DE102007017021A1

DE102007017021A1 - Energierückgewinnung bei Hybridfahrzeugen

Info

Publication number: DE102007017021A1
Application number: DE102007017021A
Authority: DE
Inventors: Szabolcs Dr. Dr.-Ing. Törgyekes
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft die Rückgewinnung der kinetischen und/oder potentiellen Energie bei Hybridfahrzeugen, insbesondere bei Plug-In Hybridfahrzeugen. Es wird vorgeschlagen, dass bei hohen inneren Widerstandswerten der Traktionsbatterie die durch die Rekuperation zurückgewonnene Energie über eine mit der Traktionsbatterie parallel verlaufenden Verbindung oder Verbindungen von der Elektromaschine (3) direkt zu leistungsstarken elektrischen Verbrauchern geleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückgewinnung der kinetischen und/oder potentiellen Energie bei Hybridfahrzeugen, insbesondere bei Plug-In Hybridfahrzeugen. Die Rückgewinnung wird auch als Rekuperation bezeichnet und betrifft allgemein die Rückgewinnung von Energie, zum Beispiel bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen, die beim Abbremsen oder Verzögern elektrischen Strom erzeugen und in einer Batterie und/oder in einem oder mehreren Kondensatoren speichern. Eine Anwendung findet sich beispielsweise im Zusammenhang mit der elektromotorischen Bremse.
Das Traktionsbatteriesystem von Hybridfahrzeugen, insbesondere vom Typ Plug-In, wird entsprechend der maximal vorgesehenen rein elektrisch gefahrenen Streckenlänge ausgelegt. Sie kann unter Umständen bis zu 30 km (mit effizienterer und größerer Batterie künftig sogar deutlich mehr) betragen und setzt bei Plug-In Hybridfahrzeugen im Vergleich zu Micro-, Mild- oder Full-Hybridfahrzeugen eine wesentlich höhere Batteriespeicherkapazität voraus. Durch die hohe Speicherkapazität befindet sich die Traktionsbatterie vor allem am Anfang ihrer betriebsbedingten Entladung (beim Fahrzeugstart unmittelbar nach dem Ladevorgang) relativ lange Zeit in den mit hohen inneren widerstandswerten verbundenen Betriebszuständen und damit für die Rekuperation im energetisch ungünstigen Bereich.
Um kinetische oder potentielle Energie des Fahrzeugs bei Verzögerungen oder Bergabfahrten mit möglichst hohem Wirkungsgrad zurückgewinnen zu können, wird deshalb nach dem Stand der Technik die Traktionsbatterie gleich am Anfang der zwischen zwei Aufladungen zurückzulegenden Strecke über rein elektrische Fahrten stark entladen (in der Regel um ca. 50%). Danach wird das Plug-In Hybridfahrzeug im für die Rekuperation günstigeren Vollhybridmodus weiterbetrieben, mit der Konsequenz, dass dabei nur noch kürzere Streckenabschnitte (in der Regel bis zu 5 km) rein elektrisch gefahren werden können.
Es besteht also das technische Problem der Verringerung des Wirkungsgrads bei der Rückgewinnung der kinetischen und/oder potentiellen Energie aufgrund von Ladungsverlusten durch den hohen inneren Widerstand der vollgeladenen Traktionsbatterie.
Die aus Patenten bekannten Lösungen sind hinsichtlich der Steuerung von Hybridfahrzeugen nachteilig. Es ist keine Lösung zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Energiespeicherung während der bei hohen inneren Widerstandwerten der Traktionsbatterie stattfindenden Rekuperation bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus energetischer Sicht verbesserte Rekuperation bei hohen inneren Widerstandwerten der Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verfahren zur Rückgewinnung der kinetischen und/oder potentiellen Energie bei Hybridfahrzeugen, insbesondere bei Plug-In Hybridfahrzeugen, weisen also die Besonderheit auf, dass bei hohen inneren Widerstandswerten der Traktionsbatterie die durch die Rekuperation zurück gewonnene Energie über eine oder mehrere mit der Traktionsbatterie parallel verlaufenden Verbindung oder Verbindungen von der Elektromaschine direkt zu leistungsstarken elektrischen Verbrauchern geleitet wird, wodurch die aus dem hohen inneren Widerstand der vollgeladenen Traktionsbatterie verursachten Ladungsverluste verringert und der Wirkungsgrad der Rekuperation verbessert wird.
Bei der Erfindung erfolgt somit eine direkte Zuführung rekuperierter Energie bei hohen inneren Widerstandswerten der Traktionsbatterie über die mit Traktionsbatterie parallel verlaufende Verbindung von Elektromaschine an ausgewählte leistungsstarke elektrische Verbraucher (z.B. elektrische Heizmodule in Wasser-/Ölkreislauf/Abgasanlage sowie in Fahrgast-/Koffer-/Ladungsraum, Hochdruck-/Unterdruckpumpen, etc.). Die Steuerung oder Überwachung der Aktivierung/Deaktivierung direkter elektrischer Verbindungen zwischen elektrischen Großverbrauchern und der Elektromaschine erfolgt bei Rekuperation über Wirkungsgradwerte für Batterieladung/-entladung und für Elektromaschine durch ein eigenes und/oder Hybridsteuergerät und/oder Steuergeräte von anderen elektrischen Verbrauchern, insbesondere Großverbrauchern. Dabei kann eine Anwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz wie neuronale Netze und/oder Fuzzy-Logik erfolgen.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein verlustträchtiger elektrischer Speichervorgang während der Rekuperation bei hohen inneren Widerstandswerten der Traktionsbatterie unterbunden wird. Das Verbrauchs-, Emissions- und Verschleißverhalten des konventionellen Teils des Hybridantriebsstrangs wird optimiert, der Fahrkomfort im Fahrgastraum und die Transportbedingungen im Koffer-/Laderaum werden durch Zuheizung verbessert.
Erfindungsgemäß wird bei hohen inneren Widerstandswerten der Traktionsbatterie die durch die Rekuperation zurück gewonnene Energie über eine oder mehrere mit der Traktionsbatterie parallel verlaufenden Verbindung als Vorrichtung von der Elektromaschine direkt zu leistungsstarken elektrischen Verbrauchern geleitet und damit der verlustträchtige elektrische Speichervorgang weitgehend unterbunden. Solche Verbraucher sind vor allem elektrische Heizmodule (z.B. PT-Elemente) im Wasser- und Ölkreislauf bzw. in der Abgasanlage (insbesondere in den Katalysatoren) des Verbrennungsmotors, die durch ihren Wärmebeitrag zur Verbesserung der Verbrennungsvorgänge und somit zur Senkung der Abgasemissionen und/oder Geräuschemissionen und/oder zur Senkung des Materialverschleißes und/oder zur Erhöhung des Laufkomforts des Antriebsstrangs beitragen. Weitere zuschaltbare leistungsstarke elektrische Verbraucher stellen elektrische Heizmodule (z.B. PT-Elemente) im Fahrgast-, Koffer- und Ladungsraum des Fahrzeugs dar, die einen höheren Fahrkomfort und bessere Transportbedingungen ermöglichen. Zusätzlich kann die bei hohen inneren Widerstandswerten der Traktionsbatterie rekuperierte kinetische und/oder potentielle Energie zur Aufladung des Druckbehälters der pneumatischen Bremsanlage, zur Unterdruckerzeugung bei der hydraulischen Bremsanlage, zur Druckerzeugung für die Lenkhilfeanlage und zum Antrieb des Klimakompressors verwendet werden.
Sobald der innere Widerstand der Traktionsbatterie durch die Entladung auf den vordefinierten Wert sinkt, wird die direkte elektrische Verbindung oder die direkten elektrischen Verbindungen zwischen den elektrischen Großverbrauchern und der Elektromaschine geöffnet und die über Rekuperation zurück gewonnene kinetische und/oder potentielle Energie unmittelbar in der Traktionsbatterie gespeichert. Die Parallelschaltung der elektrischen Großverbraucher und der Traktionsbatterie wird jedoch wieder aktiviert sobald der innere Widerstand der Traktionsbatterie durch die Aufladung auf einen vordefinierten Wert ansteigt.
In die Ermittlung des aktuellen inneren Widerstandes der Traktionsbatterie können weitere Batterieparameter, wie z.B. Batterietemperatur, -alter, -wartungszustand etc. einbezogen werden. Der aktuelle innere Widerstand der Traktionsbatterie kann dabei sowohl gemessen als auch geschätzt und/oder modelliert werden (z.B. mit Methoden der künstlichen Intelligenz wie neuronale Netzte und/oder Fuzzy-Logik).
Zur Steuerung und Überwachung der Aktivierung/Deaktivierung der direkten elektrischen Verbindung oder den elektrischen Verbindungen zwischen den elektrischen Großverbrauchern und der Elektromaschine bei Rekuperation werden die Wirkungsgradwerte für Batterieladung/-entladung und für die Elektromaschine in einem eigenen und/oder im Hybridsteuergerät und/oder in Steuergeräten von anderen elektrischen, vorzugsweise Großverbrauchern permanent ermittelt. Dabei werden Methoden der künstlichen Intelligenz wie neuronale Netze und/oder Fuzzy-Logik eingesetzt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen.
Dabei zeigt:
1 eine Parallelschaltung leistungsstarker elektrischer Verbraucher mit der Traktionsbatterie bei Rekuperation mit hohen inneren Widerständen der Traktionsbatterie.
Die 1 zeigt ein Funktionsschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Parallelschaltung leistungsstarker elektrischer Verbraucher mit der Traktionsbatterie bei Rekuperation mit hohen inneren Widerständen der Traktionsbatterie.
Die von dem Rad 1 eines Hybridfahrzeugs rückgewonnene Energie wird über das Getriebe 2 einer Elektromaschine 3 zugeführt. Über einen Inverter 4 gelangt die Energie mittels einer geeigneten Steuerung zu einem oder mehreren der folgenden Verbraucher: Batterie 5, Heizmodul Wasserkreislauf 6, Heizmodul Ölkreislauf 7, Heizmodul Abgasanlage 8, Heizmodul Fahrgastraum 9, Heizmodul Kofferraum 10, Heizmodul Laderaum 11, Kompressor pneumatische Bremse 12, Unterdruckpumpe hydraulische Bremse 13, Unterdruckpumpe Lenkhilfeanlage 14, Kompressor Klimaanlage 15.
Das Plug-In Hybridfahrzeug wird beispielsweise jeden Tag zur Auslieferung von Briefen bzw. Paketen im städtischen Verteilerverkehr unter schwierigen topographischen Bedingungen eingesetzt. Dabei fährt es jeden Morgen vom städtischen Verteilerzentrum mit voller Traktionsbatterie los und kommt am Nachmittag in dasselbe Verteilerzentrum mit leerer Traktionsbatterie zurück. Die leere Traktionsbatterie des Plug-In Hybridfahrzeugs wird jede Nacht über das elektrische Netz wieder aufgeladen.
Im inhomogenen städtischen Verkehr muss das Fahrzeug direkt nach dem Verlassen des Verteilungszentrums bei häufigen Start-/Stopp- sowie Beschleunigungs-/Verzögerungsvorgängen auf starken Steigungs-/Gefällstrecken instationär fahren. Um bei noch voller Traktionsbatterie die über Rekuperation zurück gewonnene kinetische und potentielle Energie bestmöglich verwerten zu können, werden die im Wasser- und Ölkreislauf sowie in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors eingebauten elektrischen Heizmodule über eine oder mehrere mit der Traktionsbatterie parallel verlaufenden Verbindung während der rein elektrischen Fahrt zum Aufwärmen des Verbrennungsmotors eingesetzt. Dadurch werden bessere Abgasemissions-, Geräuschemissions-, Verschleiß- Laufkomfort- und Verbrauchswerte beim ladungszustandsbedingten Starten des konventionellen Antriebsstrangs des Plug-In Hybridfahrzeugs erreicht. Die durch die reine elektrische Fahrt aus der Traktionsbatterie verbrauchte Energiemenge führt dann zu einer Senkung des inneren Widerstands der Traktionsbatterie, wodurch die direkte Verbindung oder den direkten elektrischen Verbindungen zwischen den leistungsstarken elektrischen Verbrauchern und der Elektromaschine deaktiviert und die bei der weiteren städtischen Fahrt rekuperierte elektrische Energie mit geringeren Verlusten unmittelbar in der Traktionsbatterie gespeichert wird.

1: Rad
2: Getriebe
3: Elektromaschine
4: Inverter
5: Batterie
6: Heizmodul Wasserkreislauf
7: Heizmodul Ölkreislauf
8: Heizmodul Abgasanlage
9: Heizmodul Fahrgastraum
10: Heizmodul Kofferraum
11: Heizmodul Laderaum
12: Kompressor pneumatische Bremse
13: Unterdruckpumpe hydraulische Bremse
14: Unterdruckpumpe Lenkhilfeanlage
15: Kompressor Klimaanlage

Claims

Verfahren zur Rückgewinnung der kinetischen und/oder potentiellen Energie bei Hybridfahrzeugen, insbesondere bei Plug-In Hybridfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass bei hohen inneren Widerstandswerten der Traktionsbatterie die durch die Rekuperation zurück gewonnene Energie über eine oder mehrere mit der Traktionsbatterie parallel verlaufenden Verbindung oder Verbindungen von der Elektromaschine (3) direkt zu leistungsstarken elektrischen Verbrauchern geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die aktivierte direkte Verbindung oder durch die aktiven direkten Verbindungen zwischen den leistungsstarken elektrischen Verbrauchern und der Elektromaschine (3) der verlustträchtige elektrische Speichervorgang weitgehend unterbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Elektromaschine (3) direkt verbundenen leistungsstarken elektrischen Verbraucher elektrische Heizmodule sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Elektromaschine direkt verbundenen leistungsstarken elektrischen Verbraucher PT-Elemente sind.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Heizmodule im Wasser- und/oder Ölkreislauf und/oder in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Elektromaschine (3) direkt verbundenen elektrischen Heizmodule mit ihren Wärmebeiträgen zur Verbesserung der Verbrennungsvorgänge und somit zur Senkung der Abgas- und/oder Geräusch- und/oder Materialverschleißemissionen und/oder Laufkomfort des Antriebstrangs beitragen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Elektromaschine (3) direkt verbundenen leistungsstarken elektrischen Verbraucher elektrische Heizmodule im Fahrgast-, Koffer- und/oder Ladungsraum des Fahrzeugs sind.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Elektromaschine (3) direkt verbundenen elektrischen Heizmodule mit ihren Wärmebeiträgen ein höherer Fahrkomfort oder bessere Transportbedingungen ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Elektromaschine (3) direkt verbundenen leistungsstarken elektrischen Verbraucher zur Aufladung des Druckbehälters der pneumatischen Bremsanlage benutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Elektromaschine (3) direkt verbundenen leistungsstarken elektrischen Verbraucher zur Unterdruckerzeugung bei der hydraulischen Bremsanlage verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Elektromaschine (3) direkt verbundenen leistungsstarken elektrischen Verbraucher zur Druckerzeugung für eine Lenkhilfeanlage dienen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Elektromaschine (3) direkt verbundenen leistungsstarken elektrischen Verbraucher zum Antrieb des Klimakompressors benutzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sobald der innere Widerstand der Traktionsbatterie durch die Entladung auf den vordefinierten Wert sinkt, die bestehende direkte elektrische Verbindung oder den bestehenden direkten elektrischen Verbindungen zwischen den elektrischen Großverbrauchern und der Elektromaschine (3) geöffnet und die über Rekuperation zurück gewonnene kinetische und/oder potentielle Energie unmittelbar in der Traktionsbatterie gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sobald der innere Widerstand der Traktionsbatterie durch die Aufladung auf einen vordefinierten Wert ansteigt, die Parallelschaltung der elektrischen Großverbraucher und der Traktionsbatterie wieder aktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung und Überwachung der Aktivierung/Deaktivierung der definierten direkten elektrischen Verbindung oder den bestehenden direkten elektrischen Verbindungen zwischen den elektrischen Großverbrauchern und der Elektromaschine (3) bei Rekuperation die Wirkungsgradwerte für Batterieladung und/oder -entladung und für die Elektromaschine (3) in einem eigenen und/oder im Hybridsteuergerät und/oder in Steuergeräten anderer elektrischer Verbraucher, insbesondere Großverbraucher permanent ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Steuerung und Überwachung der Aktivierung/Deaktivierung der direkten elektrischen Verbindung oder den bestehenden direkten elektrischen Verbindungen zwischen den elektrischen Großverbrauchern und der Elektromaschine (3) bei Rekuperation Methoden der künstlichen Intelligenz, insbesondere wie neuronale Netze und/oder Fuzzy-Logik eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des aktuellen inneren Widerstandes der Traktionsbatterie Batterieparameter, wie z.B. Batterietemperatur, -alter, -wartungszustand etc. einbezogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle innere Widerstand der Traktionsbatterie gemessen und/oder geschätzt und/oder modelliert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle innere Widerstand der Traktionsbatterie mit Methoden der künstlichen Intelligenz wie neuronalen Netzten und/oder Fuzzy-Logik bestimmt wird.
Vorrichtung zur Rückgewinnung der kinetischen und/oder potentiellen Energie bei Hybridfahrzeugen, insbesondere bei Plug-In Hybridfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass bei hohen inneren Widerstandswerten der Traktionsbatterie die durch die Rekuperation zurück gewonnene Energie über eine mit der Traktionsbatterie parallel verlaufenden Verbindung von der Elektromaschine (3) direkt zu leistungsstarken elektrischen Verbrauchern geleitet wird.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgebildet ist.
Hybrid-Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 17 zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist.
Hybrid-Kraftfahrzeug nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass es ein Micro-, Mild-, Full- oder Plug-In Hybridfahrzeug ist.