-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere einen PKW, mit einer wiederaufladbaren Batterie und einer elektrischen Motor-Generator-Einheit, die in der Lage ist, in einem Generatorbetriebsmodus die Batterie aufzuladen und in einem Motorbetriebsmodus das Fahrzeug mittels in der Batterie gespeicherter elektrischer Energie anzutreiben.
-
Aus
DE 10 2010 003 252 A1 ist ein derartiges Fahrzeug bekannt, dessen Motor-Generator-Einheit nicht nur zum Aufladen der eigenen Batterie, sondern zusätzlich auch der Batterie eines Kleinfahrzeugs, wie etwa eines E-Bikes, geeignet ist, das mit dem Fahrzeug, zur besseren Unterscheidung von dem Kleinfahrzeug auch als Trägerfahrzeug bezeichnet, transportiert werden kann. Für den Benutzer ist es bequem, die Batterie des E-Bikes während der Fahrt mit dem Trägerfahrzeug aufladen zu können und dadurch bei Beendigung der Fahrt mit dem Trägerfahrzeug eine einsatzbereite Batterie für das Kleinfahrzeug zur Verfügung zu haben. Um allerdings die Batterie des Kleinfahrzeugs unterwegs laden zu können, muss ein Generator des Trägerfahrzeugs leistungsfähig genug sein, um die Batterien von Träger- und Kleinfahrzeug laden zu können. Die hohe Leistung wird in der Regel mit einem entsprechend hohen Gewicht des Generators erkauft, das sich wiederum auf den Energiebedarf des Trägerfahrzeugs auswirkt. Wenn die Batterie des Kleinfahrzeugs nicht an Bord ist, können die vom Generator erzeugte Ladeleistung und das Aufnahmevermögen der Batterie des Trägerfahrzeugs schlecht aufeinander abgestimmt sein; dies hat eine Erhöhung der Ladespannung und verstärkte Erwärmung der Batterie beim Laden zur Folge, und der Wirkungsgrad des Generatorbetriebs nimmt ab, was wiederum zu einem verstärkten Primärenergieverbrauch beim Trägerfahrzeug führt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Fahrzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, das in der Lage ist, als Trägerfahrzeug eine geladene Batterie für ein Hilfsfahrzeug bereitzustellen, ohne dass dies mit einer Zunahme von Gewicht bzw. Energieverbrauch des Trägerfahrzeugs verbunden ist.
-
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Fahrzeug mit einer elektrischen Motor-Generator-Einheit, einer wieder aufladbaren Batterie und einer Steuereinheit zum Steuern des Zusammenwirkens der Batterie und der Motor-Generator-Einheit die Batterie wenigstens eine erste und eine zweite Einheit umfasst, dass die erste Einheit getrennt von der zweiten aus dem Fahrzeug entnehmbar ist und die Steuereinheit eingerichtet ist, einen Ladestrom der ersten Einheit unabhängig von einem Ladestrom der zweiten Einheit zu steuern. Auf diese Weise kann dafür gesorgt werden, dass die erste Batterie in den durch die Verfügbarkeit von Ladestrom gesetzten Grenzen bevorzugt geladen wird und daher, wenn das Fahrzeug abgestellt ist, mit hoher Wahrscheinlichkeit einen ausreichenden Füllstand aufweist, um entnommen und als Batterie des Hilfsfahrzeugs benutzt werden zu können. Solange das Trägerfahrzeug allerdings unterwegs ist, bildet die erste Einheit einen Teil von dessen Batterie und kann daher im Bedarfsfall benutzt werden, um das Trägerfahrzeugs selbst mit Strom zu versorgen. Die erste Einheit stellt daher keine tote Last dar, die nur mitgeschleppt wird, um das Hilfsfahrzeug nutzen zu können. Da ein Hilfsfahrzeug, wenn es auf dem Trägerfahrzeug mitgeführt wird, keine eigene Batterie benötigt, verringert sich das Gewicht des beladenen Trägerfahrzeugs um das Gewicht der Batterie des Hilfsfahrzeugs, was wiederum zu einer Verringerung des Energieverbrauchs beiträgt.
-
Die unabhängige Steuerung der Ladeströme kann darin bestehen, dass die Steuereinheit zeitweilig nur die erste Einheit oder nur die zweite Einheit mit einem Ladestrom beaufschlagt. Zu jeweils anderen Zeiten können beide Einheiten gleichzeitig mit dem Ladestrom beaufschlagt werden.
-
Die Motor-Generator-Einheit eines solchen Fahrzeugs kann zwei elektrische Maschinen zur Nutzung als Generator bzw. als Motor umfassen. Zur Gewichtsminimierung bevorzugt ist, wenn ein und dieselbe elektrische Maschine wahlweise als Motor und als Generator nutzbar ist.
-
Wenn die Steuereinheit eingerichtet ist, zum Bremsen des Fahrzeugs die Motor-Generator-Einheit in einem Rekuperationsmodus als Generator zu betreiben, kann sie den im Generatorbetrieb erzeugten Strom zweckmäßigerweise als Ladestrom in die erste Einheit einspeisen.
-
Bei Motorbetrieb sollte die Steuereinheit, um eine ausreichende Leistung bereitstellen zu können, die Motor-Generator-Einheit zweckmäßigerweise mit Strom aus beiden Einheiten der Batterie beaufschlagen.
-
Die Steuereinheit kann zweckmäßigerweise einen Betriebsmodus aufweisen, in dem sie programmierbar ist, die erste Batterieeinheit in einer vorgegebenen Zeit oder auf einer vorgegebenen Wegstrecke voll zu laden. Wenn der Benutzer auf diese Weise der Steuereinheit Rahmenbedingungen für den Ladebetrieb setzt, kann die Steuereinheit die Batterieeinheit effizient, insbesondere unter größtmöglichem Einsatz von Rekuperationsenergie, laden.
-
In einer besonders komfortablen Weiterentwicklung ist die Steuereinheit an ein Navigationssystem gekoppelt, um von diesem eine Angabe über die vorgegebene Zeit oder die vorgegebene Wegstrecke zu empfangen. Navigationssysteme, die basierend auf einer aktuellen Position des Fahrzeugs und einer Fahrzieleingabe die Länge des Weges zum Ziel und die zum Erreichen des Ziels voraussichtlich benötigte Zeit berechnen, sind in verbreitetem Gebrauch und können für die Zwecke der Erfindung mit geringem Aufwand angepasst werden.
-
Basierend auf der zurückzulegenden Wegstrecke oder der zur Verfügung stehenden Zeit kann die Steuereinheit die Menge der bis zum Ziel durch Rekuperation erzeugbaren elektrischen Energie abschätzen und mit dem Ladezustand der ersten Batterieeinheit in Beziehung setzen. Wenn die durch Rekuperation erzeugbare Energiemenge absehbar nicht ausreicht, um die erste Batterieeinheit voll zu laden, kann die fehlende elektrische Energie erzeugt werden, indem die Motor-Generator-Einheit in einem Lichtmaschinen-Betriebsmodus, d. h. als ein von einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs angetriebener Generator, genutzt wird.
-
Die erste Batterieeinheit sollte für einen Benutzer gut zugänglich sein, um sie bequem auf ein Hilfsfahrzeug und zurück versetzen zu können. Daher ist sie im Trägerfahrzeug vorzugsweise in einer Fahrgastzelle oder einem Laderaum des Fahrzeugs oder in einem von Fahrgastzelle oder dem Laderaum aus zugänglichen Fach untergebracht.
-
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Steuereinheit zum Steuern des Zusammenwirkens einer zwei Einheiten umfassenden Batterie und einer Motor-Generator-Einheit eines Fahrzeugs, die eingerichtet ist, einen Ladestrom der ersten Einheit unabhängig von einem Ladestrom der zweiten Einheit zu steuern, und durch ein Verfahren zum Steuern des Zusammenwirkens einer zwei Einheiten umfassenden Batterie und einer Motor-Generator-Einheit eines Fahrzeugs, mit den Schritten
- a) Abschätzen einer von der Motor-Generator-Einheit auf einer vorgegebenen Strecke voraussichtlich erzeugbaren Menge an elektrischer Energie, und
- b) Verteilen der Energie auf die zwei Einheiten derart, dass am Fahrziel die erste Einheit voll geladen ist.
-
Weitere Erfindungsgegenstände sind ein Computerprogrammprodukt, welches Instruktionen umfasst, die bei Ausführung auf einem Computer diesen befähigen, als Steuereinheit wie oben beschrieben zu arbeiten oder das oben angegebene Verfahren auszuführen, sowie ein computerlesbarer Datenträger, auf Programmanweisungen aufgezeichnet sind, die einen Computer befähigen, in der oben genannten Weise zu arbeiten.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Aus dieser Beschreibung und den Figuren gehen auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Trägerfahrzeugs; und
-
2 ein Flussdiagramm eines in einer Steuereinheit des Trägerfahrzeugs ablaufenden Arbeitsverfahrens.
-
Das in 1 schematisch dargestellte Trägerfahrzeug, ein PKW, umfasst in an sich bekannter Weise einen Verbrennungsmotor 1, der über eine Abtriebswelle 2, nicht dargestellte Kupplungen und ein Schaltgetriebe wahlweise Räder 3 und/oder eine Motor-Generator-Einheit 4 antreibt. Je nach Dimensionierung kann die Motor-Generator-Einheit 4 ausgelegt sein, um im Motorbetrieb das Fahrzeug allein anzutreiben, oder um lediglich den Verbrennungsmotor 1 zu unterstützen und dadurch schnelle, stark kraftstoffzehrende Beschleunigungen des Verbrennungsmotors 1 bzw. dessen Betrieb an wenig energieeffizienten Arbeitspunkten zu vermeiden.
-
Im Generatorbetrieb kann je nach Stellung der Kupplungen die Motor-Generator-Einheit mit dem Verbrennungsmotor 1 verbunden sein, um wie eine herkömmliche Lichtmaschine Strom aus mechanischer Energie des Verbrennungsmotors 1 zu erzeugen, oder sie kann an die Räder 3 gekoppelt sein, um elektrische Energie aus der Bewegungsenergie des Fahrzeugs zu gewinnen und es dadurch zu verzögern, d. h, es kann zwischen zwei Fällen des Generatorbetriebs unterschieden werden, nämlich Lichtmaschinen- und Rekuperationsbetrieb.
-
Zwischen die Motor-Generator-Einheit 4 und erste und zweite Einheiten 6, 7 einer Fahrzeugbatterie ist eine Steuereinheit 5 geschaltet, die das Zusammenwirken von Motor-Generator-Einheit 4 und Batterie 6, 7 steuert, wie im Folgenden anhand von 2 genauer erläutert wird.
-
Die erste Einheit 6 der Batterie ist an einer Stelle untergebracht, an der ein Benutzer des Fahrzeugs darauf zugreifen kann, ohne den Motorraum öffnen zu müssen und Gefahr zu laufen, sich dabei Hände oder Kleidung zu verschmutzen. Die erste Einheit 6 kann z. B. in einem ansonsten wenig genutzten Bereich der Fahrgastzelle 8, hinter einer Mittelkonsole 9, insbesondere in einem seitwärts, zum Fußraum von Fahrer- oder Beifahrersitz offenen Fach, untergebracht sein; in Betracht kommt auch eine Unterbringung in einem Laderaum 10 des Fahrzeugs, z. B. in einer Aussparung einer Seitenwandverkleidung 11, wo sie nach Öffnen einer in der Figur nicht dargestellten Laderaumklappe bequem zugänglich ist. Die zweite Einheit 7 der Batterie kann im Motorraum Platz finden.
-
Ein Sensor 12 zum Erfassen einer eventuellen Entnahme der ersten Batterieeinheit 6 kann an die Steuereinheit 5 angeschlossen sein. Ein solcher Sensor 12 kann z. B. Mittel zum Erfassen des Ladezustandes der beiden Einheiten 6, 7 umfassen, wobei die Steuereinheit 5 dann eine stattgefundene Entnahme der ersten Einheit 6 daran erkennt, dass deren Ladezustand niedriger ist als der der zweiten Einheit 7. Denkbar ist auch ein unmittelbar am Einbauort der ersten Einheit 6 vorgesehener Sensor 12, z. B. in Form eines Relais, das beim Entnehmen der Batterieeinheit 6 von dieser in einen die Entnahme anzeigenden Zustand verschoben wird und, wenn anschließend bei einem Start des Fahrzeugs die Batterieeinheit 6 wieder eingesetzt ist, durch ein Steuersignal der Steuereinheit 5 zurück in seine Ruhestellung versetzt wird.
-
2 zeigt ein Flussdiagramm eines in der Steuereinheit 5 ablaufenden Arbeitsverfahrens. Nach einem Start des Fahrzeugs wird in Schritt 51 zunächst anhand des Sensors 12 überprüft, ob während des vorhergehenden Stillstands des Fahrzeugs die Batterieeinheit 6 entnommen worden ist. Wenn ja, verzweigt das Verfahren zu Schritt S2, um vom Fahrer einen gewünschten Betriebsmodus für die Batterieeinheit 6 abzufragen.
-
Ein erster möglicher Betriebsmodus (I) ist paralleler Betrieb mit der Batterieeinheit 7 in Schritt S3. Dieser Modus kann darin bestehen, dass im Generatorbetrieb beide Batterieeinheiten 6, 7 in elektrischer Parallelschaltung geladen und auch jeweils gleichzeitig zur Versorgung elektrischer Verbraucher des Fahrzeugs wie etwa der als Motor betriebenen Motor-Generator-Einheit 4, Scheinwerfern etc. herangezogen werden, so dass sich im Laufe der Zeit gleiche Ladezustände beider Einheiten 6, 7 einstellen. Alternativ kann dieser Betriebszustand auch darin bestehen, dass im Lichtmaschinenbetrieb beide Einheiten 6, 7 der Batterie parallel geladen werden, dass aber mit durch Rekuperation gewonnener elektrischer Energie normalerweise nur die Einheit 6 aufgeladen wird und die Einheit 7 nur dann rekuperativ geladen wird, wenn die Einheit 6 voll ist.
-
Dieser erste Betriebsmodus wird von der Steuereinheit 5 nicht nur dann verwendet, wenn der Fahrer ihn in Schritt S2 ausdrücklich anwählt, sondern auch, wenn der Fahrer in Schritt S2 in einer vorgegebenen Zeit keine Auswahl trifft, da in diesem Fall davon ausgegangen werden kann, dass er an einer Nutzung der Batterieeinheit 6 außerhalb des Fahrzeugs nicht interessiert ist.
-
Eine zweite in Schritt S2 zur Wahl stehende Option (II) ist ein Schnellladebetrieb S4. In diesem Modus wird die Einheit 6 mit einem hohen, soweit erforderlich durch Lichtmaschinenbetrieb der Motor-Generator-Einheit 4, solange geladen, bis die Einheit 6 voll geladen ist. Wenn das Fahrzeug eine hohe elektrische Leistung benötigt, z. B., weil die Motor-Generator-Einheit 4 den Verbrennungsmotor 1 zeitweilig unterstützt oder als alleiniger Motor des Fahrzeugs arbeitet, dann wird die hierfür benötigte Leistung aus beiden Batterieeinheiten 6, 7 gleichzeitig bezogen. Wenn dies zu einer Teilentladung der Einheit 6 führt, wird die Einheit 6 anschließend durch Lichtmaschinenbetrieb der Motor-Generator-Einheit 4 umgehend wieder aufgefüllt. Dieser zweite Betriebsmodus ist insbesondere dann geeignet, wenn die Batterieeinheit 6 außerhalb des Fahrzeugs benutzt werden soll, aber vorher nicht bekannt ist, wie viel Zeit zum Aufladen zur Verfügung steht.
-
Der dritten in Schritt S2 wählbaren Option (III) zufolge fragt die Steuereinheit 5 in Schritt S5 zunächst die zum Laden der Batterieeinheit 6 verfügbare Zeit oder Fahrstrecke ab. Dies kann geschehen, indem der Fahrer aufgefordert wird, entsprechende Daten an einer geeigneten Schnittstelle einzugeben. Wenn das Fahrzeug über ein Navigationssystem 13 verfügt, dann fragt die Steuereinheit 5 die Fahrstrecke oder die voraussichtliche Fahrzeit bis zu einem in das Navigationssystem 13 eingegebenen Fahrziel von dort ab. Falls am Navigationssystem 13 noch keine Angabe erfolgt ist, kann die Steuereinheit 5 in Schritt S5 eine Aufforderung an den Fahrer richten, dies nachzuholen.
-
In Schritt S6 misst die Steuereinheit 5 den aktuellen Ladezustand der Batterieeinheit 6 und berechnet die bis zum Erreichen der vollen Ladung benötigte Energiemenge.
-
In Schritt S7 wird die Menge an Rekuperationsenergie überschlagen, die auf dem Weg bis zum eingegebenen Fahrziel voraussichtlich gewonnen werden kann. Diese Überschlagsrechnung kann im einfachsten Fall darin bestehen, dass die Fahrstrecke oder Fahrzeit mit einem vorgegebenen Proportionalitätsfaktor multipliziert wird. Da die Ausbeute an Rekuperationsenergie stark vom individuellen Fahrstil des Fahrers abhängt, kann auch vorgesehen werden, dass der Proportionalitätsfaktor anhand der Rekuperationsenergieausbeute früherer Fahrten abgeschätzt wird. Wenn wie oben erwähnt das Navigationssystem 13 vorhanden ist, ist eine erheblich genauere Überschlagsrechnung unter Einbeziehung der Art der Verkehrswege möglich, deren Benutzung das Navigationssystem 13 für den Weg zum Fahrziel vorsieht. So kann der Tatsache Rechnung getragen werden, dass die Ausbeute an Rekuperationsenergie im Stadtverkehr und auf Bergstrecken höher ist als z. B. beim Fahren auf einer Schnellstraße oder Autobahn. Auch die Berücksichtigung der momentanen Verkehrslage, z. B. von Staus oder zähfließendem Verkehr, auf dem zurückzulegenden Weg ist bei der Abschätzung der Rekuperationsenergieausbeute mit Hilfe eines verkehrsfunkfähigen Navigationssystems ohne weiteres möglich.
-
In Schritt S8 wird entschieden, ob die voraussichtliche Ausbeute an Rekuperationsenergie zum Laden der Batterieeinheit 6 ausreicht. Wenn ja, dann wird unterwegs anfallende Rekuperationsenergie solange ausschließlich in die erste Einheit 6 eingespeist, bis diese voll geladen ist (S9). In dieser Zeit wird die Einheit 6 parallel zur Batterieeinheit 7 auch zur Versorgung von Verbrauchern des Fahrzeugs genutzt und zusammen mit dieser durch Lichtmaschinenbetrieb der Motor-Generator-Einheit 4 wieder aufgeladen. Eine Entscheidung über Anfang und Ende des Lichtmaschinenbetriebs basiert dabei allein auf dem Ladezustand der Einheit 7.
-
Wenn in Schritt S8 festgestellt wird, dass die Ausbeute von Rekuperationsenergie voraussichtlich nicht reicht, um die Batterieeinheit 6 voll zu laden, dann ist zumindest zeitweiliger Lichtmaschinenbetrieb der Motor-Generator-Einheit 4 erforderlich, um die zum Laden nötige elektrische Energie bereitzustellen (S10). In Abhängigkeit von der Größe des Fehlbetrags wird eine Effizienzschwelle für den Betrieb des Verbrennungsmotors 1 festgelegt, derart, dass wenn beim Fahren mit Verbrennungsmotorantrieb dieser einen Arbeitspunkt unterhalb der Effizienzschwelle erreicht, stattdessen auf einen effizienteren Arbeitspunkt höherer Leistung umgeschaltet wird, und die dabei freiwerdende Überschussleistung der dann als Generator arbeitenden Motor-Generator-Einheit 4 zugeführt wird.
-
Die Überprüfung S7 des Ladezustands sollte während der Fahrt zweckmäßigerweise von Zeit zu Zeit wiederholt werden, um zu prüfen, ob der Ladefortschritt ausreichend ist, um am Ziel die Batterieeinheit 6 vollständig geladen zu haben, und im Bedarfsfall die Auswahl zwischen rein rekuperativer Ladung S9 und Ladung unter gelegentlicher Zuhilfenahme des Verbrennungsmotors 1 (S10) zu revidieren.
-
Falls vor Erreichen des Ziels das Fahrzeug angehalten und ausgeschaltet wird, beginnt das Verfahren erneut mit Schritt S1, stellt dann allerdings fest, dass die Batterieeinheit 6 zwischenzeitlich nicht entnommen worden ist, und verzweigt zu Schritt S11, wo der während der vorhergehenden Fahrt eingestellte Lademodus der Batterieeinheit 6 abgefragt und wieder hergestellt wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Abtriebswelle
- 3
- Rad
- 4
- Motor-Generator-Einheit
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Batterieeinheit
- 7
- Batterieeinheit
- 8
- Fahrgastzelle
- 9
- Mittelkonsole
- 10
- Laderaum
- 11
- Seitenwandverkleidung
- 12
- Sensor
- 13
- Navigationssystem
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010003252 A1 [0002]