektrischer Antriebsmaschine oder eines Teils hiervon in Zusammenhang steht. Unter optimalen Wert der Zwischenkreisgleichspannung ist ein Wert der Zwischenkreisspannung zu verstehen, bei dem in Bezug auf die mit der Energieeffizienz im Zusammenhang stehenden Größe ein Optimum vorliegt (beispielsweise ein Wirkungsgradoptimum).
Der Schritt des Entscheidens, den Energiespeicher abzukoppeln, erfolgt dann in Abhängigkeit des Werts der Größe bei dem ersten Wert der Zwischenkreisgleichspannung, und des Werts der Größe bei dem optimalen Wert der Zwischenkreisgleichspannung. Diese beiden Werte können hierzu miteinander verglichen werden.
Es kann beispielsweise festgestellt werden, dass der Gesamtwirkungsgrad der Kette aus Generator und elektrische Antriebsmaschine bei dem ersten Wert der Zwischenkreisgleichspannung kleiner als der Gesamtwirkungsgrad der Kette aus Generator und elektrische Antriebsmaschine bei dem optimalen Wert der Zwischenkreisgleichspannung abzüglich eines Offsetwerts ist, und in diesem Fall entschieden wird, den Energiespeicher abzukoppeln. Andernfalls wird der Energiespeicher nicht abgekoppelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Energiewandler einen Verbrennungsmotor und einen Generator (insbesondere Mehrphasenwechselstrom-Generator) mit einer nachgeschalteten Leistungselektronik (Gleichrichter). Die Entscheidung, den Energiespeicher abzukoppeln, wird vorzugsweise in Abhängigkeit der Drehzahl des Generators oder einer hiervon abhängigen Größe (z. B. elektrische Leistung im Zwischenkreis oder induzierte Spannung) und/oder in Abhängigkeit der Drehzahl der Antriebsmaschine oder einer hiervon abhängigen Größe getroffen. Dieser Vorgehensweise liegt die Feststellung zugrunde, dass häufig bei höheren Drehzahlen eine höhere Spannungslage im Zwischenkreis in Bezug auf die Energieeffizienz von Vorteil ist, und bei niedrigeren Drehzahlen eine geringe Spannungslage im Zwischenkreis in Bezug auf die Energieeffizienz von Vorteil ist. Die Drehzahl des Generators und/oder der Antriebsmaschine hat also Einfluss auf die optimale Spannungslage im Zwischenkreis und ist daher ein Einflussfaktor dafür, ob der Energiespeicher abgekoppelt werden soll oder nicht. Wenn sich die optimale Spannungslage nämlich stark von der durch den Energiespeicher eingeprägten Spannungslage unterscheidet, ist es im besonderen Maß von Vorteil, den Energiespeicher abzukoppeln und die optimale Spannungslage einzustellen.
Ähnliche Überlegungen gelten für das Drehmoment des Generators oder für das Drehmoment der elektrischen Antriebsmaschine, so dass die Entscheidung, den Energiespeicher abzukoppeln auch von dem Drehmoment des Generators und/oder von dem Drehmoment der elektrischen Antriebsmaschine abhängig gemacht werden kann.
Es ist von Vorteil, den aktuellen Betriebspunkt des Generators im Hinblick auf Drehzahl und Drehmoment und den aktuellen Betriebspunkt der Antriebsmaschine im Hinblick auf Drehzahl und Drehmoment zu ermitteln, und in Abhängig dieser vier Größen über die Abkoppelung zu entscheiden.
Beispielsweise kann für den aktuellen Betriebspunkt des Generators im Hinblick auf Drehzahl und Drehmoment und für den aktuellen Betriebspunkt der Antriebsmaschine im Hinblick auf Drehzahl und Drehmoment der Wirkungsgrad der Kette aus Generator und Traktionsmaschine bei dem aktuellen Wert der Zwischenkreisspannung bestimmt werden, und bei dem gleichen Betriebspunkt für Generator und Antriebsmaschine der Wirkungsgrad bei einem optimalen Wert der Zwischenkreisspannung ermittelt werden. Diese beiden Werte können dann in Relation zueinander gesetzt werden und basierend hierauf entschieden werden, ob der Energiespeicher abzukoppeln ist oder nicht. Alternativ können statt der Werte des Wirkungsgrads auch die Werte der Verlustleistung (oder einer anderen mit der Energieeffizienz im Zusammenhang stehenden Größe) ermittelt werden und in Relation zueinander gesetzt werden.
Nachdem der Energiespeicher abgekoppelt wurde und die Zwischenkreisgleichspannung angepasst wurde, kann es wieder vorkommen, dass die Leistung (entweder positive Leistung oder negative Leistung bei einer Energierekuperation des Antriebs) für die jeweilige Fahraufgabe außerhalb des Leistungsfensters des Energiewandlers fällt, und ein Ausgleichstrom von oder zu dem Energiespeicher erforderlich ist. Dann wird vorzugsweise die Zwischenkreisgleichspannung auf die Leerlaufspannung des Energiespeichers angepasst und danach über die steuerbaren Abkoppelmittel wieder der Energiespeicher mit dem Energiewandler und der elektrischen Antriebsmaschine elektrisch gekoppelt, beispielsweise durch Schießen eines oder mehrerer Schalter zum Energiespeicher.
Vor Ankoppeln wird zunächst entschieden, den Energiespeicher wieder anzukoppeln. Hierzu kann beispielsweise festgestellt werden, dass für die Fahraufgabe sehr wohl eine Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist (beispielsweise unter Auswertung der Leistung der elektrischen Antriebsmaschine), und es kann in diesem Fall entschieden werden, den Energiespeicher wieder anzukoppeln. Die Erforderlichkeit der Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers kann beispielsweise dann festgestellt werden, wenn die Leistung der elektrischen Antriebsmaschine (zuzüglich der Leistung weiterer über den Zwischenkreis zu versorgender Verbraucher) außerhalb des vorstehend diskutierten Leistungsfensters des Energiewandlers liegt. Nachdem positiv entschieden wurde, den Energiespeicher wieder anzukoppeln, wird vor Ankoppeln des Energiespeichers, der Wert der Zwischenkreisspannung auf einen auf die Leerlaufspannung des Energiespeichers angepassten Wert eingestellt. Durch die Anpassung der Zwischenkreisspannung wird verhindert, dass beim Ankoppeln des Energiespeichers durch den Spannungsunterschied ein hoher Ausgleichstrom fließt, der zu Schäden beispielsweise in dem oder den zur Abkopplung verwendeten Schaltern oder in dem Energiespeicher führen könnte.
Vorstehend wurde beschrieben, dass der elektrische Energiespeicher zur Verbesserung der Gesamteffizienz in Fahrzuständen, bei den kein Stromfluss von und zum Energiespeicher nötig ist, abgekoppelt werden kann. Bei abgetrenntem Energiespeicher kann die Zwischenkreisspannung auf ein energetisch günstigeres Spannungsniveau eingestellt werden.
Sobald bei einer hohen positiven Fahrdynamik eine Leistungsabgabe (weil dann die Leistungsaufnahme der Traktionsmaschine die Leistungsabgabe des Energiewandlers übersteigt) oder bei einer hohen negativen Dynamik eine Leistungsaufnahme (z. B. im Fall einer Energierekuperation durch Betrieb der Traktionsmaschine als Generator) von dem Energiespeicher erforderlich wird, und damit ein Zuschalten der Batterie notwendig ist, wird vorzugsweise zunächst die Zwischenkreisspannung auf die Ausgangsspannung der Energiespeichers angepasst. Dieser Vorgang kann mehrere 100 ms dauern und somit eine spürbare Verzögerung für eine positive Dynamikanforderung oder eine negative Dynamikanforderung ergeben.
Um dieses Problem zu vermeiden, kann vorgesehen sein, die Abkoppelung des Energiespeichers grundsätzlich nur in Fahrsituationen zuzulassen, die keine hohe positive oder negative Fahrdynamik erwarten lassen, und bei einer vorausliegenden Fahrsituation mit hoher Fahrdynamik rechtzeitig quasi vorsteuernd noch vor der hohen Dynamikanforderung die Abkopplung des Energiespeichers wieder aufzuheben. Zur Bewertung der vorausliegenden Fahrsituation wird vorzugsweise das Navigationssystem und/oder die Frontkamera verwendet. Es können aber noch weitere Informationsquellen wie beispielsweise die Stellung eines Fahrmodusschalters (z. B. Stellung auf „Sport”) verwendet werden, um eine Fahrsituation mit hoher Fahrdynamik zu erkennen. In erkannten Fahrsituationen ohne hohe Fahrdynamik (d. h. mit hohem Konstantfahranteil) kann die Abkoppelung des Energiespeichers grundsätzlich freigegeben werden und unter den vorstehend diskutierten Bedingungen der Energiespeicher dann auch tatsächlich abgekoppelt werden. Bei Erkennen von wahrscheinlichen in Kürze anstehenden Dynamikanforderungen wird die grundsätzliche Freigabe der Abkopplung des Energiespeichers wieder aufgehoben und ein eventuell bereits abgekoppelter Energiespeicher rechtzeitig wieder angekoppelt.
Es ist daher von Vorteil, wenn im Rahmen des Verfahrens zum Entscheiden, den Energiespeicher wieder anzukoppeln, prognostiziert wird, dass für eine vorausliegende Fahrsituation eine hohe (positive/negative) Fahrdynamik zu erwarten ist. Das Einstellen eines auf die Ausgangspannung des Energiespeichers angepassten Werts der Zwischenkreisgleichspannung und das Ankoppeln des Energiespeichers kann dann zeitlich so frühzeitig erfolgen, dass beides noch vor der erwarteten hohen Fahrdynamik erfolgt, so dass die Dynamikanforderung verzögerungsfrei umgesetzt werden kann.
Es kann für einen vorausliegenden Fahrstreckenabschnitt prognostiziert werden, dass für den vorausliegenden Fahrstreckenabschnitt eine hohe Fahrdynamik zu erwarten ist. Im Fall einer hohen Fahrdynamik kann diesem Fahrstreckenabschnitt ein Abkopplungsverbot zugewiesen werden, so dass in diesem Fahrstreckenabschnitt der Energiespeicher nicht abgekoppelt werden kann. Im Fall keiner erhöhten Fahrdynamik kann diesem Fahrstreckenabschnitt eine grundsätzliche Abkopplungsfreigabe zugewiesen werden. Ob der Energiespeicher in diesem Fahrstreckenabschnitt dann tatsächlich abgekoppelt ist, kann davon abhängig sein, dass bei Erreichen des Fahrstreckenabschnitts keine Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist und optional zusätzlich eine Abkopplung auch aus Energieeffizienzgründen dann auch zweckmäßig ist.
Grundsätzlich kann vorgesehen werden, für einen vorausliegende Fahrstreckenabschnitt zu prognostizieren, dass für diesen Abschnitt die Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist, insbesondere dass für den Fahrstreckenabschnitt die voraussichtliche Leistung der elektrischen Antriebsmaschine (optional zuzüglich der Leistungsaufnahme weiterer über den Zwischenkreis zu versorgender elektrischer Verbraucher) kleiner gleich oder kleiner als ein unterer Grenzwert der Leistung des Energiewandlers oder größer gleich oder gleich als ein oberer Grenzwert der Leistung des Energiewandlers ist. Im Fall dieser Prognose kann diesem Fahrstreckenabschnitt ein Abkopplungsverbot zugewiesen, so dass in diesem Fahrstreckenabschnitt der Energiespeicher nicht abgekoppelt werden kann. Im Fall, dass für diesen Abschnitt die Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers laut Prognose wohl nicht erforderlich ist, kann diesem Fahrstreckenabschnitt eine grundsätzliche Abkopplungsfreigabe zugewiesen werden. Ob der Energiespeicher in diesem Fahrstreckenabschnitt dann tatsächlich auch abgekoppelt ist, kann davon abhängig sein, dass bei Erreichen des Fahrstreckenabschnitts tatsächlich keine Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich und optional zusätzlich eine Abkopplung auch aus Energieeffizienzgründen dann zweckmäßig ist.
Ein zweiter Aspekt betrifft einen seriellen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs, welcher bereits im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung erläutert wurde. Es ist eine Steuereinrichtung zum Steuern der steuerbaren Abkoppelmittel vorgesehen. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, festzustellen, dass für eine Fahraufgabe kein Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist und in Abhängigkeit hiervon zu entscheiden, den Energiespeicher abzukoppeln. In Reaktion auf diese Entscheidung steuert die Steuereinheit direkt oder indirekt die steuerbaren Abkoppelmittel derart an, dass der elektrische Energiespeicher von dem Energiewandler und der elektrischen Antriebsmaschine abgekoppelt wird. Nach Abkoppeln des elektrischen Energiespeichers gibt die Steuereinheit den Mitteln zum Einstellen der am Eingang der Leistungselektronik anliegenden Zwischenkreisgleichspannung einen gegenüber dem ersten Wert veränderten, zweiten Wert der Zwischenkreisgleichspannung mit gegenüber dem ersten Wert der Zwischenkreisgleichspannung erhöhter Energieeffizienz des Verbunds aus Energiewandler und elektrischer Antriebsmaschine vor, den die Mittel zum Einstellen der am Eingang der Leistungselektronik anliegenden Zwischenkreisgleichspannung dann einstellen.
Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für den erfindungsgemäßen Hybridantrieb nach dem zweiten Aspekt der Erfindung. An dieser Stelle nicht explizit beschriebene vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Hybridantriebs entsprechen den beschriebenen vorteilhaften Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. In diesen zeigen:
1 einen beispielhaften seriellen Hybridantrieb;
2 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren;
3 ein erstes Ausführungsbeispiel zur Prüfung des effizienzbezogenen Abkoppelkriteriums; und
4 ein zweites Ausführungsbeispiel zur Prüfung des effizienzbezogenen Abkoppelkriteriums.
In 1 ist ein beispielhafter serieller Hybridantrieb dargestellt. Diese umfasst eine elektrische Antriebsmaschine eAM zum Antreiben des Fahrzeugs mit einer vorgeschalteten Leistungselektronik LE2. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine Mehrphasen-Synchronmaschine mit einem vorgeschalteten Wechselrichter.
Ferner ist ein elektrischer Energiewandler zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen. Der Energiewandler umfasst einen Verbrennungsmotor VM, der ein Drehmoment M_VM und eine Motordrehzahl n_VM aufweist und eine mechanische Leistung P_MECH1 = 2π·M_VM·n_VW erzeugt, sowie einen elektrischen Generator GEN mit einer nachgeschalteten Leistungselektronik LE1 in Form eines Gleichrichter, der diese mechanische Leistung P_MECH1 entgegennimmt und unter gewissen Verlusten P_{V_GEN} in eine elektrische Leistung P_EL1 < P_MECH umwandelt. Die elektrische Leistung P_EL1 kann im Zwischenkreis ZK in eine wiederaufladbare elektrische Batterie BAT und/oder in die elektrische Antriebsmaschine eAM mit der vorgeschalteten Leistungselektronik LE2 gespeist werden. Je nachdem, ob die elektrische Batterie BAT geladen oder entladen wird, nimmt die elektrische Batterie BAT eine elektrische Leistung P_EL2 auf oder gibt diese ab. Je nachdem, ob die elektrische Antriebsmaschine eAM das Fahrzeug mit einem in die gewünschte Fahrtrichtung wirkenden positiven Antriebsmoment M_Trakt beschleunigt oder mit einem entgegen der gewünschten Fahrtrichtung wirkenden negativen Moment M_Trak verzögert, nimmt die elektrische Antriebsmaschine eAM elektrische Leistung P_EL3 auf (und wandelt diese in eine mechanische Leistung P_MECH2 = 2π·M_Trakt·n_Trakt unter der zusätzlichen Verlustleistung P_V,eAM) oder gibt diese elektrische Leistung P_EL3 ab. Ferner ist das Bordnetz BN mit vielen weiteren elektrischen Verbrauchern (z. B. Klimakompressor) zur Versorgung an den Zwischenkreis ZK über einen oder mehrerer DC-DC-Spannungswandler DCDC angekoppelt und nimmt die elektrische Leistung P_EL4 auf.
Die Batterie BAT ist über eine Abkoppeleinheit AKE mit einem oder mehreren elektrisch steuerbaren Schalter, wie beispielsweise Schütze oder Relais, an den Zwischenkreis ZK angekoppelt; im Bedarfsfall kann die Batterie BAT vom Zwischenkreis ZK elektrisch abgekoppelt werden. Im angekoppelten Zustand sind der bzw. die Schalter geschlossen, im abgekoppelten Zustand sind der bzw. die elektrischen Schalter geöffnet. Die Schalterstellung des einen bzw. der mehreren Schalter wird von einer Steuereinheit SE über ein Steuersignal S gesteuert. In 1 sind zwei Schalter dargestellt: ein Schalter zum Abkoppeln der Batterie BAT von dem Knoten ZK+ des Zwischenkreises ZK und ein Schalter zum Abkoppeln der Batterie BAT von dem Knoten ZK– des Zwischenkreises ZK. Es wäre aber auch denkbar, nur einen Schalter (z. B. den Schalter für den Knoten ZK+) zu verwenden, um die Batterie BAT abzukoppeln.
Die Zwischenkreisgleichspannung U_ZK im Zwischenkreis ZK wird bei angekoppelter Batterie BAT im Wesentlichen durch die Spannung der Batterie BAT bestimmt. Der Zwischenkreis ZK umfasst zwei Knoten: den Knoten ZK+ mit einem hohen Potential und den Knoten ZK– mit einem niedrigen Potential. Die Potentialdifferenz zwischen den beiden Knoten ZK+ und ZK– entspricht der Zwischenkreisgleichspannung U_ZK.
Ferner ist eine Spannungsregelung UR zur Regelung der Zwischenkreisgleichspannung mit einem oberen Grenzwert U_ZK,GWo für die Zwischenkreisspannung U_ZK und einem unteren Grenzwert U_ZK,GWu für die Zwischenkreisspannung U_ZK vorgesehen. Die Spannungsregelung UR überwacht, ob die Zwischenkreisgleichspannung U_ZK innerhalb des Spannungsbereiches zwischen dem oberen Grenzwert U_ZK,GWo und dem unteren Grenzwert U_ZK,GWu liegt. Wenn dies der Fall ist, ist die Spannungsregelung UR passiv und greift nicht ein. Wenn die Zwischenkreisgleichspannung U_ZK aber diesen Spannungsbereich verlässt, greift die Spannungsregelung UR so in die Leistungselektronik LE1 des Generators GEN ein, dass die Zwischenkreisgleichspannung U_ZK wieder in den vorgegebenen Spannungsbereich geführt wird.
Der obere Grenzwert U_ZK,GWo für die Zwischenkreisspannung U_ZK und der untere Grenzwert U_ZK,GWu für die Zwischenkreisspannung U_ZK werden von der Steuereinheit SE bestimmt und der Spannungsregelung UR vorgegeben, und liegen beispielsweise bei einer Batteriespannung U_Bat von 360 V bei U_ZK,GWo = 390 V und U_ZK,GWu = 290 V.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt, dessen Ablauf über die Steuereinheit SE gesteuert wird.
In Schritt 100 wird die aktuelle elektrische Leistung P_EL3 der elektrischen Antriebsmaschine eAM bestimmt. Hierzu kann beispielsweise der in die Leistungselektronik LE2 fließende Strom und die Zwischenkreisgleichspannung U_ZK gemessen werden und hieraus die aufgenommene elektrische Leistung P_EL3 berechnet werden. Alternativ kann auch aus der Drehzahl n_Trakt und dem Drehmoment M_Trakt der elektrischen Antriebsmaschine eAM die mechanische Antriebsleistung P_MECH2 = 2π·n_Trakt·M_Trak der elektrischen Antriebsmaschine eAM bestimmt werden und bei Annahme eines bestimmten Wirkungsgrads η_eAM = P_MECH2/P_EL3 der elektrischen Antriebsmaschine eAM basierend auf der mechanischen Antriebsleistung P_MECH2 und dem Wirkungsgrad η_eAM die elektrische Leistung P_EL3 bestimmt werden.
Ferner wird in die Schritt 110 die elektrische Leistung P_EL4 der über den Zwischenkreis ZK versorgten elektrischen Verbraucher bestimmt. Hierzu kann beispielsweise der in den Spannungswandler DCDC fließende Strom und die Zwischenkreisgleichspannung U_ZK gemessen werden und hieraus die aufgenommene elektrische Leistung P_EL4 berechnet werden.
In der Abfrage 120 wird als grundsätzliche Voraussetzung für ein Abkoppeln der Batterie BAT geprüft, ob

(a) die Summe aus der aktuellen elektrischen Leistung P_EL3 und der elektrische Leistung P_EL4 der über den Zwischenkreis ZK versorgten elektrischen Verbraucher kleiner gleich als ein oberer positiver Leistungsgrenzwert P_EL1,max für die Leistung P_EL1 des Generators GEN ist, und
(b) die Summe aus der aktuellen elektrischen Leistung P_EL3 und der elektrische Leistung P_EL4 der über den Zwischenkreis ZK versorgten elektrischen Verbraucher größer gleich als ein unterer positiver Leistungsgrenzwert P_EL1,min für die Leistung P_EL1 des Generators GEN ist.

Sofern die Summe aus der aktuellen elektrischen Leistung P_EL3 und der elektrische Leistung P_EL4 der über den Zwischenkreis ZK versorgten elektrischen Verbraucher größer gleich dem positiven Wert P_EL1,min ist, arbeitet die elektrische Antriebsmaschine eAM nicht als Generator im Rekuperationsbetrieb, da sich ansonsten eine negative elektrische Leistung P_EL3 der elektrischen Antriebsmaschine eAM ergeben würde.
Der obere Grenzwert P_EL1,max beschreibt das Leistungsmaximum des Generators GEN (am Ausgang der Leistungselektronik LE1) und der untere Grenzwert P_EL1,min beschreibt eine Leistungsuntergrenze, bei der noch ein ausreichender Wirkungsgrad erzielt wird, beispielsweise ein Wirkungsgrad von > 30% für den Verbrennungsmotor VM.
Sofern sich in der Abfrage 120 herausstellt, dass die Summe der Leistungen P_EL3 und P_EL4 innerhalb des durch P_EL1,min und P_EL2,max definierten Leistungsbands ist, ist eine grundsätzliche Voraussetzung zum Abkoppeln der Batterie BAT erfüllt (es wird aber verlangt, dass aber noch weitere Voraussetzungen gemäß Abfrage 130 und Abfrage 140 erfüllt sein müssen). Daraufhin wird in der Abfrage 130 geprüft, dass keine hohe Dynamik in der Antriebsleistung vorliegt. Hierbei wird beispielsweise geprüft, dass keine Kickdown-Funktion durch Betätigung eines Kickdownschalters am Fahrpedal ausgelöst wurde, und als Fahrbetriebsmodus beispielsweise kein Sport-Modus (für eine sportliche Fahrweise mit höherer Leistungsdynamik) vom Fahrer ausgewählt wurde. Auf die Abfrage 130 könnte bei einer Modifikation des Ausführungsbeispiels auch verzichtet werden.
Wenn keine Anzeichen für eine hohe Antriebsdynamik vorliegen, wird in Schritt 140 geprüft, ob ein auf die Effizienz des Verbunds aus Generator GEN und Antriebsmaschine eAM bezogenes zusätzliches Abkoppelkriterium erfüllt ist. Dies wird später im Zusammenhang mit den 3 und 4 erläutert.
Wenn das effizienzbezogene Abkoppelkriterium erfüllt ist, wird – sofern die Batterie BAT nicht bereits abgekoppelt ist (s. Abfrage 150) – eine Abkopplung der Batterie BAT ausgelöst (s. Schritt 160). Hierzu wird seitens der Steuereinheit SE durch entsprechende Ansteuerung der Abkoppeleinheit AKE eine Abkopplung der Batterie BAT vom Zwischenkreis ZK ausgelöst, wobei die steuerbaren Schalter der Abkoppeleinheit AKE geöffnet werden. Außerdem wird nach dem Abkoppeln der Batterie BAT in Schritt 170 ein optimierter Wert U_ZK,opt für die Zwischenkreisgleichspannung U_ZK eingestellt, der sich durch eine höhere Energieeffizienz des Verbunds aus Generator GEN (inklusive der nachgeschalteten Leistungselektronik LE1) und elektrischer Antriebsmaschine eAM (inklusive der vorgeschalteten Leistungselektronik LE2) kennzeichnet.
Vor dem Abkoppeln der Batterie BAT wird vorzugsweise der obere Grenzwert U_ZK,GWo für die Spannungsregelung UR auf einen Wert oberhalb der aktuellen, durch die Batteriespannung vorgegebenen Zwischenkreisspannung U_ZK reduziert, z. B. auf U_ZK,GWo = 365 V, und der unter Grenzwert U_ZK,GWu für die Spannungsregelung UR auf einen Wert unterhalb der aktuellen, durch die Batteriespannung vorgegebenen Zwischenkreisspannung U_ZK erhöht, z. B. U_ZK,GWu = 355 V. Dies hat den Vorteil, dass beim späteren Abkoppeln die Spannungsregelung UR schneller reagieren kann. Wenn dann in Schritt 160 die Batterie BAT abgekoppelt wird, läuft die Zwischenkreisspannung U_ZK (beispielsweise ausgehend von 360 V) auf einer der beiden eingestellten Grenzwerte U_ZK,GWo oder U_ZK,GWu zu. Nachdem festgestellt wird, dass die Zwischenkreisspannung U_ZK eine der beiden Grenzwerte U_ZK,GWo oder U_ZK,GWu erreicht hat, werden beide Grenzwerte U_ZK,GWo oder U_ZK,GWu von der Steuereinheit SE auf einen optimalen Wert U_ZK,opt der Zwischenkreisspannung U_ZK gesetzt, so dass die Spannungsregelung UR die Zwischenkreisspannung U_ZK auf den optimalen Wert U_ZK,opt der Zwischenkreisspannung U_ZK einregelt.
Nach Durchführen des Schritts 170 wird das Verfahren wiederholt (s. Sprung zu Schritt 100).
Sofern eine der Voraussetzungen in den Abfragen 120, 130 oder 140 nicht erfüllt ist, wird – sofern die Batterie BAT nicht bereits abgekoppelt ist (s. Abfrage 180) – keine Abkopplung der Batterie BAT ausgelöst und das Verfahren wird wiederholt. Sofern sich in der Abfrage 180 hingegen ergibt, dass die Batterie BAT bereits abgekoppelt ist, wird in Schritt 190 die Zwischenkreisgleichspannung U_ZK auf die Leerlaufspannung der Batterie BAT eingestellt. Hierzu wird die Leerlaufspannung der Batterie BAT bestimmt, woraufhin die Steuereinheit SE die Grenzwerte U_ZK,GWo und U_ZK,GWu auf diese Leerlaufspannung der Batterie BAT setzt. Die Spannungsregelung UR regelt dadurch die Zwischenkreisspannung U_ZK auf die Leerlaufspannung der Batterie BAT. Nachdem die Zwischenkreisspannung U_ZK auf den Wert der Leerlaufspannung der Batterie BAT eingestellt wurde, wird seitens der Steuereinheit SE durch entsprechende Ansteuerung der Abkoppeleinheit AKE eine Ankopplung der Batterie BAT an den Zwischenkreis ZK ausgelöst, wobei die steuerbaren Schalter der Abkoppeleinheit AKE geschlossen werden. Nach dem Erreichen der Batteriespannung wird vor dem Zuschalten der Batterie BAT vorzugsweise der obere Grenzwert U_ZK,GWo wieder leicht angehoben und der untere Grenzwert U_ZK,GWu wieder abgesenkt.
Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel zur Prüfung des effizienzbezogenen Abkoppelkriteriums in Schritt 140 ist in 3 dargestellt. In Schritt 300 wird der aktuelle mechanische Betriebspunkt des Generators GEN, d. h. die aktuelle Drehzahl n_GEN des Generators und das aktuelle Drehmoment M_GEN des Generators GEN, bestimmt. Ferner wird in Schritt 301 der aktuelle mechanische Betriebspunkt der elektrischen Antriebsmaschine eAM bestimmt, d. h. die aktuelle Drehzahl n_Trakt der Antriebsmaschine eAM und das aktuelle Drehmoment M_Trakt der Antriebsmaschine eAM werden bestimmt. In Schritt 310 wird basierend auf einem abgespeicherten Wirkungsgradkennfeld η_GEN(M_GEN, n_GEN, U_ZK) für den Wirkungsgrad η_GEN P_EL1/P_MECH1 des Generators GEN eine Wirkungsgradkennlinie η_GEN(U_ZK) für den Wirkungsgrad η_GEN des Generators GEN in Bezug auf den aktuellen Betriebspunkt des Generators GEN (d. h. n_GEN, M_GEN) bestimmt. Analog wird in Schritt 311 basierend auf einem abgespeicherten Wirkungsgradkennfeld η_eAM(M_Trakt, n_Trakt, U_ZK) für den Wirkungsgrad η_eAM = P_MECH2/P_EL3 der elektrischen Antriebsmaschine eAM eine Wirkungsgradkennlinie η_eAM(U_ZK) für den Wirkungsgrad η_eAM der Antriebsmaschine eAM in Bezug auf den aktuellen Betriebspunkt (d. h. n_Trakt, M_Trakt) der Antriebsmaschine eAM bestimmt. Die beiden Wirkungsgradkennlinien η_GEN(U_ZK) und η_eAM(U_ZK) werden in Schritt 320 zur Bestimmung einer Wirkungsgradkennlinie η_GEN,eAM(U_ZK) = η_GEN(U_ZK)·η_eAM(U_ZK) für den Wirkungsgrad η_GEN,eAM = P_MECH2/P_MECH1 des Verbunds aus Generator GEN und Antriebsmaschine eAM multipliziert.
Basierend auf der Wirkungsgradkennlinie η_GEN,eAM(U_ZK) wird in Schritt 330 der Wirkungsgrad η_GEN,eAM(U_ZK = U_ZK,akt) bei der aktuellen Zwischenkreisspannung U_ZK,akt bestimmt, wobei die aktuelle Zwischenkreisspannung U_ZK,akt durch die Batterie bestimmt wird.
Ferner wird in Schritt 340 das absolute Maximum η_GEN,eAM,max(U_ZK,opt) der Wirkungsgradkennlinie η_GEN,eAM(U_ZK) und der zugehörige Wert U_ZK,opt der Zwischenkreisspannung U_ZK gesucht. Der Wert U_ZK,opt entspricht dem optimalen Wert der Zwischenkreisspannung U_ZK in Bezug auf den Wirkungsgrad η_GEN,eAM des Verbunds aus Generator GEN und elektrischer Antriebsmaschine eAM. Der Wert η_GEN,eAM,max(U_ZK,opt) bei dem optimalen Wert U_ZK,opt der Zwischenkreisspannung U_ZK entspricht dem optimalen Wirkungsgrad.
In der Abfrage 350 wird geprüft, ob der aktuelle Wirkungsgrad η_GEN,eAM(U_ZK = U_ZK,akt) bei der aktuellen Zwischenkreisspannung U_ZK,akt um mehr als den Wert Δ (z. B. mit Δ = 1%) kleiner als der maximal mögliche Wirkungsgrad η_GEN,eAM,max ist, d. h. η_GEN,eAM(U_ZK = U_ZK,akt) < η_GEN,eAM,max(U_ZK,opt) – Δ.
Wenn dies der Fall ist, ist das effizienzbezogene zusätzliche Abkoppelkriterium aus der Abfrage 140 in 2 erfüllt. Wenn dies nicht der Fall ist, ist das effizienzbezogene zusätzliche Abkoppelkriterium aus der Abfrage 140 in 2 nicht erfüllt. Um eine häufiges Hin- und Herschalten der Abkoppeleinrichtung AKE zu verhindern, kann eine zusätzliche Hysterese vorgesehen werden.
In 3 wurde das effizienzbezogene Abkoppelkriterium des Schritts 140 anhand des Wirkungsgrads η_GEN,eAM des Verbunds aus Generator GEN und Antriebsmaschine eAM geprüft. Im Rahmen einer alternativen Ausgestaltung kann das effizienzbezogene Abkoppelkriterium des Schritts 140 anhand der Verlustleistung P_V,GEN,eAM(= P_V,GEN + P_V,eAM) des Verbunds aus Generator GEN und Antriebsmaschine eAM geprüft werden. Ein Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt. Die Schritte 300 und 301 in 3 und 4 entsprechen einander. Die Schritte 310', 311', 320' und 330' in 4 entsprechen den Schritten 310, 311, 320 bzw. 330, wobei jedoch in 4 anstelle des jeweiligen Wirkungsgrads die jeweilige Verlustleistung tritt. Dementsprechend wird in Schritt 340' im Unterschied zu Schritt 340 in 3 das Minimum P_V,GENeAM,min(U_ZK,opt) der Verlustleistungskennlinie P_V,GEN,eAM (U_ZK) der Verlustleistung P_V,GEN,eAM des Verbunds aus Generator GEN und Antriebsmaschine eAM und der zugehörige Wert U_ZK,opt der Zwischenkreisspannung U_ZK gesucht. Der Wert U_ZK,opt entspricht dem optimalen Wert der Zwischenkreisspannung U_ZK in Bezug auf die Verlustleistung P_V,GEN,eAM des Verbunds aus Generator GEN und elektrischer Antriebsmaschine eAM.
In der Abfrage 350' wird geprüft, ob die aktuelle Verlustleistung P_V,GEN,eAM (U_ZK = U_ZK,akt) bei der aktuellen Zwischenkreisspanung um mehr als den Wert Δ (z. B. Δ = 0,1·P_{V,GEN,eAM,min}) größer als die minimal mögliche Verlustleistung P_{V,GEN,eAM,min} ist, d. h. P_V.GEN,eAM(U_ZK = U_ZK,akt) > P_{V,GEN,eAM,min}(U_ZK,opt) + Δ. Wenn dies der Fall ist, ist das effizienzbezogene zusätzliche Abkoppelkriterium aus der Abfrage 140 in 2 erfüllt. Wenn dies nicht der Fall ist, ist das effizienzbezogene zusätzliche Abkoppelkriterium aus der Abfrage 140 in 2 nicht erfüllt. Um eine häufiges Hin- und Herschalten der Abkoppeleinrichtung AKE zu verhindern, kann eine zusätzliche Hysterese vorgesehen werden.
Zusätzlich kann die vorstehend beschriebene Abkoppelfunktion noch um eine Vorausschau erweitert werden. Hierzu können die Eigenschaften der vorausliegenden Fahrstrecke bewertet werden, indem die von dem Navigationssystem bereitgestellten Daten verwendet werden. Diese sind beispielsweise die Steigung und das Gefälle, der Kurvenverlauf, mögliche Geschwindigkeitsbegrenzungen oder Verkehrsbehinderungen. Eine Voraussetzung hierfür ist, dass die voraussichtliche Fahrstrecke des Fahrzeugs bekannt ist.
Beispielsweise kann anhand derartiger Daten des Navigationssystems bezüglich der vorausliegenden Fahrstrecke für die einzelnen vorausliegenden Streckenabschnitte jeweils eine statische elektrische Leistungsaufnahme P_EL3 der elektrischen Antriebsmaschine eAM prognostiziert werden. Die statische mechanische Antriebsleistung P_MECH2 der elektrischen Antriebsmaschine eAM in den einzelnen Streckenabschnitten kann beispielsweise mit Hilfe der bekannten Fahrwiderstände des Fahrzeugs (Luftwiderstand, Rollreibung), des aktuellen Gewichts des Fahrzeugs und der Navigationsdaten der einzelnen Streckenabschnitte (z. B. Gefälle/Steigung, voraussichtliche Fahrgeschwindigkeit, Streckenbegrenzungen) berechnet werden. Aus der statischen mechanischen Antriebsleistung P_MECH2 der elektrischen Antriebsmaschine eAM lässt sich unter Annahme eines Wirkungsgrads η_eAM hieraus eine statische elektrische Antriebsleistung P_EL3 für die einzelnen Streckenabschnitte berechnen.
Wenn eine statische elektrische Antriebsleistung P_EL3 zuzüglich einer prognostizierten elektrischen Leistungsaufnahme P_EL4 der über den Zwischenkreis ZK versorgten übrigen Verbraucher im durch P_EL1,min und P_EL1,max definierten Leitungsbereich des Generators GEN liegt, wird dem jeweiligen Streckenabschnitt eine Abkoppelfreigabe erteilt, andernfalls erhält dieser ein Abkoppelverbot. Eine Abkoppelfreigabe bedeutet noch nicht zwingend, dass die Batterie dann auch später in diesem Streckenabschnitt abgekoppelt ist; hierzu wird dann später jeweils das Vorliegen der Voraussetzungen in den Abfragen 120, 130 und 140 geprüft. Bei einem Abkoppelverbot bedeutet aber, dass in diesem Fahrstreckenabschnitt der Energiespeicher nicht abgekoppelt werden kann (auch wenn später die Voraussetzungen in den Abfragen 120, 130 und 140 erfüllt sind).
Alternativ oder zusätzlich können anhand der Daten des Navigationssystems für den vorausliegenden Streckenverlauf vor dem Fahrzeug liegende Streckenabschnitte mit hoher Dynamik identifiziert werden. Wenn beispielsweise eine vor dem Fahrzeug liegende Kurve erkannt wird, vor der voraussichtlich die Geschwindigkeit reduziert werden muss oder voraussichtlich eine Energierekuperation durchgeführt wird, wird diesem Streckenabschnitt ein Abkoppelverbot erteilt. Wenn eine vor dem Fahrzeug liegende Kurve erkannt wird, nach der voraussichtlich stärker beschleunigt werden muss, wird diesem Streckenabschnitt ein Abkoppelverbot erteilt. Analog kann vor bzw. nach Geschwindigkeitsbegrenzungen oder Verkehrsbehinderungen (z. B. Stau) verfahren werden.
Wurde die vor dem Fahrzeug liegenden Streckenabschnitte hinsichtlich eines Abkoppelverbots oder eine Abkoppelfreigabe bewertet, findet vorzugsweise eine Harmoniesierung statt, bei der mehrere nacheinander liegende Streckenabschnitte mit einem gemeinsamen Abkoppelverbot oder einer Abkoppelfreigabe belegt werden, um einen häufigen Wechsel zwischen Abkoppelverbot und Abkoppelfreigabe zu verhindern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012210596 A1 [0004]
DE 102012211393 A1 [0004]
DE 102012018321 A1 [0004]
DE 102009035483 A1 [0004]
DE 10050379 A1 [0004]
WO 2011/103911 [0004]
EP 0967108 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Abkoppeln eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers (BAT) eines seriellen Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs, wobei der serielle Hybridantrieb – eine elektrische Antriebsmaschine (eAM) zum Antreiben des Fahrzeugs mit einer vorgeschalteten Leistungselektronik (LE2), – einen Energiewandler (VM, GEN, LE1) zur Erzeugung elektrischer Energie für die elektrische Antriebsmaschine und für den elektrischen Energiespeicher, – den mit dem Energiewandler und der Leistungselektronik der elektrischen Antriebsmaschine gekoppelten elektrischen Energiespeicher (BAT); – steuerbare Abkoppelmittel (AKE) zum elektrischen Abkoppeln des elektrischen Energiespeichers von dem Energiewandler und der elektrischen Antriebsmaschine; und – Mittel (UR, SE) zum Einstellen der am Eingang der Leistungselektronik anliegenden Zwischenkreisgleichspannung (UZK) bei abgekoppeltem Energiespeicher; umfasst, und vor dem Abkoppeln des Energiespeichers ein erster Wert (U_ZK,akt) der Zwischenkreisgleichspannung (U_ZK) am Eingang der Leistungselektronik (LE2) anliegt, mit den Schritten: – Feststellen (120), dass für eine Fahraufgabe keine Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist und in Abhängigkeit hiervon Entscheiden, den Energiespeicher abzukoppeln; – in Reaktion hierauf, Ansteuern (160) der steuerbaren Abkoppelmittel derart, dass der elektrische Energiespeicher von dem Energiewandler und der elektrischen Antriebsmaschine abgekoppelt wird; und – nach Abkoppeln des elektrischen Energiespeichers, Einstellen (170) eines gegenüber dem ersten Wert veränderten, zweiten Werts (U_ZK,opt) der Zwischenkreisgleichspannung (U_ZK) mit gegenüber dem ersten Wert (U_ZK,akt) der Zwischenkreisgleichspannung (U_ZK) erhöhter Energieeffizienz des Verbunds aus Energiewandler und elektrischer Antriebsmaschine.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Feststellen, dass für eine Fahraufgabe keine Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist, in der Weise erfolgt, dass festgestellt wird, dass für die Fahraufgabe die Leistung (P_EL3) der elektrischen Antriebsmaschine, optional zuzüglich der Leistung (P_EL4) weiterer elektrischer Verbraucher, die über den Zwischenkreis (ZK) mit elektrischer Leistung versorgt werden, – größer oder größer gleich als ein unterer Grenzwert (P_EL1,min) der Leistung des Energiewandlers und – kleiner oder kleiner gleich als ein oberer Grenzwert (P_EL1,max) der Leistung des Energiewandlers ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – für die Fahraufgabe bei dem ersten Wert (U_ZK,akt) der Zwischenkreisgleichspannung (U_ZK) der Wert (η_GEN,eAM(U_ZK = U_ZK,akt); P_V,GEN,eAM(U_ZK = U_ZK,akt)) einer Größe ermittelt wird, die mit der Energieeffizienz des Verbunds aus Energiewandler und elektrischer Antriebsmaschine oder eines Teils hiervon im Zusammenhang steht; und – der Schritt des Entscheidens, den Energiespeicher abzukoppeln, in Abhängigkeit dieses Werts der Größe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Größe der Wirkungsgrad oder die Verlustleistung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3–4, wobei – für die Fahraufgabe bei einem optimalen Wert (U_ZK,opt) der Zwischenkreisgleichspannung (U_ZK) ein Wert (η_GEN,eAM,max; P_{V,GEN,eAM,min}) der Größe ermittelt wird, die mit der Energieeffizienz des Verbunds aus Energiewandler und elektrischer Antriebsmaschine oder eines Teils hiervon in Zusammenhang steht; und – der Schritt des Entscheidens, den Energiespeicher abzukoppeln, in Abhängigkeit – des Werts (η_GEN,eAM(U_ZK = U_ZK,akt); P_V,GEN,eAM(U_ZK = U_ZK,akt)) der Größe bei dem ersten Wert der Zwischenkreisgleichspannung, und – des Werts (η_GEN,eAM,max; P_{V,GEN,eAM,min}) der Größe bei dem optimalen Wert der Zwischenkreisgleichspannung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der Energiewandler einen Verbrennungsmotor (VM) und einen Generator (GEN) mit einer nachgeschalteten Leistungselektronik (LE1) umfasst, und – der Schritt des Entscheidens, den Energiespeicher abzukoppeln, in Abhängigkeit – der Drehzahl (n_GEN) des Generators oder einer hiervon abhängigen Größe, – der Drehzahl (n_Trakt) der Antriebsmaschine oder einer hiervon abhängigen Größe, – des Drehmoments (M_GEN) des Generators oder einer hiervon abhängigen Größe und/oder – des Drehmoments (M_Trakt) der Antriebsmaschine oder einer hiervon abhängigen Größe erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die nach Entscheiden, den Energiespeicher abzukoppeln, durchgeführten Schritte: – Entscheiden, den Energiespeicher wieder anzukoppeln; – vor Ankoppeln des Energiespeichers, Einstellen (190) eines auf die Ausgangspannung des Energiespeichers angepassten Werts der Zwischenkreisgleichspannung; und – Ansteuern (200) der steuerbaren Abkoppelmittel derart, dass der elektrische Energiespeicher wieder mit dem Energiewandler und der elektrischen Antriebsmaschine elektrisch gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Entscheidens, den Energiespeicher wieder anzukoppeln, umfasst: – Prognostizieren, dass für eine vorausliegende Fahrsituation eine hohe Fahrdynamik zu erwarten ist, und das Einstellen eines auf die Ausgangspannung des Energiespeichers angepassten Werts der Zwischenkreisgleichspannung und das Ankoppeln des Energiespeichers noch vor der erwarteten hohen Fahrdynamik erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – für einen vorausliegende Fahrstreckenabschnitt prognostiziert wird, dass für den vorausliegenden Fahrstreckenabschnitt eine erhöhte Fahrdynamik zu erwarten ist, und – im Fall einer erhöhten Fahrdynamik diesem Fahrstreckenabschnitt ein Abkopplungsverbot zugewiesen wird, so dass in diesem Fahrstreckenabschnitt der Energiespeicher nicht abgekoppelt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – für einen vorausliegende Fahrstreckenabschnitt prognostiziert wird, dass die Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist, insbesondere dass für den Fahrstreckenabschnitt die voraussichtliche Leistung (P_EL3) der elektrischen Antriebsmaschine, optional zuzüglich der voraussichtlichen Leistung (P_EL4) weiterer elektrischer Verbraucher, die über den Zwischenkreis mit elektrischer Leistung versorgt werden, – kleiner gleich oder kleiner als ein unterer Grenzwert (P_EL1,min) der Leistung des Energiewandlers oder – größer gleich oder gleich als ein oberer Grenzwert (P_EL1,max) der Leistung des Energiewandlers ist, und – im Fall dieser Prognose diesem Fahrstreckenabschnitt ein Abkopplungsverbot zugewiesen wird, so dass in diesem Fahrstreckenabschnitt der Energiespeicher nicht abgekoppelt werden kann.
Serieller Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs, wobei der serielle Hybridantrieb – eine elektrische Antriebsmaschine (eAM) zum Antreiben des Fahrzeugs mit einer vorgeschalteten Leistungselektronik (LE2), – einen Energiewandler (VM, GEN, LE1) zur Erzeugung elektrischer Energie für die elektrische Antriebsmaschine und für den elektrischen Energiespeicher, – den mit dem Energiewandler und der Leistungselektronik der elektrischen Antriebsmaschine gekoppelten elektrischen Energiespeicher (BAT), – steuerbare Abkoppelmittel (AKE) zum elektrischen Abkoppeln des elektrischen Energiespeichers von dem Energiewandler und der elektrischen Antriebsmaschine, – Mittel (UR) zum Einstellen der am Eingang der Leistungselektronik anliegenden Zwischenkreisgleichspannung bei abgekoppeltem Energiespeicher und – eine Steuereinrichtung (SE) zum Steuern der steuerbaren Abkoppelmittel umfasst, und vor dem Abkoppeln des Energiespeichers ein erster Wert (U_ZK,akt) der Zwischenkreisgleichspannung (U_ZK) am Eingang der Leistungselektronik (LE2) anliegt, wobei die Steuereinrichtung (SE) eingerichtet ist, – festzustellen, dass für eine Fahraufgabe kein Ab- oder Aufnahme elektrischer Leistung seitens des Energiespeichers erforderlich ist und in Abhängigkeit hiervon zu entscheiden, den Energiespeicher abzukoppeln, – in Reaktion hierauf die steuerbaren Abkoppelmittel derart anzusteuern, dass der elektrische Energiespeicher von dem Energiewandler und der elektrischen Antriebsmaschine abgekoppelt wird, und – nach Abkoppeln des elektrischen Energiespeichers einen gegenüber dem ersten Wert veränderten, zweiten Wert (U_ZK,opt) der Zwischenkreisgleichspannung mit gegenüber dem ersten Wert der Zwischenkreisgleichspannung erhöhter Energieeffizienz des Verbunds aus Energiewandler und elektrischer Antriebsmaschine den Mitteln zum Einstellen der am Eingang der Leistungselektronik anliegenden Zwischenkreisgleichspannung vorzugeben.