DE102007021588B4

DE102007021588B4 - Verfahren und System zur Fahrzeugbatterieladesteuerung

Info

Publication number: DE102007021588B4
Application number: DE102007021588.8A
Authority: DE
Inventors: Yunfei Luan; Damon R. Frisch; Chihsiung Lo; Goro Tamai
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2019-07-18
Anticipated expiration: 2027-05-09
Also published as: US7834582B2; CN101071888B; CN101071888A; DE102007021588A1; US20070262749A1

Abstract

Steuerungssystem für ein Ladesystem, das dazu dient, ein elektrisches Energiespeichersystem eines Fahrzeugs mit einem Hybridvortriebssystem, welches eine Verbrennungsmaschine umfasst, die dazu dient, einen Antriebsstrang des Fahrzeugs mit einem Vortriebsdrehmoment zu versorgen, und dazu dient, das Ladesystem mit einem Ladedrehmoment zu versorgen, mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassend, dass das Steuerungssystem dazu dient:
einen Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems zu ermitteln;
eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu ermitteln;
eine Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine anhand des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems sowie der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und unter Verwendung einer Kalibrierung, die eine Beziehung zwischen dem Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine als eine Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeugs angibt, zu ermitteln; und
einen Betrieb des Ladesystems auf der Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems, der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine zu steuern.

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Hybridfahrzeugvortriebssysteme und insbesondere Systeme und Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Ladens von elektrischen Energiespeichersystemen für Hybridfahrzeugvortrie bssysteme.
Ein mit einem Hybridvortriebssystem ausgestattetes Fahrzeug, d.h. ein Fahrzeug, das einen Elektromotor und eine Verbrennungsmaschine umfasst, arbeitet typischerweise durch ein selektives Verwenden des Elektromotors und der Verbrennungsmaschine in dem Antriebsstrang, um das Fahrzeug anzutreiben. Ein derartiges Hybridvortriebssystem, das als Fahrzeug-Stopp/Start-System bezeichnet wird, umfasst ein System, welches die Verbrennungsmaschine während eines Fahrzeugleerlaufs/ -stopps ausschaltet und ein frühes Unterbrechen der Kraftstoffzufuhr zu der Maschine während Geschwindigkeitsabnahmen ermöglicht. Wenn anschließend ein Bediener die Drossel antippt, um das Fahrzeug zu beschleunigen, veranlasst ein Steuerungssystem den Elektromotor unter Verwendung von elektrischer Energie, die in einer Hochspannungsbatterie gespeichert ist, die Verbrennungsmaschine anzukurbeln, wenn eine Maschinendrehzahl unter einer gewissen Schwelle liegt. Diese Arbeitsweise beabsichtigt, bei einem Stopp-and-Go-Fahren eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu schaffen. Die Hochspannungsbatterie erfordert ein Wiederaufladen, um die durch den Elektromotor verbrauchte gespeicherte elektrische Energie wieder aufzufüllen.
Ein beispielhaftes Hybridsystem, das zur Verwirklichung eines Fahrzeugstopp/start-Betriebs entworfen wurde, umfasst ein riemengetriebenes Generator-Anlasser-System (BAS-System). Das Hybridsystem kombiniert ausgefeilte Maschinensteuerungen mit einem Präzisions-Elektromotor/Generator. Bei einem derartigen System sind ein regeneratives Bremsen und ein effizientes elektrisches Laden umfasst. Eine einzige 36 Volt Batterie stellt elektrische Energie bereit, wodurch sie das existierende elektrische 12 Volt System erweitert. Alles Fahrzeugzubehör und alle Insassenkomfortsysteme, wie z.B. eine Klimaanlage, funktionieren auch während der Zeitspannen, wenn die Maschine automatisch gestoppt ist. Das BAS-System kann bei 4- und 6-Zylindermaschinen mit minimaler Auswirkung auf die Maschinen- und Getriebearchitekturen verwendet werden.
Es ist selbstverständlich, dass ein Aufrechterhalten des Ladezustands („SOC“ von state of charge) des elektrischen Energiespeichersystems, z.B. der Hochspannungsbatterie, wichtig ist. Eine übermäßige Entladung des Batterieladezustands verkürzt typischerweise eine Batterielebensdauer, wohingegen ein Überladen der Batterie unnötigerweise Kraftstoff verbraucht, wodurch eine effektive Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs verringert wird.
Frühere Anstrengungen zur Steuerung des Batterieladens umfassen das Nullstromladen oder „tröpfelnde Laden“, wobei ein kontinuierliches Laden der Batterie bei einem Strom von nahezu Null stattfindet. Bei leichten Belastungen einer Motor-Generator-Einheit (MGU von motor-generator unit) arbeitet die Batterieladeeinheit nicht mit optimaler Effizienz, wodurch unnötig Energie verbraucht wird. Darüber hinaus werden Gelegenheiten zu einem vollständigeren Laden der Batterie bei höheren Maschineneffizienzen aufgrund von strombegrenzenden Merkmalen des Nullstromsystems versäumt.
Die Druckschrift DE 195 05 431 A1 beschreibt ein Steuerungssystem für ein Ladesystem, das dazu dient, ein elektrisches Energiespeichersystem eines Fahrzeugs mit einem Hybridvortriebssystem mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Betrieb des Ladesystems wird auf der Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems, der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine gesteuert.
Es ist bei einem hybridelektrischen Fahrzeug wichtig, das Batterieladen zu optimieren, die Batterielebensdauer zu maximieren und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs zu maximieren. Die offenbarte Erfindung schafft durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche ein optimiertes Batterieladen, das die voranstehend erwähnten Belange berücksichtigt.
Offenbart wird eine Strategie und ein System zum elektrischen Laden für ein elektrisches Hochspannungsenergiespeichersystem, welches geeignet ist, um ein Hybridfahrzeug mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Strategie und das System zum elektrischen Laden laden das elektrische Energiespeichersystem, um sicherzustellen, dass ein Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems am Ende einer Reise oder eines Fahrzyklus im Wesentlichen gleich dem Ladezustand zu Beginn der Reise ist. Die Strategie und das System zum elektrischen Laden verwendet vorzugsweise ein Gelegenheitsladen, um eine maximale Energieeffizienz des Hybridsystems zu erreichen, wodurch der Kraftstoffverbrauch minimiert und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit maximiert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und ein Steuerungssystem für ein Ladesystem vorgeschlagen, welches dazu dient, elektrische Energie zum Speichern in einem elektrischen Energiespeichersystem eines Fahrzeugs bereitzustellen, das ein Hybridvortriebssystem aufweist, welches eine Verbrennungsmaschine umfasst. Die Verbrennungsmaschine dient dazu, einen Fahrzeugantriebsstrang mit einem Vortriebsdrehmoment zu versorgen, und sie dient dazu, das Ladesystem mit einem Ladedrehmoment zu versorgen. Das Steuerungssystem dient dazu, einen Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems zu ermitteln und eine Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine zu ermitteln. Der Betrieb des Ladesystems wird gesteuert auf der Grundlage von: dem Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine.
Die Erfindung umfasst ferner, dass das Steuerungssystem dazu dient, eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu ermitteln und einen Betrieb des Ladesystems zu steuern auf der Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems, der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine und der Fahrzeuggeschwindigkeit.
Die Erfindung umfasst ferner, dass das Steuerungssystem dazu dient, einen Arbeitspunkt der Verbrennungsmaschine zu ermitteln und einen Betrieb des elektrischen Ladesystems zu steuern auf der Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems, der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine und des Maschinenarbeitspunkts.
Ein anderer Aspekt der Erfindung umfasst, dass das Steuerungssystem dazu dient, das elektrische Ladesystem selektiv zu betreiben, wenn eine Änderung der Betriebseffizienz aufgrund eines Betriebs des elektrischen Ladesystems einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Ein anderer Aspekt der Erfindung umfasst, dass das Steuerungssystem dazu dient, einen Maschinenbetriebsbereich, bei dem das elektrische Ladesystem arbeitet, auf der Grundlage einer Abnahme des Ladezustands zu erhöhen.
Ein anderer Aspekt der Erfindung umfasst, dass das Steuerungssystem dazu dient, einen Maschinenbetriebsbereich, bei dem das elektrische Ladesystem arbeitet, auf der Grundlage einer Erhöhung des Ladezustands zu begrenzen.
Ein anderer Aspekt der Erfindung umfasst, dass das Steuerungssystem dazu dient, einen Betrieb des elektrischen Ladesystems nicht fortzuführen, wenn der Ladezustand einen Maximalwert überschreitet.
Ein anderer Aspekt der Erfindung umfasst, dass das elektrische Ladesystem ein elektrisches Hochspannungsenergieladesystem umfasst.
Ein anderer Aspekt der Erfindung umfasst, dass das Steuerungssystem dazu dient, den Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert zu halten.
Ein anderer Aspekt der Erfindung umfasst, dass das Steuerungssystem dazu dient, einen spezifischen Kraftstoffverbrauch der Maschine zu ermitteln.
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:

1 eine schematische Zeichnung eines beispielhaften Vortriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine grafische Darstellung eines Maschinenbetriebs gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
3 eine grafische Darstellung einer Systemkalibrierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen die Darstellungen nur zum Zweck der Erläuterung der Erfindung und nicht zum Zweck einer Beschränkung derselben gedacht sind, zeigt 1 eine schematische Zeichnung eines Fahrzeugvortriebssystems, das eine beispielhafte Verbrennungsmaschine und ein Steuerungssystem umfasst, welches gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebaut wurde. Das beispielhafte System, das als ein riemengetriebenes Generator/Anlasser-System („BAS“-System) beschrieben ist, umfasst ein Antriebsstrangsystem mit einer Verbrennungsmaschine 20, einer Motor-Generator-Einheit 34 und einem Antriebsstrangcontroller 10.
Das Antriebsstrangsystem umfasst die Verbrennungsmaschine 20, welche Antriebsräder 28 mit Antriebskraft versorgt, wobei sie bekannte Energieübertragungseinrichtungen verwendet, welche einen Drehmomentwandler 22, ein Getriebe 24 und eine Endantriebseinrichtung 26 umfassen, die typischerweise eine Getriebe/Differential-Einheit (transaxle) für ein Fahrzeug mit Vorderradantrieb oder alternativ eine hintere Differentialeinheit für ein Fahrzeug mit Hinterradantrieb oder andere bekannte Einrichtungen zum Versorgen von Fahrzeugrädern mit Kraft umfasst.
Die Verbrennungsmaschine 20 ist mit einem Zubehörriemenantriebssystem 32 wirksam verbunden. In einem Betriebszustand betreibt die Verbrennungsmaschine 20 das Zubehörriemenantriebssystem 32, indem sie Kraft und Energie an eine Motor-Generator-Einheit 34 („MGU“) und anderes Zubehör überträgt. In einem zweiten Betriebszustand dient die MGU 34 dazu, die Verbrennungsmaschine 20 zu drehen, um den Betrieb der Maschine zu starten. Die MGU 34 dient dazu, über eine Leistungselektronikbox („PEB“ von power electronics box) 36 ein elektrisches Energiespeichersystem wieder aufzufüllen oder zu laden, welches eine Hochspannungs-Batterie („HV“-Batterie) 40 und eine zweite, herkömmliche Zwölf-Volt Batterie 38 umfasst. Die PEB 36 umfasst die Funktionen eines Wechselrichtermoduls (PIM von power inverter module) und eines Hilfsenergiemoduls (APM von auxiliary power module), um die HochspannungsBatterie („HV“-Batterie) 40 und die herkömmliche Zwölf-Volt Batterie 38 selektiv mit elektrischer Energie zu versorgen. Die voranstehend erwähnten Komponenten der beispielhaften Ausführungsform sind einem Fachmann bekannt, obwohl es selbstverständlich ist, dass alternative Ausführungsformen, welche neuartige Komponenten verwenden, in den Schutzumfang der in diesem Kontext beschriebenen Erfindung fallen können.
Der Antriebsstrangcontroller 10 ist vorzugsweise ein Element eines integrierten Fahrzeugsteuerungssystems, welches ein verteiltes Steuerungssystem umfasst, bei welchem mehrere Controller überall in dem Fahrzeug über ein lokales Netzwerk („LAN“) eine Signalverbindung aufweisen, um verschiedene Aufgaben zu erledigen. Das beispielhafte integrierte Fahrzeugsteuerungssystem umfasst einen Antriebsstrangcontroller 10, der eine Signalverbindung mit der Verbrennungsmaschine 20 aufweist, einen (nicht gezeigten) Getriebecontroller und einen (nicht gezeigten) elektrischen Energiecontroller, der mit der PEB 36 wirksam verbunden ist. Jeder der voranstehend erwähnten Controller ist vorzugsweise ein universeller digitaler Computer, der im Wesentlichen einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, ROM, RAM und I/O einschließlich A/D und D/A umfasst. Jeder Controller weist einen Satz von Steuerungsalgorithmen auf, welche residente Programmanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die im ROM gespeichert sind und ausgeführt werden, um die jeweiligen Funktionen eines jeden Computers bereitzustellen. Eine Informationsübertragung zwischen den verschiedenen Computern wird vorzugsweise mit Hilfe des voranstehend erwähnten LAN erreicht.
Das integrierte Fahrzeugsteuerungssystem steht in Signalverbindung mit mehreren Erfassungseinrichtungen und ist mit mehreren Ausgabeeinrichtungen wirksam verbunden, um den Betrieb der Maschine 20, des Getriebes 24 und der MGU 34 andauernd zu überwachen und zu steuern. Dies umfasst ein Überwachen von Zuständen der HV-Batterie 40 und ein Ermitteln eines Ladezustands der HV-Batterie 40. Die gesteuerten Ausgabeeinrichtungen umfassen vorzugsweise für eine geeignete Steuerung und einen geeigneten Betrieb der Maschine 20 erforderliche Untersysteme, welche beispielsweise ein Luftansaugsystem, ein Kraftstoffinjektionssystem, ein Funkenzündungssystem (wenn eine Maschine mit Funkenzündung verwendet wird), ein Abgasrückführungssystem und ein Verdampfungssteuerungssystem umfassen. Die Erfassungseinrichtungen der Maschine umfassen Einrichtungen, die dazu dienen, den Maschinenbetrieb zu überwachen, einschließlich Maschinendrehzahl und Last, umfassend Krümmerdruck und/oder Luftstrom. Der Antriebsstrangcontroller 10 dient vorzugsweise dazu, einen Maschinenarbeitspunkt hinsichtlich eines mittleren effektiven Bremsdrucks („BMEP“ in kPa) und eines bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauchs („BSFC“ in g/MJ) auf der Grundlage des überwachten Maschinenbetriebs regelmäßig zu ermitteln, welche beide, wie nachfolgend beschrieben wird, verwendet werden können. Andere Maschinensensoren umfassen Sensoren, die dazu dienen, äußere Bedingungen und eine Bedieneranforderung zu überwachen, und weisen typischerweise eine Signalverbindung über Kabelbäume mit dem Controller auf.
In jedem Controller werden Steuerungsalgorithmen typischerweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, so dass jeder Steuerungsalgorithmus mindestens einmal bei jedem Schleifenzyklus ausgeführt wird. In den nicht flüchtigen Speichereinrichtungen gespeicherte Algorithmen werden durch die zentrale Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den Erfassungseinrichtungen zu überwachen und Steuerungs- und Diagnoseroutinen zur Steuerung des Betriebs der jeweiligen Einrichtung unter Verwendung voreingestellter Kalibrierungen auszuführen. Schleifenzyklen werden typischerweise alle 3, 6,25, 15, 25 und 100 Millisekunden während eines Maschinenbetriebs ausgeführt. Alternativ können Steuerungsalgorithmen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden. Ein zyklisches Ereignis, z.B. eine Berechnung der Maschinenkraftstoffzufuhr, kann in jedem Maschinenzyklus ausgeführt werden. Eine Aktion zum Starten der Maschine 20, nachdem sie abgeschaltet wurde, wird vorzugsweise in Ansprechen auf ein Ereignis, z.B. eine Bedieneranforderung zur Beschleunigung, ausgeführt. Alternativ kann die Aktion zum Starten der Maschine 20, nachdem sie abgeschaltet wurde, ein quasi-zyklisches Ereignis sein, wobei der Antriebsstrangcontroller 10 Fahrzeugzustände, wie z.B. eine Temperatur der Umgebungsluft, zyklisch überwacht und ein Maschinenstartereignis bei einem nachfolgenden Schleifenzyklus implementiert, um zusätzliche Funktionalität bereitzustellen.
Das integrierte Fahrzeugsteuerungssystem weist eine Signalverbindung mit den voranstehend erwähnten Sensoren und anderen Erfassungseinrichtungen auf und ist wirksam mit Ausgabeeinrichtungen verbunden, um den Maschinen- und Fahrzeugbetrieb zu überwachen und zu steuern. Die Ausgabeeinrichtungen umfassen vorzugsweise Untersysteme, die für eine geeignete Steuerung und einen geeigneten Betrieb des Fahrzeugs, einschließlich der Maschine, des Getriebes und der Bremsen erforderlich sind. Die Erfassungseinrichtungen, welche dem Fahrzeug Signaleingaben zur Verfügung stellen, umfassen Einrichtungen, die dazu dienen, einen Fahrzeugbetrieb, externe Zustände und Umgebungszustände und Bedienerbefehle zu überwachen.
Ein derartiger durch den Controller ausgeführter Algorithmus umfasst ein Berechnen des Batterieladezustands („SOC“) für das elektrische Energiespeichersystem, d.h. die Hochspannungsbatterie 40 dieser Ausführungsform, welche eine 36 Volt Batterie ist. Eine Batteriespannung, ein Strom und eine Temperatur werden einzeln überwacht. Verschiedene Fahrzeugoperationen, welche elektrische Energie verbrauchen und welche die Batterie mit elektrischer Energie laden, werden überwacht. Der SOC-Algorithmus ist in der Lage, den Batterieladezustand (SOC) andauernd zu schätzen oder zu ermitteln, wobei er eine beliebige von zahlreichen Verfahren zur Ermittlung des Batterieladezustands auf der Grundlage des Voranstehenden verwendet, welche einem Fachmann bekannt sind.
Nun auf 2 Bezug nehmend ist ein Diagramm von Maschinenarbeitspunkten bezüglich Drehzahl und Maschinenlast gezeigt, welches in der Form von BMEP (kPa) für eine beispielhafte Maschine berechnet ist und Linien mit konstantem bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauch („BSFC“) zeigt. Die beispielhafte Maschine ist eine bekannte, moderne 4-Zylinder-Verbrennungsmaschine mit Funkenzündung, die einen Hubraum von 2,4 Litern aufweist, wobei Daten durch ein Testen auf einem Maschinenprüfstand erhalten wurden. Nun auf die Punkte A und B von 2 Bezug nehmend stellt der Punkt A die Maschine im Betrieb bei 1600 Umdrehungen pro Minute („U/min“) und bei einem BMEP von 158,1 kPa dar und ist der Punkt A eine Basismessung, welche einen Maschinenarbeitspunkt ohne ein elektrisches Laden umfasst. Der Punkt B stellt die gleiche Maschinendrehzahl von 1600 U/min mit einem elektrischen Laden dar. Bei diesem Beispiel erhöht sich der Maschinenarbeitspunkt B im Vergleich zu dem Arbeitspunkt A auf ein BMEP von 237,1 kPa (eine Erhöhung um 81 kPa), und der entsprechende BSFC wird um 17,4 g/MJ verringert, eine Verbesserung von 16,9 %. Nun auf die Punkte C und D von 2 Bezug nehmend stellt der Punkt C die Maschine im Betrieb bei 1600 Umdrehungen pro Minute („U/min“) und bei einem BMEP von 534,5 kPa dar und ist der Punkt C eine zweite Messung eines Maschinenarbeitspunkts ohne ein elektrisches Laden, wobei die Maschine mit einer hohen Last arbeitet. Der Punkt D stellt die gleiche Maschinendrehzahl von 1600 U/min dar, wobei eine elektrische Ladelast zu der hohen Last hinzugefügt ist. Bei diesem Beispiel wächst die Maschinenlast bei dem Arbeitspunkt D im Vergleich zu dem Arbeitspunkt C um 79 kPa auf einen BMEP von 615,4 kPa und der entsprechende BSFC wird um 1,6 g/MJ verringert, eine Verbesserung von nur 2,3 %. Dies zeigt, dass zusätzliche Verbesserungen bei der Maschineneffizienz schwierig zu erreichen sind, wenn sich die Maschine in einer Zone mit hoher Last/hoher Effizienz befindet, aufgrund von größeren Wärmeverlusten, mehr Kraftstoffmassenverlusten, die durch am Zylinder vorbei strömendes Gas verursacht werden, höherer mechanischer Reibung und einer Möglichkeit, unter gewissen Umständen in Leistungsanreicherungsbetriebsarten zu arbeiten. Zusätzliche Verbesserungen bei der Maschineneffizienz werden jedoch leicht erreicht, wenn die Maschine in einer Zone mit niedriger Last arbeitet.
Nun auf 3 Bezug nehmend ist ein Datendiagramm gezeigt, das eine Kalibrierung für eine Ladesteuerungsstrategie darstellt. Die X-Achse umfasst Werte für ein Ladezustandsdelta, welches eine Differenz zwischen dem aktuellen Ladezustand der HV-Batterie 40 und einem minimal zulässigen Ladezustand umfasst. Bei diesem Beispiel beträgt der minimal zulässige Ladezustand 70 %. Daher ist jeder Wert auf der X-Achse gleich dem Ladezustandsdelta plus 70 %. Die Y-Achse umfasst Werte für eine normalisierte Maschineneffizienz in Prozent (%). Bei der normalisierten Maschineneffizienz nimmt die Maschineneffizienz ab, wenn der BSFC zunimmt. Jede gezeichnete Linie des Diagramms zeigt die Beziehung zwischen dem Ladezustand und der Maschineneffizienz als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit (in Kilometer pro Stunde oder km/h) an. Alternativ kann die Beziehung zwischen dem Ladezustand und der Maschineneffizienz als eine Funktion des Maschinenarbeitspunkts oder BMEP ausgedrückt werden.
Der Controller 10 führt einen Algorithmus zur Implementierung der Ladesteuerungsstrategie unter Verwendung der in 3 gezeigten Kalibrierung aus. Der Algorithmus wird von dem Controller 10 verwendet, um ein Laden der HV-Batterie 40 unter Verwendung der MGU 34 und der PEB 36 während eines andauernden Fahrzeugbetriebs zu steuern und zu verwalten. Während des Fahrzeugbetriebs nimmt der Batterieladezustand aufgrund eines Verbrauchs von elektrischer Energie ab, bei dieser Ausführungsform hauptsächlich durch die MGU 34 und die 12 Volt Fahrzeugbatterie 38. Wenn sich der Ladezustand dem minimal zulässigen Ladezustand nähert, werden, wie in 3 gezeigt ist, die Maschinenbetriebszustände, über welchen ein Batterieladen zulässig und aktiviert ist, leicht erreicht. Wenn sich der Ladezustand einem oberen Pegel für den Ladezustand nähert, in diesem Fall einem Ladezustandsdelta von 6 %, verengt sich der Bereich an Maschinenbetriebszuständen, über denen ein Batterieladen zulässig und damit aktiviert ist. Bei solchen Zuständen ist die MGU 34 nicht in der Lage, die HV-Batterie 40 zu laden, und die HV-Batterie entlädt sich während des fortdauernden Betriebs. Daher ist der HV-Ladezustand auf ein relativ schmales Band begrenzt.
Wiederum auf das Hybridvortriebssystem für das in 1 beschriebene Fahrzeug Bezug nehmend, in welchem die beispielhafte Verbrennungsmaschine die mit Bezug auf 2 beschriebenen Betriebsmerkmale und die Maschineneffizienz- und Ladezustandsbegrenzungen von 3 aufweist, wird nun eine Arbeitsweise des Systems beschrieben. Die Verbrennungsmaschine 20 stellt dem Ladesystem 34, welches die HV-Batterie 40 mit elektrischer Energie versorgt, ein Ladedrehmoment und dem Fahrzeugantriebsstrang ein Vortriebsdrehmoment zur Verfügung. Der in dem Controller 10 ausgeführte Algorithmus ermittelt wie voranstehend einen Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems und ermittelt die Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine bezüglich eines normalisierten Werts eines bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauchs. Der Betrieb des Ladesystems 34 wird auf der Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine gesteuert, wie sie durch eine interne Kalibrierung definiert ist, welche basierend auf Daten zu dem Batterieladezustand und der Maschineneffizienz, wie sie in 3 enthalten sind, entwickelt wurde. Wie gezeigt, ermittelt das Steuerungssystem die Fahrzeuggeschwindigkeit und steuert den Betrieb des Ladesystems. Alternativ ermittelt das Steuerungssystem den Maschinenarbeitspunkt, typischerweise auf der Grundlage der Maschinendrehzahl und -last, wie sie durch den Controller unter Verwendung verschiedener Maschinensensoren gemessen werden. Das elektrische Ladesystem wird auf der Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems, der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine und des Maschinenarbeitspunkts gesteuert. Im Betrieb betreibt das Steuerungssystem das elektrische Ladesystem selektiv unter Bedingungen, wenn eine Änderung der Betriebseffizienz aufgrund eines Betriebs des elektrischen Ladesystems einen vorbestimmten Wert überschreitet. Wieder auf 2 Bezug nehmend, welche die Maschine im Betrieb bei 1600 U/min und bei verschiedenen Pegeln des BMEP zeigt, ist ein Fachmann in der Lage, den Steuerungsalgorithmus auf eine Weise zu kalibrieren, die das Auftreten eines Ladens bewirkt, wenn eine Änderung bei dem BSFC aufgrund eines Ladens wie mit Bezug auf die Punkte A und B beschrieben vorliegt, d.h. bei einem Maschinenbetrieb mit niedriger bis mittlerer Last, die das Laden aber unterbricht, wenn eine Änderung bei dem BSFC aufgrund des Ladens wie mit Bezug auf die Punkte C und D beschrieben vorliegt, d.h. bei einem Maschinenbetrieb mit mittlerer bis hoher Last. Ein Fachmann ist in der Lage, eine Schwellenänderung bei dem BSFC zu wählen, die das elektrische Laden und den Maschinenkraftstoffverbrauch optimiert.
Wieder auf 3 Bezug nehmend erhöht das Steuerungssystem den Maschinenbetriebsbereich, bei welchem das elektrische Ladesystem auf der Grundlage eines Abnehmens des Batterieladezustands arbeitet, d.h. wenn sich der Batterieladezustand einem minimal zulässigen Ladezustand nähert, in diesem Beispiel einem Ladezustand = 70 %. Unter diesen Bedingungen nimmt der zulässige Bereich von Maschineneffizienzen, über denen ein elektrisches Laden zulässig und aktiviert ist, auf der Grundlage der Maschinendrehzahl oder des Maschinenarbeitspunkts zu. Auf ähnliche Weise ist das Steuerungssystem in der Lage, einen Maschinenbetriebsbereich, bei dem das elektrische Ladesystem arbeitet, auf der Grundlage einer Zunahme des Ladezustands zu begrenzen. Insbesondere nimmt der zulässige Bereich von Maschineneffizienzen, über denen ein elektrisches Laden erlaubt ist, auf der Grundlage der Maschinendrehzahl oder des Maschinenarbeitspunkts ab, wenn sich der Batterieladezustand einem maximal zulässigen Ladezustand, in diesem Beispiel einem Ladezustand = 76 %, nähert. Über dem maximal zulässigen Ladezustand unterbricht das Steuerungssystem den Betrieb des elektrischen Ladesystems. Indem es so arbeitet, hält das Steuerungssystem den Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems zwischen dem minimal zulässigen Ladezustandswert und dem maximal zulässigen Ladezustand. Indem auf diese Weise ein Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems zwischen dem minimal zulässigen Ladezustandswert und dem maximal zulässigen Ladezustand gehalten wird, wird die effektive Lebensdauer des elektrischen Hochspannungsenergiespeichersystems 40 verlängert und optimiert.
Daher steuert und verwaltet der Controller 10 das Laden der HV-Batterie 40 unter Verwendung der MGU 34 und der PEB 36 während eines andauernden Fahrzeugbetriebs, so dass der Betrieb des Ladesystems gesteuert wird, um das Laden des Energiespeichersystems während Zeitspannen des Maschinenbetriebs zu beeinflussen, in denen durch das Laden induzierte Zuwächse bei Maschinenlasten zu einer relativ größeren Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine führen. Darüber hinaus wird, wenn sich die HV-Batterie 40 bei relativ hohen Ladezuständen des Energiespeichersystems befindet, das Laden des Energiespeichersystems während Zeitspannen eines Maschinenbetriebs begrenzt, in denen die Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine relativ niedrig ist.
Die Erfindung wurde mit speziellem Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen und Modifikationen davon beschrieben. Weitere Modifikationen und Veränderungen können anderen beim Lesen und Verstehen der Beschreibung einfallen, einschließlich einer Anwendung der Erfindung auf verschiedene Hybridarchitekturen, die sich von dem hier voranstehend beschriebenen riemengetriebenen Generator/Anlasser-System (BAS-System) unterscheiden. Es ist beabsichtigt, alle derartigen Modifikationen und Veränderungen zu umfassen, sofern sie in den Schutzumfang der Erfindung fallen.
Zusammengefasst werden eine Strategie und ein System zur elektrischen Ladung für ein elektrisches Hochspannungsenergiespeichersystem offenbart, das in der Lage ist, ein Hybridfahrzeug mit elektrischer Energie zu versorgen. Das System lädt das elektrische Energiespeichersystem so, dass der Ladezustand am Ende einer Reise im Wesentlichen unverändert bleibt. Die Strategie und das System verwenden ein Gelegenheitsladen, um eine maximale Energieeffizienz des Hybridsystems zu erreichen, wodurch der Kraftstoffverbrauch minimiert und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit maximiert wird. Der Betrieb des Ladesystems wird auf der Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine gesteuert. Gleichermaßen wird eine Batterielebensdauer durch die Verwendung dieser Strategie verlängert.

Claims

Steuerungssystem für ein Ladesystem, das dazu dient, ein elektrisches Energiespeichersystem eines Fahrzeugs mit einem Hybridvortriebssystem, welches eine Verbrennungsmaschine umfasst, die dazu dient, einen Antriebsstrang des Fahrzeugs mit einem Vortriebsdrehmoment zu versorgen, und dazu dient, das Ladesystem mit einem Ladedrehmoment zu versorgen, mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassend, dass das Steuerungssystem dazu dient: einen Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems zu ermitteln; eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu ermitteln; eine Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine anhand des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems sowie der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und unter Verwendung einer Kalibrierung, die eine Beziehung zwischen dem Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine als eine Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeugs angibt, zu ermitteln; und einen Betrieb des Ladesystems auf der Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems, der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine zu steuern.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Ladesystem ein elektrisches Hochspannungsenergieladesystem umfasst.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem, das dazu dient, den Betrieb des Ladesystems zu steuern, umfasst, dass das Ladesystem dazu dient, auf der Grundlage eines Steuerungssignals von dem Steuerungssystem kinetische Energie der Verbrennungsmaschine in potentielle elektrische Energie umzuwandeln.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem, das dazu dient, einen Betrieb des Ladesystems auf der Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems zu steuern, umfasst, dass das Steuerungssystem dazu dient, den Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems zwischen vorbestimmten Grenzen zu halten.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem, das dazu dient, eine Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine zu ermitteln, umfasst, dass das Steuerungssystem dazu dient, einen spezifischen Kraftstoffverbrauch der Maschine zu ermitteln.
Steuerungssystem für ein Ladesystem, das dazu dient, ein elektrisches Energiespeichersystem eines Fahrzeugs mit einem Hybridvortriebssystem, welches eine Verbrennungsmaschine umfasst, die dazu dient, einen Antriebsstrang des Fahrzeugs mit einem Vortriebsdrehmoment zu versorgen, und dazu dient, das Ladesystem mit einem Ladedrehmoment zu versorgen, mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassend, dass das Steuerungssystem dazu dient: einen Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems zu ermitteln; einen Arbeitspunkt der Verbrennungsmaschine zu ermitteln; eine Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine anhand des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems sowie des Arbeitspunkts der Verbrennungsmaschine und unter Verwendung einer Kalibrierung, die eine Beziehung zwischen dem Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine als eine Funktion des Arbeitspunkts der Verbrennungsmaschine angibt, zu ermitteln; und einen Betrieb des Ladesystems auf der Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems, des Arbeitspunkts der Verbrennungsmaschine und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine zu steuern.
Verfahren zur Steuerung eines Betriebs eines Ladesystems für ein elektrisches Energiespeichersystem eines Fahrzeugs mit einem Hybridvortriebssystem, welches eine Verbrennungsmaschine und einen elektrischen Generator umfasst, der mit der Maschine wirksam gekoppelt ist und einen elektrischen Ausgang an ein elektrisches Energiespeichersystem aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass ein Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems ermittelt wird; eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt wird; eine Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine anhand des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems sowie der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und unter Verwendung einer Kalibrierung, die eine Beziehung zwischen dem Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine als eine Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeugs angibt, ermittelt wird; und ein Betrieb des Ladesystems auf der Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems, der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine gesteuert wird.
Verfahren zur Steuerung eines Betriebs eines Ladesystems für ein elektrisches Energiespeichersystem eines Fahrzeugs mit einem Hybridvortriebssystem, welches eine Verbrennungsmaschine und einen elektrischen Generator umfasst, der mit der Maschine wirksam gekoppelt ist und einen elektrischen Ausgang an ein elektrisches Energiespeichersystem aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass ein Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems ermittelt wird; ein Arbeitspunkt der Verbrennungsmaschine ermittelt wird; eine Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine anhand des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems sowie des Arbeitspunkts der Verbrennungsmaschine und unter Verwendung einer Kalibrierung, die eine Beziehung zwischen dem Ladezustand des elektrischen Energiespeichersystems und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine als eine Funktion des Arbeitspunkts der Verbrennungsmaschine angibt, ermittelt wird; und ein Betrieb des Ladesystems auf der Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichersystems, des Arbeitspunkts der Verbrennungsmaschine und der Betriebseffizienz der Verbrennungsmaschine gesteuert wird.