DE102010003000A1

DE102010003000A1 - Ansteuerung eines Range-Extenders in einem Elektrofahrzeug

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Publication number: DE102010003000A1
Application number: DE102010003000A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kraemer Gerd; Holger HUMMEL; Florian KLEIN
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-09-22

Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Range-Extenders in einem Elektrofahrzeug. Das Elektrofahrzeug umfasst eine erste elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs sowie ferner einen elektrischen Energiespeicher zur Versorgung der ersten elektrischen Maschine. Ferner ist ein Range-Extender mit Verbrennungsmotor und eine mechanisch mit dem Verbrennungsmotor gekoppelte elektrische Maschine vorhanden. Gemäß dem Verfahren wird eine Leistungsangabe in Abhängigkeit eines angeforderten Antriebsdrehmomentes bestimmt. Das angeforderte Antriebsdrehmoment basiert auf dem Fahrerwunsch. Der Range-Extender wird dann in Abhängigkeit der Leistungsangabe gesteuert. Bei der Leistungsangabe handelt es sich vorzugsweise um die angeforderte Leistung des Range-Extenders. Die angeforderte Leistung des Range-Extenders lässt sich aus dem angeforderten Antriebsmoment, der aktuellen Drehzahl sowie weiteren Parametern bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft die Ansteuerung eines sogenannten Range-Extenders in einem Elektrofahrzeug.
Aufgrund der begrenzten Kapazität des elektrischen Energiespeichers eines Elektrofahrzeugs, ist die Reichweite eines Elektrofahrzeugs begrenzt. Die Reichweite eines Elektrofahrzeugs ist typischerweise geringer als die Reichweite eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Außerdem dauert das Aufladen des elektrischen Energiespeichers deutlich länger als das Betanken eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor.
Ein Range-Extender (auch als Reichweiten-Verlängerer bezeichnet) ist ein zusätzliches Aggregat in einem Elektrofahrzeug, welches es erlaubt, die Reichweite des Elektrofahrzeugs zu vergrößern. Typischerweise umfasst ein Range-Extender einen Verbrennungsmotor und einen mechanisch mit dem Verbrennungsmotor gekoppelten elektrischen Generator. Bei Betrieb des Verbrennungsmotors wird der elektrische Generator des Range-Extenders von dem Verbrennungsmotor angetrieben.
Aus der Druckschrift US 5,264,764 ist eine Steuerung für einen Range-Extender beschrieben. Hierbei wird eine Leistungsanforderung an den Range-Extender ermittelt, die der Ansteuerung des Range-Extenders dient.
Ein weiteres Verfahren zur Steuerung eines Range-Extenders ist in der Druckschrift EP 0 739 772 A1 beschrieben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern eines Range-Extenders anzugeben. Das Verfahren sollte einfach zu realisieren sein und sich möglichst einfach in bekannte Momentenstrukturen für die Längsführung einbinden lassen. Ferner ist die Erfindung auf eine entsprechende Steuervorrichtung für einen Range-Extender gerichtet.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Range-Extenders in einem Elektrofahrzeug. Das Elektrofahrzeug umfasst eine erste elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs sowie ferner einen elektrischen Energiespeicher zur Versorgung der ersten elektrischen Maschine (beispielsweise eine Batterie oder einen Kondensator). Ferner ist ein Range-Extender zur elektrischen Energieversorgung der ersten elektrischen Maschine und/oder des elektrischen Energiespeichers vorhanden. Der Range-Extender umfasst einen Verbrennungsmotor und eine mechanisch mit dem Verbrennungsmotor gekoppelte zweite elektrische Maschine. Gemäß dem Verfahren wird eine Leistungsangabe in Abhängigkeit eines angeforderten Antriebsdrehmomentes bestimmt. Das angeforderte Antriebsdrehmoment basiert auf dem Fahrerwunsch. Der Range-Extender wird dann in Abhängigkeit der Leistungsangabe gesteuert.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, die Steuerung des Range-Extenders auf einfache Weise in die bekannte Momentenstruktur für die Längsführung eines Fahrzeugs einzubinden. Ein vom Fahrer gewünschtes Antriebsdrehmoment, welches in einer konventionellen Momentenstruktur als Signal typischerweise bereits verfügbar ist, lässt sich in ein Leistungssignal überführen, welches dann als Basis für die Ansteuerung des Range-Extenders dient.
Bei der Leistungsangabe handelt es sich vorzugsweise um eine angeforderte Antriebsleistung oder um die angeforderte Leistung des Range-Extenders.
Die angeforderte Leistung des Range-Extenders lässt sich aus dem angeforderten Antriebsmoment, der aktuellen Drehzahl der ersten elektrischen Maschine (oder aus einer anderen Drehzahl des Antriebsstrangs, wie z. B. die Raddrehzahl) sowie weiterer Parameter bestimmen. Diese Leistung kann dann vom Range-Extender bei typischerweise anderer Drehzahl des Verbrennungsmotors (diese Drehzahl entspricht gewöhnlich auch der Drehzahl der zweiten elektrischen Maschine) und entsprechend anderem Moment des Verbrennungsmotors eingestellt werden.
Vorzugsweise werden zwei Leistungsangaben bestimmt: Zunächst wird eine angeforderte Antriebsleistung basierend auf dem angeforderten Antriebsdrehmoment bestimmt (hierbei kann ferner die aktuelle Drehzahl der ersten elektrischen Maschine berücksichtigt werden). Basierend auf der angeforderten Antriebsleistung und eines oder mehrerer Parameter des elektrischen Energiespeichers und/oder Bordnetzes lässt sich dann die angeforderte Leistung des Range-Extenders bestimmen. Die angeforderte Leistung des Range-Extenders wird also vorzugsweise in Abhängigkeit der angeforderten Antriebsleistung sowie der durch den elektrischen Energiespeicher und/oder durch das Bordnetz vorgegebenen Anforderungen ermittelt.
Bei den Parametern des elektrischen Energiespeichers (beispielsweise Lade- und/oder Entladeparameter) und/oder des Bordnetzes handelt es sich typischerweise auch um Leistungsgrößen, die mit der angeforderten Antriebsleistung auf einfache Weise in Beziehung gesetzt werden können.
Vorzugsweise wird die Leistung des Range-Extenders in Abhängigkeit einer maximalen Abgabeleistung des elektrischen Energiespeichers bestimmt.
Ein weiteres Beispiel für einen nutzbaren Parameter ist die geforderte Sollleistung zur Ladung des elektrischen Energiespeichers und/oder Zur Speisung des Bordnetzes.
Ein anderes Beispiel für einen derartigen Parameter ist die maximale Aufnahmeleistung des elektrischen Energiespeichers. Hierbei ist anzumerken, dass die Aufnahmeleistung des Energiespeichers, beispielsweise einer Batterie, typischerweise begrenzt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden (neben dem angeforderten Drehmoment) drei weitere Schnittstellen verwendet, um den Range-Extender abhängig vom Fahrerwunsch und der zur Verfügung stehenden Leistung des elektrischen Energiespeichers zu steuern: nämlich die maximalen Abgabeleistung des elektrischen Energiespeichers, die geforderte Sollleistung zur Ladung des elektrischen Energiespeichers und/oder zur Speisung des Bordnetzes sowie die maximale Aufnahmeleistung des elektrischen Energiespeichers.
Die drei Schnittstellen ermöglichen es, die Leistung des Range-Extenders durch eine strategische Leistungskoordination zu beeinflussen.
Die angeforderte Leistung des Range-Extenders lässt sich beispielsweise aus der angeforderten Antriebsleistung abzüglich der maximalen Abgabeleistung des elektrischen Energiespeichers zuzüglich der Sollleistung zur Ladung des elektrischen Energiespeichers und/oder zur Speisung des Bordnetzes bestimmen. Hierbei kann das Ergebnis dieser Rechenoperationen noch durch einen Wirkungsgrad des Range-Extenders dividiert werden, um die angeforderte Leistung des Range-Extenders zu bestimmen. Beispielsweise lässt sich die angeforderte Leistung des Range-Extenders über folgende Gleichung bestimmen: P_rex = (P_{wunsch fahrer} – P_{batt max ab} + P_{batt laden})·1/η
Hierbei beschreibt die Größe P_rex die angeforderte Leistung des Range-Extenders, die Größe P_{wunsch fahrer} die angeforderte Antriebsleistung, die Größe P_{batt max ab} die maximale Abgabeleistung des elektrischen Energiespeichers, die Größe P_{batt laden} die Sollleistung zur Ladung des elektrischen Energiespeichers und/oder zur Speisung des Bordnetzes und die Größe η den Wirkungsgrad des Range-Extenders.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens können die geforderte Antriebsleistung und/oder die angeforderte Leistung des Range-Extenders unter bestimmten Voraussetzungen auch einen negativen Wert annehmen.
Die angeforderte Antriebsleistung weist beispielsweise einen negativen Wert auf, wenn das Fahrpedal losgelassen wird und das angeforderte Drehmoment aufgrund des Schleppmoments negativ wird. Eine negative angeforderte Antriebsleistung kann auch im Schubfall (z. B. bei Bergabfahrt) auftreten.
Im Fall einer negativen angeforderten Antriebsleistung wird unter Umständen auch eine negative Leistung des Range-Extenders angefordert. Bei dem Verfahren lässt sich beispielsweise im Schubfall (z. B. bei Bergabfahrt) eine negative Leistung des Range-Extenders anfordern. Eine negative Leistung des Range-Extenders ergibt sich dann, wenn die elektrische Maschine des Range-Extenders als Motor betrieben wird und der Range-Extender ohne Einspritzung gedreht wird. In diesem Fall wird keine elektrische Leistung vom Range-Extender erzeugt, sondern elektrische Leistung in der elektrischen Maschine des Range-Extenders verbraucht.
Eine negative Leistung des Range-Extenders wird bei dem Verfahren vorzugsweise dann angefordert, wenn die maximale Leistungsaufnahme des elektrischen Energiespeichers (z. B. bei einer Bremsung mit der elektrischen Antriebsmaschine) ansonsten überschritten würde.
Vorzugsweise wird daher bei dem Verfahren im Fall einer negativen geforderten Antriebsleistung die Summe aus

– dem Betrag (z. B. 16 kW) der geforderten negativen Antriebsleistung (z. B –16 kW), und
– der Sollleistung (z. B. 3 kW) zur Ladung des elektrischen Energiespeichers und/oder zur Speisung des Bordnetzes

Falls diese Summe (z. B. 19 kW) größer als die maximale Aufnahmeleistung (z. B. 10 kW) ist, wird vorzugsweise eine negative Leistung des Range-Extenders ermittelt.
Der Betrag der Leistung des Range-Extenders ergibt sich in diesem Fall vorzugsweise aus der Differenz (z. B. 6 kW) zwischen dem Betrag (z. B. 16 kW) der geforderten negativen Antriebsleistung und der maximalen Aufnahmeleistung (z. B. 10 kW). Hierbei wird die Differenz vorzugsweise noch durch den Wirkungsgrad des Range-Extenders dividiert, um den Betrag der negativen Leistung des Range-Extenders zu ermitteln.
Falls die vorstehend erwähnte Summe (z. B. 7 kW) hingegen kleiner als die maximale Aufnahmeleistung (z. B. 10 kW) ist, und falls außerdem die angeforderte Antriebsleistung (z. B. –4 KW) kleiner als eine maximale Abgabeleistung (z. B. 50 kW) des elektrischen Energiespeichers ist, ergibt sich die Leistung des Range-Extenders aus der Leistung (z. B. 3 kW) zur Ladung des elektrischen Energiespeichers und/oder zur Speisung des Bordnetzes. Hierbei wird dieser Wert vorzugsweise noch durch den Wirkungsgrad des Range-Extenders dividiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden bei dem Verfahren eine Drehzahlvorgabe und/oder ein Drehmomentvorgabe in Abhängigkeit der angeforderten Leistung des Range-Extenders bestimmt. Diese Angaben werden dann zur Steuerung des Range-Extenders verwendet.
Beispielsweise lässt sich eine angeforderte Drehzahl des Range-Extenders in Abhängigkeit der angeforderten Leistung des Range-Extenders bestimmen. Dafür kann eine abgespeicherte Kennlinie oder ein abgespeichertes Kennlinienfeld verwendet werden, wobei jede Kennlinie des Kennlinienfeldes einer bestimmten Temperatur zugeordnet ist. Aus der angeforderten Drehzahl und der angeforderten Leistung ergibt dann das angeforderte Moment des Range-Extenders.
Vorzugsweise werden bei dem Verfahren somit in Abhängigkeit der angeforderten Leistung des Range-Extenders eine Drehzahlvorgabe und eine Drehmomentvorgabe für den Range-Extender bestimmt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Drehzahlvorgabe zur Steuerung der elektrischen Maschine des Range-Extenders verwendet, während die Drehmomentvorgabe zur Steuerung des Verbrennungsmotors verwendet wird. Dies ist deshalb von Vorteil, weil die elektrische Maschine des Range-Extenders typischerweise eine Drehzahlregelung aufweist, die die Drehzahlvorgabe als Führungsgröße verwenden kann, während sich das Drehmoment des Range-Extenders leicht über den Verbrennungsmotor steuern lässt (z. B. über Luftmenge, Zündwinkel und/oder Einspritzzeitpunkt).
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist auf eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Range-Extenders in einem Elektrofahrzeug gerichtet. Die Steuervorrichtung ist zur Ausführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet. Die Merkmale der Steuervorrichtung entsprechen daher den Merkmalen des vorstehend genannten Verfahrens. Dementsprechend ist die Steuervorrichtung eingerichtet, eine Leistungsangabe in Abhängigkeit eines angeforderten Antriebsdrehmomentes zu bestimmen, und den Range-Extenders in Abhängigkeit der Leistungsangabe zu steuern.
Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Steuervorrichtung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung.
Ferner ist die Erfindung auf ein übergeordnetes Steuergerät gerichtet, welches die vorstehende Steuervorrichtung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst. Das Steuergerät dient dabei neben der Steuerung des Range-Extenders auch der Steuerung der ersten elektrischen Maschine, die das Elektrofahrzeug direkt antreibt. Das Steuergerät umfasst Mittel zum Bestimmen oder lediglich zur Entgegennahme eines ersten und eines zweiten Momenten-Signals zur Angabe eines angeforderten Antriebsdrehmoments basierend auf einer Fahrpedal-Stellung. Das erste Momenten-Signal wird in die obige Steuervorrichtung gespeist und das zweite Momenten-Signal dient zur Steuerung der ersten elektrischen Maschine.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. In diesen zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ansteuerung eines Range-Extenders in einem Elektrofahrzeug;
2 ein Ausführungsbeispiel zur Berechnung der Leistungsanforderung P_rex des Range-Extenders 3;
3 beispielhafte Grenzen des Wertebereichs des Drehmoments M_dk in Abhängigkeit von der Drehzahl N_dk; und
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ansteuerung eines Range-Extenders in einem Elektrofahrzeug.
1 zeigt Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ansteuerung eines Range-Extenders 3 in einem Elektrofahrzeug. Das Elektrofahrzeug umfasst eine elektrische Maschine 1 sowie einen elektrischen Energiespeicher 6 (beispielsweise eine aufladbare Batterie oder einen Kondensator) zur Versorgung der elektrischen Maschine 1 mit elektrischer Energie. Die elektrische Maschine 1 dient dem Antrieb des Kraftfahrzeugs und ist mit dem Antriebsstrang (nicht dargestellt) des Fahrzeugs mechanisch verbunden. Der Range-Extender 3 dient zur elektrischen Energieversorgung der ersten elektrischen Maschine, des elektrischen Energiespeichers und auch des Bordnetzes. Der Range-Extender 3 umfasst einen Verbrennungsmotor 4 und eine mechanisch mit dem Verbrennungsmotor 4 gekoppelte elektrische Maschine 2.
Ferner ist ein Funktionsblock 5 zur Ansteuerung des Range-Extenders 3 über eine geforderte Leistung vorgesehen. Durch den Block 5 wird die Aufteilung der Momente zwischen der elektrischen Maschine 1 und dem Verbrennungsmotor 4 um eine Leistungsbetrachtung erweitert, mit der der Range-Extender 3 angesteuert wird. Der Funktionsblock 5 nimmt ein gefordertes Sollantriebsdrehmoment M_dk sowie eine gemessene Drehzahl N_rad entgegen. Das geforderte Antriebsdrehmoment M_dk ergibt sich aus dem Fahrerwunsch und basiert auf der Fahrpedal-Stellung. Bei dem Antriebsdrehmoment M_dk handelt es sich vorzugsweise um das Drehmoment am Getriebeeingang und bei der Drehzahl N_rad handelt es sich vorzugsweise um die (gemessene) Raddrehzahl. Die Steuervorrichtung 5 berechnet intern eine Leistungsangabe, insbesondere eine Soll-Leistungsabgabe, in Abhängigkeit des angeforderten Antriebsdrehmomentes M_dk, wobei der Range-Extender 3 in Abhängigkeit dieser Leistungsangabe (insbesondere Soll-Leistungsabgabe) angesteuert wird. Vorzugsweise wird in dem Steuerblock 5 eine angeforderte Antriebsleistung P_{wunsch fahrer} in Abhängigkeit des angeforderten Antriebsdrehmomentes M_dk und der Drehzahl N_rad bestimmt. In Abhängigkeit der angeforderten Antriebsleistung P_{wunsch fahrer} wird eine angeforderte Sollleistung P des Range-Extenders 3 bestimmt. Die Leistung P_rex des Range-Extenders 3 wird durch die strategische Leistungskoordination 7 beeinflusst. Zur Leistungskoordination werden drei Schnittstellen vorgeschlagen, um den Range-Extender abhängig vom Fahrerwunsch und der zur Verfügung stehenden Batterieleistung zu steuern: P_{batt laden}, P_{batt max ab} und P_{batt max auf}.
Dabei beschreibt die Größe P_{batt laden} die geforderte Leistung zur Ladung der Batterie und/oder zur Stützung des Bordnetzes. Die Größe P_{batt max ab} gibt die maximale Abgabeleistung des elektrischen Energiespeichers 6 an (entspricht „max” in Block 7), beispielsweise die maximale Abgabeleistung der Batterie 6 ohne die Batterie 6 bei Leistungsentnahme zu schädigen. Hierbei handelt es sich hauptsächlich um Leistung, die in der vom Energiespeicher 6 gespeisten elektrischen Maschine 1 für den Antrieb verwendet wird; die Leistung kann aber auch für andere Verbraucher wie Klimaanlage oder das Bordnetz verwendet werden. Die Größe P_{batt max auf} beschreibt die maximale Aufnahmeleistung des Energiespeichers 6 (entspricht „min” in Block 7), beispielsweise die maximale Ladeleistung ohne die Batterie 6 bei der Ladung zu schädigen.
Die Größen P_{batt max ab} und P_{batt max auf} basieren vorzugsweise auf einer Voraussschau, beispielsweise auf einer Vorausschau für die nächsten 10 Sekunden.
Die Bestimmung der angeforderten Sollleistung P_rex des Range-Extenders 3 wird im Zusammenhang mit 2 anhand eines Ausführungsbeispiels genauer erläutert.
Der Range-Extender 3 wird in Abhängigkeit der angeforderten Leistung P_rex des Range-Extenders 3 gesteuert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird basierend auf der angeforderten Leistung P_rex ein gefordertes Drehmoment M_drex des Range-Extenders 3 und eine geforderte Drehzahl N_kw des Range-Extenders 3 bestimmt. Vorzugsweise wird das Drehmoment M_drex zur Ansteuerung des Verbrennungsmotors 4 verwendet, während die Drehzahl N_kw zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 2 verwendet wird.
Die elektrische Maschine 1 wird typischerweise von dem Energiespeicher 6 mit elektrischer Leistung versorgt (s. P_batt in 1). Die elektrische Maschine 1 kann bei Betrieb des Range-Extenders 4 auch durch die erzeugte Leistung P_rex des Range-Extenders direkt mit elektrischer Energie versorgt werden. Ein Teil P_{batt laden} der erzeugten Leistung P_rex kann dabei zur Ladung des elektrischen Energiespeichers 6 und/oder zur Speisung des Bordnetzes (nicht dargestellt), insbesondere auch zur Speisung elektrischer Verbraucher (nicht dargestellt) verwendet werden.
Vorzugsweise ist es in 1 vorgesehen, dass die elektrische Maschine 1 wahlweise lediglich über den Range-Extender 3 (d. h. nicht über die Batterie 6) mit elektrischer Energie vorsorgt wird.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Berechnung der Leistungsanforderung P_rex des Range-Extenders 3 in dem Steuerblock 5. Der Steuerblock 5 berechnet durch Multiplikation des Drehmoments M_dk und der Raddrehzahl N_rad die angeforderte Antriebsleistung P_{wunsch fahrer}. Da sich die Drehzahl N_rad auf die Räder und nicht auf den Getriebeeingang bezieht, wird ferner ein Faktor k berücksichtigt, der unter anderem die Übersetzung zwischen Rad und Getriebeeingang beschreibt.
Bei der Berechnung der Leistungsanforderung P_rex des Range-Extenders 3 können mehrere Fälle unterschieden werden.
1. Fall(P_{wunsch fahrer} > P_{batt max ab}
Im unteren Pfad 10 erfolgt ein Vergleich zwischen der angeforderte Antriebsleistung P_{wunsch fahrer} und der maximalen Abgabeleistung P_{batt max ab} des elektrischen Energiespeichers 6. Für den Fall, dass die angeforderte Antriebsleistung P_{wunsch fahrer} größer als die maximale Abgabeleistung P_{batt max ab} des elektrischen Energiespeichers 6 ist, ergibt sich im unteren Pfad 10 am Ausgang der Maximum-Operation 13 (Maximum zwischen P_{wunsch fahrer} – P_{batt max ab} und 0) ein positiver Wert, welcher P_{wunsch fahrer} – P_{batt max ab} entspricht. Auf diesen Wert wird die Sollleistung P_{batt laden} zur Ladung des elektrischen Energiespeichers und/oder zur Speisung des Bordnetzes addiert. Das Ergebnis dieser Rechenoperationen wird noch durch den Wirkungsgrad η des Range-Extenders 3 dividiert, um die angeforderte Leistung P_rex des Range-Extenders zu bestimmen. Die angeforderte Leistung des Range-Extenders wird in diesem Fall gemäß der folgenden Gleichung bestimmt: P_{rex soll} = (P_{wunsch fahrer} – P_{batt max} + P_{batt laden})·1/η
2. Fall
Im oberen Pfad 11 wird insbesondere für negative Werte der angeforderten Leistung P_{wunsch fahrer} (z. B. –16 kW) verwendet, also beispielsweise wenn die angeforderte Drehmoment M_dk negativ ist (z. B. im Schubfall). Hier wird die Summe aus dem Betrag der geforderten (negativen) Antriebsleistung P_{wunsch fahrer} (z. B. –16 kW) und der Sollleistung P_{batt laden} (3 kW) zur Ladung des elektrischen Energiespeichers und/oder zur Speisung des Bordnetzes mit der maximalen Aufnahmeleistung P_{batt max auf} (z. B. 10 kW) des elektrischen Energiespeichers 6 verglichen. Dabei ist zu beachten, dass die 2 dargestellte Größe P_{batt min} = –P_{batt max auf} einen negativen Wertbereich hat (d. h. beispielsweise im Fall einer maximalen Aufnahmeleistung P_{batt max auf} von 10 kW gilt P_{batt min} = –10 kW).
Der Range-Extender 3 kann auch zum Unterstützen des Schubmomentes angesteuert werden, indem der Range-Extender mit einer negativen Leistung P_rex angesteuert wird. Mit anderen Worten: ein negatives Drehmoment M_dk, welches sich beispielsweise bei Loslassen des Fahrpedals ergibt, kann bei einer negativen Leistungsvorgabe P_rex in dem Range-Extender 3 verbraucht werden, so dass diese im Range-Extender 3 verbrauchte Leistung nicht in das Bordnetz oder die Batterie gespeist werden muss, wenn hier keine Aufnahmekapazität vorhanden ist. 3 zeigt in diesem Zusammenhang für einen Elektroantriebsmotor beispielhafte Grenzen des Wertebereichs des Drehmoments M_dk in Abhängigkeit von der Drehzahl N_dk. Aus 3 ist ersichtlich, dass das Drehmoment M_dk in Abhängigkeit der Fahrervorgabe zwischen dem negativen Schleppmoment M_schlepp und dem positiven maximalen Drehmoment M_max liegen kann. Ein negatives Drehmoment M_dk und die damit verbundene negative Leistungsanforderung P_{wunsch fahrer} (also ein Leistungsüberschuss) kann mit Hilfe des Range-Extenders 3 zumindest teilweise aufgefangen werden, so dass der elektrische Energiespeicher 6 nicht überladen wird, falls dessen Aufnahmefähigkeit bereits erschöpft ist.
Falls nämlich im 2. Fall die vorstehend genannte Summe (z. B. 19 kW) aus dem Betrag (z. B. 16 kW) der geforderten (negativen) Antriebsleistung P_{wunsch fahrer} und der Sollleistung P_{batt laden} (3 kW) zur Ladung des elektrischen Energiespeichers und/oder zur Speisung des Bordnetzes größer als die maximale Aufnahmeleistung P_{batt max auf} (z. B. 10 kW) ist, ergibt sich am Ausgang der Minimum-Operation 14 ein negativer Wert, der P_{wunsch fahrer} – P_{batt laden} – P_{batt min} entspricht. Auf diesen negativen Wert wird wieder die Größe P_{batt laden} addiert, so dass der Wert am Ausgang der Addition 15 der Differenz (z. B. –6 kW) zwischen P_{wunsch fahrer} (z. B. –16 kW) und P_{batt min} (z. B. –10 kW) entspricht. Hierbei wird die Differenz vorzugsweise noch durch den Wirkungsgrad η (z. B. 0,9) des Range-Extenders 3 dividiert, um daraus die negative Leistung P_rex (z. B. 0,9·–6 kW = –5,4 kW) des Range-Extenders 3 zu ermitteln.
Falls die Summe (z. B. 19 kW) größer als die maximale Aufnahmeleistung P_{batt max auf} (z. B. 10 kW) ist, wird die Batterie 6 mit der maximalen Aufnahmeleistung P_{batt max auf} (z. B. 10 kW) geladen; die negative Leistung P_rex (z. B. –5.4 kW) des Range-Extenders 3 wird dann im Range-Extender 3 quasi vernichtet. Dies erfolgt dadurch, dass die elektrische Maschine 2 des Range-Extenders 3 als Motor betrieben wird und der Range-Extender 3 ohne Einspritzung dreht.
3. Fall
Falls die Summe (z. B. 7 kW) aus dem Betrag (z. B. 4 kW) der geforderten (negativen) Antriebsleistung P_{wunsch fahrer} und der Sollleistung P_{batt laden} (3 kW) zur Ladung des elektrischen Energiespeichers und/oder zur Speisung des Bordnetzeshingegen kleiner als die maximale Aufnahmeleistung (z. B. 10 kW) ist, ergibt sich am Ausgang der Minimum-Operation 14 eine Null. Falls außerdem die angeforderte Antriebsleistung P_{wunsch fahrer} (z. B. –4 kW) kleiner als eine maximale Abgabeleistung (z. B. 50 kW) des elektrischen Energiespeichers 6 ist, ergibt sich auch am Ausgang der Maximum-Operation 13 eine Null, so dass in diesem Fall die angeforderte Leistung P_rex (z. B. 31/3 kW) des Range-Extenders 3 der Leistung P_{batt laden} (z. B. 3 kW) dividiert durch den Wirkungsgrad η (z. B. 0,9) des Range-Extenders 3 entspricht. In diesem Fall wird die Batterie 6 mit einem Wert (z. B. 7,33 kW) geladen, der der Summe aus dem Betrag der angeforderten Antriebsleistung P_{wunsch fahrer} (z. B. –4 KW) und der mit dem Wirkungsgrad η (z. B. 0,9) multiplizierten Leistung P_rex (z. B. 3,33 kW) entspricht.
Im hinteren Teil des Blocks 5 wird dann die Leistungsanforderung P_rex des Range-Extenders 3 über ein Kennlinienfeld 16 in eine Drehzahl N_kw umgerechnet. Das Kennlinienfeld 16 verwendet die Motortemperatur T_mot als Parameter. Aus der Leistung P_rex und der Drehzahl N_kw lässt sich dann das Moment M_drex des Range-Extenders 3 bestimmen. Der Range-Extender 3 wird über das Binärsignal St_rex im Generatorbetrieb gestartet. Das Binärsignal St_rex schaltet auf „true”, wenn die Leistung P_rex des Range-Extenders 3 größer als eine Startanforderung K_rexstart (z. B. 0,5 kW) ist. Im Fall einer negativen Leistung P_rex wird bei bekanntem negativen Schleppmoment des Verbrennungsmotors 4 eine passende Drehzahl N_kw für die elektrische Maschine 2 bestimmt wird (nicht dargestellt). Die Drehzahl ergibt sich hierbei aus dem bekannten Schleppmoment des Verbrennungsmotors des Range-Extenders.
Aus 1 und 2 zeigt sich, dass sich durch die Verknüpfung der strategischen Anforderungen über die drei Schnittstellen P_{batt laden}, P_{batt max ab} und P_{batt max auf} mit dem Fahrerwunsch automatisch eine Leistungsanforderung P_rex an den Range-Extender 3 ergibt, wenn die Batterieleistung nicht ausreichend für die geforderten Fahrleistungen ist (s. den Vergleich in Pfad 10 in 2). Wie vorstehend beschrieben, kann bei einer negativen Drehmomentanforderung, insbesondere im Schubfall, sogar eine negative Leistung P_rex des Range-Extenders 3 angefordert werden. Dies entspricht beispielsweise einer Bergabfahrt mit voller Batterie und ohne Einspritzung drehendem Range-Extender 3, um eine elektrische Rest-Verzögerung über den Fahrerwunsch und die elektrische Maschine des Antriebs bereitstellen zu können.
Im Extremfall mangelnder Batterieunterstützung (z. B. Notlauf mit defekter Batterie oder leere Batterie) ist die vorstehend beschriebene Ansteuerung in der Lage, den Range-Extender direkt über den Fahrerwunsch anzusteuern und das Fahrzeug als rein seriellen Hybrid ohne elektrischen Zwischenspeicher zu betreiben. Die Beeinflussung über die strategischen Größen wird dann zu Null gesetzt. Sämtliche Größen P_{batt laden}, P_{batt max ab} und P_{batt max auf} können dann auf Null gesetzt werden. Damit ist der Zwischenspeicher wirkungslos.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ansteuerung eines Range-Extenders 3 in einem Elektrofahrzeug. Mit gleichen Bezugszeichen in 1 und 4 versehene Zeichnungsbestandteile entsprechen einander. Ausgehend von dem über das Fahrpedal mitgeteilten Fahrerwunsch werden in einem Block 20 zur Momenten-Koordination die Sollmomentsignale M_dkl und M_dk bestimmt. Das Sollmoment beider Sollmomentsignale entspricht einander, jedoch liegt das Signal M_dkl schneller an als das Signal M_dk. Das Sollmomentsignal M_dkl wird in die Steuervorrichtung 5 gespeist und das Sollmomentsignal M_dk dient zur Steuerung der elektrischen Maschine 1. Wie im Zusammenhang mit 1 und 2 besprochen, werden in Block 5 das Drehmoment M_drex und die Drehzahl N_kw des Range-Extenders 3 bestimmt. Die Drehmomentanforderung M_drex wird im Range-Extender 3 über zwei parallele Pfade umgesetzt: über einen langsam reagierenden Pfad 21 und einen schnell reagierenden Pfad 22. Der langsame Pfad 21 steuert beispielsweise über die Drosselklappe die Luftzufuhr. Der schnelle Pfad 22 setzt die Drehmomentanforderung beispielsweise über den Zündwinkel oder den Einspritzzeitpunkt um. Die vom Verbrennungsmotor 4 erzeugte mechanische Leistung wird in der elektrischen Maschine 2 des Range-Extenders 3 in elektrische Leistung P_rex umgesetzt. Die elektrische Leistung P_rex kann zum Laden der Batterie 6 und/oder zum Speisen der elektrischen Antriebsmaschine 1 in der im Zusammenhang mit 1 diskutierten Weise verwendet werden.
Die vorstehend beschriebene technische Lehre erlaubt die Berechnung der elektrischen Leistungsabgabe des Range-Extenders auf der Basis des Fahrerwunschmomentes. Es werden die strategischen Bedarfe der Batterieleistung und Ladung innerhalb der Leistungsbetrachtung des Fahrerwunsches vorzugsweise durch lediglich drei Schnittstellen berücksichtigt. Basis für die Berechnung ist die Leistungsbetrachtung von Fahrerwunsch, Range-Extender und Batterie. Außerdem erlaubt die Erfindung die einfache Einbindung in bekannte Momentenstrukturen für die Längsführung von Fahrzeugen. Dies ermöglicht die Berücksichtigung alle Schnittstellen im Fahrzeug, wie die V_max-Regelung, Fahrgeschwindigkeitsregelung, Fahrdynamikregelung etc. Die Erfindung erlaubt eine Notlauffähigkeit: auch ohne strategische Vorgabe und ohne Batterie wird immer die richtige Sollleistungsabgabe des Range-Extenders berechnet. Die Berechnung der Leistungsabgabe ermöglicht dabei den Antriebsfall als auch den Verzögerungsfall. Beide Fälle können unter Zuhilfenahme des Range-Extenders gesteuert werden. So werden die Eigenschaften des rein verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeuges mit den Eigenschaften des rein elektromotorisch betriebenen Fahrzeuges kombiniert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5264764 [0004]
EP 0739772 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Range-Extenders (3) in einem Elektrofahrzeug, welches umfasst: – eine erste elektrische Maschine (1) zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, – einen elektrischen Energiespeicher (6) zur Versorgung der ersten elektrischen Maschine (1), – den Range-Extender (3) umfassend einen Verbrennungsmotor (4) und eine mechanisch mit dem Verbrennungsmotor (4) gekoppelte zweite elektrische Maschine (2), mit den Schritten: – Bestimmung einer Leistungsangabe (P_rex) in Abhängigkeit eines angeforderten Antriebsdrehmomentes (M_dk); und – Steuern des Range-Extenders (3) in Abhängigkeit der Leistungsangabe (P_rex).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens der Leistungsangabe umfasst: – Bestimmen einer angeforderten Antriebsleistung (P_{wunsch fahrer}) in Abhängigkeit des angeforderten Antriebsdrehmomentes (M_dk); und – Bestimmen einer angeforderten Leistung (P_rex) des Range-Extenders (3) in Abhängigkeit der angeforderten Antriebsleistung (P_{wunsch fahrer}), wobei der Range-Extender (3) in Abhängigkeit der angeforderten Leistung (P_rex) des Range-Extenders (3) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die angeforderte Leistung (P_rex) des Range-Extenders (3) in Abhängigkeit der angeforderten Antriebsleistung (P_{wunsch fahrer}) und in Abhängigkeit eines oder mehrerer Parameter (P_{batt laden}, P_{batt max ab} und P_{batt max auf}) des elektrischen Energiespeichers (6) und/oder Bordnetzes bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–3, wobei die angeforderte Leistung (P_rex) des Range-Extenders (3) in Abhängigkeit einer maximalen Abgabeleistung (P_{batt max ab}) des elektrischen Energiespeichers (6) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–4, wobei die angeforderte Leistung (P_rex) des Range-Extenders (3) in Abhängigkeit einer Sollleistung (P_{batt laden}) zur Ladung des elektrischen Energiespeichers (6) und/oder zur Speisung des Bordnetzes bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–5, wobei die angeforderte Leistung (P_rex) des Range-Extenders (3) in Abhängigkeit einer maximalen Aufnahmeleistung (P_{batt max auf}) des elektrischen Energiespeichers (6) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–3, wobei die angeforderte Leistung (P_rex) des Range-Extenders (3) bestimmt wird aus – der angeforderten Antriebsleistung (P_{wunsch fahrer}), – abzüglich einer maximalen Abgabeleistung (P_{batt max ab}) des elektrischen Energiespeichers (6), – zuzüglich einer Sollleistung (P_{batt laden}) zur Ladung des elektrischen Energiespeichers (6) und/oder zur Speisung des Bordnetzes.
Verfahren nach einem der Anspreche 2–3, wobei die geforderte Antriebsleistung (P_{wunsch fahrer}) und/oder die angeforderte Leistung (P_rex) des Range-Extenders (3) einen negativen Wert annehmen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–3, wobei zur Bestimmung der angeforderten Leistung (P_rex) des Range-Extenders die Summe aus – dem Betrag der geforderten Antriebsleistung (P_{wunsch fahrer}), welche einen negativen Wert aufweist, und – einer Sollleistung (P_{batt laden}) zur Ladung des elektrischen Energiespeichers (6) und/oder zur Speisung des Bordnetzes mit einer maximalen Aufnahmeleistung (P_{batt max auf}) des elektrischen Energiespeichers (6) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei falls die Summe größer als die maximale Aufnahmeleistung (P_{batt max auf}) ist, die angeforderte Leistung (P_rex) des Range-Extenders (3) negativ ist und sich der Betrag der angeforderten Leistung (P_rex) des Range-Extenders (3) aus der Differenz zwischen dem Betrag der geforderten negativen Antriebsleistung (P_{wunsch fahrer}) und der maximalen Aufnahmeleistung (P_{batt max auf}) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei falls – die Summe kleiner als die maximale Aufnahmeleistung (P_{batt max auf}) ist, und – die geforderte Antriebsleistung (P_{wunsch fahrer}) kleiner als eine maximale Abgabeleistung (P_{batt max ab}) des elektrischen Energiespeichers (6) ist, sich die Leistung (P_rex) des Range-Extenders (3) aus der Sollleistung (P_{batt laden}) zur Ladung des elektrischen Energiespeichers (6) und/oder zur Speisung des Bordnetzes bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–11, wobei eine Drehzahlangabe (N_kw) und/oder ein Drehmomentangabe (M_drex) in Abhängigkeit der angeforderten Leistung (P_rex) des Range-Extenders (3) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–11, wobei – eine Drehzahlangabe (N_kw) und ein Drehmomentangabe (M_drex) in Abhängigkeit der angeforderten Leistung (P_rex) des Range-Extenders (3) bestimmt wird, und – die Drehzahlangabe (N_kw) zur Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine (2) verwendet wird und die Drehmomentangabe (M_drex) zur Ansteuerung des Verbrennungsmotors (4) verwendet wird.
Steuervorrichtung (5) zur Steuerung eines Range-Extenders (3) in einem Elektrofahrzeug, welches umfasst: – eine erste elektrische Maschine (1) zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, – einen elektrischen Energiespeicher (6) zur Versorgung der ersten elektrischen Maschine (1), – den Range-Extender (3) umfassend einen Verbrennungsmotor (4) und eine mechanisch mit dem Verbrennungsmotor (4) gekoppelte zweite elektrische Maschine (2), wobei die Steuervorrichtung (5) eingerichtet ist, – eine Leistungsangabe (P_rex) in Abhängigkeit eines angeforderten Antriebsdrehmomentes (M_dk) zu bestimmen, und – den Range-Extenders (3) in Abhängigkeit der Leistungsangabe (P_rex) zu steuern.