DE19831487C1 - Verfahren zum Betrieb eines eine Batterie aufweisenden Hybridantriebes eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines einen Verbrennungsmotor, eine Batterie und einen Generator als Antriebskomponenten aufweisenden Hybridantrieb, insbesondere eines seriellen Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs, mit folgenden Schritten: DOLLAR A - Erfassen von Informationen bezüglich einer zu absolvierenden Fahrstrecke, DOLLAR A - Berechnung zu erwartender Leistungsanforderungen an den Hybridantrieb über den Verlauf der Fahrstrecke unter Berücksichtigung der erfaßten Informationen, DOLLAR A - Ermittlung eines eine Ansteuerung der einzelnen Antriebskomponenten oder Betriebsarten der Antriebskomponenten über den Verlauf der Fahrstrecke regelnden Zeitplans unter Berücksichtigung der jeweiligen Wirkungsgrade der Antriebskomponenten oder Betriebsarten in Abhängigkeit von den zu erwartenden Leistungsanforderungen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines eine Batterie aufweisenden Hybridantriebes eines Kraft­ fahrzeuges, insbesondere eines seriellen Hybridantriebes (DE 31 12 629 A1).

Die Entwicklung von Fahrzeugen mit konventionellem Antriebs­ strang (Verbrennungsmotor mit Schalt- oder Automatikgetriebe) weist unter den Gesichtspunkten Verbrauchs- bzw. Emissionsmini­ mierung inherente Beschränkungen auf. Als Alternative zu her­ kömmlichen Antrieben wird der Einsatz von Elektrofahrzeugen ge­ testet. Derartige Elektrofahrzeuge zeichnen sich zwar im Stadt­ verkehr durch geringe Emissionen aus, sind aber im Überlandver­ kehr aufgrund ihrer geringen Reichweite und des geringen Fahr­ komforts dem Verbrennungsmotor unterlegen.

Eine Kombination der Vorteile der beiden genannten Antriebsar­ ten wird mittels des sogenannten Hybridantriebs erreicht. Hier­ bei wird ausgenutzt, daß der Elektromotor über einen sehr gro­ ßen Drehmoment- und Drehzahlbereich einen sehr guten Wirkungs­ grad aufweist. Als Leistungsspeicher für den Elektromotor kön­ nen wiederaufladbare Batterien verwendet werden, die über den Verbrennungsmotor im Fahrzeug (serieller Hybridantrieb, paral­ leler Hybridantrieb) oder außerhalb des Fahrzeugs (Split- Hybridantrieb) mit Hilfe eines Generators wieder aufgeladen werden können.

Je nach Anordnung der energieerzeugenden Komponenten und deren Übertragung auf die antreibenden Elemente des Fahrzeuges erge­ ben sich am Beispiel eines Personenkraftwagens mit zwei Achsen folgende Hybridantrieb-Variationen:

Beim Split-Hybrid-Antriebsstrang wird eine Achse über ein kon­ ventionelles Getriebe mit einem Verbrennungsmotor, die andere Achse über durch eine Batterie gespeiste Elektromotoren ange­ trieben. Es besteht keine direkte Möglichkeit, die Batterie über den Verbrennungsmotor aufzuladen, wie z. B. mit einem Gene­ rator. Die Batterie kann nur über das fahrende Fahrzeug aufge­ laden werden, wenn die Elektromotoren als Generatoren fungieren und hierbei das Fahrzeug abbremsen. Eine Energierückgewinnung bzw. Rekuperation beim Abbremsen des Fahrzeuges ist möglich.

Bei einem Parallel-Hybridantrieb wird der vorteilhafte Wir­ kungsgrad der konventionellen Kraftübertragung beibehalten, die antreibende Kraft wird hierbei sowohl von einem Verbrennungsmo­ tor als auch von einem Elektromotor, der an der Getriebeein­ gangsseite zuschaltbar installiert ist, bereitgestellt. Eine Aufladung der Batterie kann während der Fahrt über den dann als Generator wirkenden Elektromotor erfolgen. Diese Konfiguration baut relativ groß, da im Motorraum zusätzlich der Genera­ tor/Elektromotor eingebaut werden muß. Außer der Batterie und dem Generator/Elektromotor müssen jedoch keine zusätzlichen Komponenten (wie z. B. die Antriebselektromotoren beim Split- Hybridantrieb) in das Fahrzeug eingebaut werden.

Beim seriellen Hybridantrieb ist der Verbrennungsmotor fest mit einem auf der Kurbelwelle des Kraftfahrzeugs angeflanschten Ge­ nerator verbunden. Die antreibenden Elemente bzw. Antriebskom­ ponenten beim seriellen Hybridantrieb sind Elektromotoren, die fest mit den Antriebsrädern verbunden sind. Durch die (mechanische) Entkopplung des Verbrennungsmotors von der An­ triebsachse ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Da der Verbrennungsmotor mit dem Generator über die Kurbelwelle fest verbunden ist, werden diese beiden gekoppelten Komponenten auch als Energieerzeugungseinheit bzw. EEE bezeichnet.

Sowohl beim parallelen als auch beim seriellen Hybridantrieb, welche nur ein Triebstrangkonzept aufweisen, kann die Aufladung der Batterie unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit erfol­ gen. Vergleicht man die Eigenschaften dieser beiden Hybridan­ trieb-Varianten, stellt man fest, daß der serielle Hybridan­ trieb prinzipbedingt Vorteile im Bereich der Emissionen, der parallele Hybridantrieb hingegen Vorteile bezüglich des Kraft­ stoffverbrauchs aufweist.

Waren zu Beginn der Forschungsarbeiten an Hybridantrieben noch Überlegungen der Verbrauchsoptimierung ausschlaggebend, so sind heute im Hinblick auf die immer strenger werdenden Abgasgesetz­ gebungen Emissionsaspekte in den Vordergrund gerückt. Hiermit kommt dem seriellen Hybridantrieb eine bevorzugte Rolle zu.

Neben der Mobilität des eigenen Kraftfahrzeuges ist für den Fahrzeughalter hauptsächlich die Wirtschaftlichkeit des Fahr­ zeugs ausschlaggebend. Um die variablen Kosten für das Fahrzeug niedrig zu halten, wird ein niedriger Kraftstoffverbrauch ange­ strebt. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es empfehlenswert, stets im höchstmöglichen Gang zu fahren um so günstige Motor­ wirkungsgrade auszunutzen. Ferner sollte nicht zu stark be­ schleunigt werden bzw. beim Beschleunigen einen Gang zurückge­ schaltet werden. Bei Automatikgetrieben lassen sich diese Be­ dingungen aber nur zum Teil anwenden, da hier der Schaltvorgang und die Gangwahl automatisiert abläuft. Die Freiheitsgrade, mit denen der Fahrer den Verbrauch seines Fahrzeugs minimieren kann, sind die Betätigung des Fahrpedals, die Gangwahl (nur beim Schaltgetriebe) und die Fahrgeschwindigkeit. Eine Minimie­ rung der Emissionen ist für den Fahrer nicht ohne weiteres mög­ lich, da diese für ihn nicht meßbar sind.

Die Freiheitsgrade bei einem Hybridfahrzeug sind um einiges hö­ her, da hier die wiederaufladbare Batterie im Mittelpunkt des Antriebs steht. Da mit dem Hybridfahrzeug eine verbrauchs- und emissionsminimierende Fahrweise angestrebt wird, müssen immer die für die einzelnen Komponenten optimalen Betriebspunkte er­ reicht werden. Die einzige Randbedingung, die eingehalten wer­ den muß, ist, daß diese optimalen Betriebspunkte stets eine Funktion der vom Fahrer gewünschten Fahrgeschwindigkeiten bzw. Beschleunigungen sind.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, muß eine Betriebs­ strategie vorhanden sein, die sowohl im statischen als auch im dynamischen Betrieb ein optimales Fahr-, Verbrauchs- und Emis­ sionsverhalten gewährleisten. Zur Erläuterung der Anforderungen an eine optimale Betriebsstrategie werden zunächst zwei grund­ sätzliche Betriebsstrategien (Basisstrategien) für einen seri­ ellen Hybridantrieb erläutert.

Bei einer ersten Betriebsstrategie wird der Verbrennungsmotor, der an den Generator über die Kurbelwelle angeflanscht ist, nur stationär auf dem Betriebspunkt betrieben, bei dem der Verbren­ nungsmotor und der Generator zusammen den besten Wirkungsgrad (Kompromiß zwischen Emissionen und Verbrauch) aufweist. Der Verbrennungsmotor wird nur so lange betrieben, bis die Batterie einen bestimmten Ladezustand (SOC, state of charge) erreicht hat, dann wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet. Er wird erst dann wieder eingeschaltet, wenn ein weiterer, als minimal defi­ nierter Ladungszustand unterschritten wird (Ladungshysterese). Die Batterie wird entladen über die Antriebselektromotoren. Bei einem Bremsvorgang wird die Bewegungsenergie wieder rekuperiert und über die dann als Generatoren wirkenden Elektromotoren als elektrische Energie in die Batterie eingespeist. Gestartet wird der Verbrennungsmotor über den hierbei als Elektromotor wirken­ den Generator.

Zu dieser Betriebsstrategie ist festzustellen, daß der Verbren­ nungsmotor nicht kontinuierlich während der Fahrt benutzt wird. Das Ein- bzw. Ausschalten des Motors sorgt für einen schlechten Aufwärmvorgang und damit für eine schlechte Funktion des Kata­ lysators. Es können ferner die häufigen Kaltstartvorgänge dem Verbrennungsmotor über einen längeren Zeitraum gesehen schaden.

Die vom Verbrennungsmotor erzeugte relativ hohe Leistung geht zu einem bestimmten Anteil an die Antriebselektromotoren. Der verbleibende Leistungsüberschuß muß von der Batterie gespei­ chert werden. Bei hohen Ladeströmen, die durch die hohe Abgabe­ leistung bedingt sind, sinkt der Wirkungsgrad der in die Batte­ rie einzuspeichernden Energie. Dasselbe gilt für die Entladung der Batterie durch die Elektromotoren. Der Wirkungsgrad der Batterie hängt vom Ladezustand ab. Ferner muß hierbei die Selbstentladung der Batterie berücksichtigt werden.

Der Wirkungsgrad der Elektromotoren stellt keinen unmittelbaren Bestandteil dieser Betriebsstrategie dar, da die Elektromotoren den direkten Kontakt mit der Fahrbahn haben, und die Fahrge­ schwindigkeit keinen Freiheitsgrad der Betriebsstrategie dar­ stellt. Bei Bremsvorgängen kann Energie durch Rekuperation zu­ rückgewonnen werden, welche dem Wirkungsgrad der Elektromotoren entspricht.

Mit dieser einfachen Betriebsstrategie können die angestrebten Ergebnisse, nämlich Absenkung des Verbrauchs und der Emissio­ nen, nur zum Teil erzielt werden. Der optimale Wirkungsgrad der EEE wird durch den schlechten Wirkungsgrad, der durch den hohen Lade- und Entladestrom und durch die Zwischenlagerung der Ener­ gie in der Batterie bedingt ist, wieder verschlechtert. Emis­ sionen entstehen nur, wenn der Verbrennungsmotor läuft. Es kann zeitweise emissionslos gefahren werden.

Zur Vermeidung der schlechten Wirkungsgrade, die sich gemäß der ersten Betriebsstrategie beim Laden, Entladen und Speichern von Energie in die Batterie ergeben, wird gemäß einer zweiten Be­ triebsstrategie vom Verbrennungsmotor nur die Energie erzeugt, die der Fahrer über das Fahrpedal anfordert. Dies entspricht dem Prinzip des elektrischen Triebstrangs, wobei hier die Mo­ tordrehzahl von der Fahrgeschwindigkeit entkoppelt ist. Die al­ leinige Antriebsenergie kommt vom Verbrennungsmotor.

Gemäß der zweiten Betriebsstrategie muß der Verbrennungsmotor kontinuierlich betrieben werden. Es muß dabei genau soviel Energie bereitgestellt werden, wie der Fahrer über das Fahrpe­ dal anfordert. Die Betriebsstrategie muß über den Fahrerwunsch die geeignete Energiemenge berechnen und über eine Linie des optimalen Wirkungsgrades in Abhängigkeit von der geforderten Leistung die Motordrehzahl und das Motordrehmoment an dem Ver­ brennungsmotor und dem angeflanschten Generator einstellen. Der kontinuierliche Betrieb des Verbrennungsmotors gewährleistet einen guten Betrieb des Katalysators.

Die Batterie dient bei dieser Betriebsstrategie nicht zur Spei­ sung der Elektromotoren, sie wird lediglich zum Anlassen des Verbrennungsmotors eingesetzt. Eine besondere Regelung der Re­ kuperation ist erforderlich, um die Batterie vor Überladung zu schützen.

Mit den Elektromotoren kann zwar Bewegungsenergie wieder in elektrische Energie rekuperiert bzw. umgewandelt werden, dieser Energiegewinn führt jedoch nicht zu einer Verbrauchsminimie­ rung, da der Verbrennungsmotor nach wie vor die alleinige An­ triebsenergie liefert.

Diese zweite Betriebsstrategie verwandelt den hybriden Trieb­ strang in einen elektrischen Triebstrang. Zu jedem Zeitpunkt einer Fahrt muß der Verbrennungsmotor die vom Fahrer angefor­ derte Leistung abgeben. Bei kleinen Geschwindigkeiten ist dem­ zufolge der Wirkungsgrad schlechter als bei einem konventionel­ len Getriebe, da der elektrische Triebstrang einen schlechteren Wirkungsgrad besitzt als der konventionelle Triebstrang, der auch nicht durch etwas bessere Betriebspunkte der EEE kompen­ siert werden kann. Ein zusätzlicher Nachteil ergibt sich durch das von der Batterie verursachte höhere Gewicht des Gesamtfahr­ zeugs. Da die Batterie keine größeren Aufgaben zu erfüllen hat, kann sie bei dieser Betriebsstrategie kleiner dimensioniert werden, um z. B. den Verbrauch zu verringern oder das Beschleu­ nigungsverhalten zu verbessern.

Vergleicht man die beiden geschilderten Betriebsstrategien, stellt man grundsätzliche Gegensätze fest. Da diese Betriebs­ strategien die beiden Extrema aller möglichen Betriebsstrategi­ en darstellen, kann die optimale Betriebsstrategie nur aus ei­ ner Überlagerung mit einer entsprechenden Gewichtung der beiden Betriebsstrategien hervorgehen. Der Grad der Gewichtung ist hierbei abhängig von der momentanen Fahr- bzw. Verkehrssituati­ on.

Beispielsweise beim Stop-and-Go bzw. Stadtverkehr bietet sich bei vollständig aufgeladener Batterie an, die erste Betriebs­ strategie anzuwenden. Liegt unter gleichen Bedingungen eine leere Batterie vor, ist es zweckmäßig, eine Kombination der ge­ nannten Betriebsstrategien anzuwenden. Bei Überlandfahrten, beispielsweise über Landstraße oder Autobahn, und vollständig aufgeladener Batterie erweist es sich als zweckmäßig, lediglich die zweite Betriebsstrategie zu verwenden. Bei Überlandfahrten mit leerer bzw. teils aufgeladener Batterie empfiehlt sich eine Überlagerung der beiden Betriebsstrategien mit entsprechender Gewichtung.

Die Zuteilung der Fahrsituationen auf die geschilderten Be­ triebsstrategien erfolgt also anhand der jeweiligen Verkehrssi­ tuation und des Batterieladezustands. Diese beiden Freiheits­ grade müssen bekannt sein, um die Gewichtungen der beiden Be­ triebsstrategien festzulegen und hieraus den optimalen Betrieb­ spunkt der EEE anzusteuern bzw. zu regeln.

Hierbei ist man bestrebt, fließende Übergänge zwischen vergan­ genen und zukünftigen Situationen hinsichtlich des Verkehrs­ flusses und des Ladezustandes in der Betriebsstrategie zu be­ rücksichtigen. Der Ladezustand der Batterie ist im Fahrzeug gut meßbar, hier können prinzipiell prädiktive Zustände extrahiert bzw. extrapoliert und in die Betriebsstrategie eingebunden wer­ den, wenn mittel- oder längerfristige Verkehrsinformationen vorliegen.

Das Erkennen aktueller oder zukünftiger Fahrsituationen erweist sich jedoch als schwieriger. Hierfür gibt es, abgesehen vom Bremspedal, dem Fahrpedal, der Fahrgeschwindigkeit und den hieraus abgeleiteten Größen, keine Sensoren. Wenn jedoch einer Betriebsstrategie solche prädiktiven Informationen bekannt ge­ macht werden sollen, kann dies zur Zeit nur über den Fahrer ge­ schehen. Eine derartige Tätigkeit würde den Fahrer jedoch ab­ lenken und seine Sicherheit gefährden.

Aus der US 4,282,947 sowie aus der US 4,393,964 sind Hybridan­ triebssysteme und entsprechende Betätigungsverfahren bekannt, welche derartige, unmittelbar vom Betriebszustand des Fahrzeugs abgeleitete Größen in den Betrieb des Hybridantriebs einfließen lassen. Prädiktive Größen, etwa bezüglich der Verkehrssituation oder beispielsweise zu erwartender Steigungen oder Geschwindig­ keitsbeschränkungen, sind nicht Gegenstand dieser Druckschrif­ ten.

Schließlich ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 aus der DE 31 12 629 A1 bekannt. Das hier beschrie­ bene Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeuges mit einem Verbrennungskraftmotor und einer aus einem elektrischen Ener­ giespeicher speisbaren Elektromaschine zeichnet sich dadurch aus, daß eine Umschaltung von der Elektromaschine auf den Ver­ brennungskraftmotor bei einem vorgegebenen Leistungs- oder Ge­ schwindigkeitswert selbsttätig erfolgt, und daß der Leistungs- oder Geschwindigkeitswert, bei dem die selbsttätige Umschaltung erfolgt, in Abhängigkeit von der voraussichtlich zurückzulegen­ den Tagesfahrstrecke des Hybridfahrzeuges veränderbar ist. Es wird hier lediglich die Distanz der Tagesfahrstrecke berück­ sichtigt, was beispielsweise im Falle einer Tagesfahrstrecke mit großen Steigungen zu unbefriedigenden Ergebnissen führen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Hybridantriebs mit gegenüber dem Stand der Technik verbessertem Wirkungsgrad.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebs, insbesondere eines seriellen Hybridantriebs ei­ nes Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, zur Zeit bekannte oder angewandte Betriebsstrategien für Hybrid­ fahrzeuge zu optimieren. Vorteilhafterweise werden hierzu neben dem Ladezustand der Batterie auch Umwelt- und Verkehrseinflüs­ se, wie z. B. die Fahrgeschwindigkeit, die aktuelle Fahr- und Bremspedalstellung sowie zukünftige Verkehrssituationen, wie beispielsweise Fahrstrecke, Geschwindigkeitsbegrenzungen, Vor­ fahrtsstellen, Ampelphasen, voraussichtliche Durchschnittsge­ schwindigkeit, empfohlene Beschleunigung, Verkehrsaufkommen, Steigungen, Gefälle usw. als Eingangsgrößen bzw. Informationen bezüglich der zu absolvierenden Fahrstrecke berücksichtigt.

Eine Unterteilung dieser Einflüsse bezüglich der Zeit führt zu einer Unterscheidung von kurz-, mittel- und längerfristigen Einflüssen von Verkehrsinformationen auf die Betriebsstrategie. Als kurzfristige Einflüsse werden beispielsweise die aktuelle Fahr- bzw. Bremspedalstellung, die Fahrgeschwindigkeit, Ände­ rungen in der Fahrgeschwindigkeit sowie das Anhalten des Fahr­ zeuges angesehen. Mittelfristige Einflüsse sind beispielsweise die Informationen, die sich in dem Blickfeld des Fahrers erge­ ben, beispielsweise Rotphasen von Ampeln, Staus, zähfließender Verkehr usw. Unter längerfristigen Einflüssen kann man die Fahrtroute, Geschwindigkeitsbegrenzungen, Steigungen, Gefälle, Vorfahrtberechtigungen, Durchschnittsgeschwindigkeiten usw. einordnen. Um zu einer optimalen Betriebsstrategie zu gelangen, müssen möglichst alle Einflüsse in der Betriebsstrategie zusam­ mengefaßt werden, um für die derzeitige Verkehrssituation das optimale Potential unter Berücksichtigung ökonomischer und öko­ logischer Gesichtspunkte für das Fahrzeug auszunutzen.

Kurzfristige Verkehrsinformationen dienen schon heute als Ein­ gangsinformationen für Betriebsstrategien. Nicht vorhanden und deswegen auch nicht eingesetzt sind mittel- und längerfristige Verkehrsinformationen. Aus diesem Grunde sind heutige Betriebs­ strategien nicht in der Lage, über längere Zeit vorausschauend die Ansteuerung der EEE unter ökonomischen und ökologischen Ge­ sichtspunkten zu optimieren. Ein Speichern aller kurzfristigen Informationen führt zwar zu einer Rekonstruktion der zurückge­ legten Fahrstrecke und somit zur Nachbildung von mittel- und längerfristigen Verkehrsinformationen, es kann aber trotzdem nicht genau auf zukünftige Verkehrssituationen geschlossen wer­ den.

Einen Lösungsansatz für dieses Problem bietet die moderne Kom­ munikationstechnik. Die für die Einstellung der EEE notwendigen längerfristigen Verkehrsinformationen können über eine (regionale, nationale oder auch internationale) Datenbank (beispielsweise mittels GPS) über ein drahtloses Medium geor­ dert werden. Somit ergibt sich zusammen mit den lokal ermittel­ ten, kurzfristigen Verkehrsinformationen eine hohe, aber keine vollständige Abdeckung der notwendigen Eingaben für die Be­ triebsstrategie.

Zur Vervollständigung der Eingaben werden mittelfristige Ver­ kehrsinformationen benötigt. Diese Informationen sind vom Fah­ rer visuell zu erkennen und unterliegen im wesentlichen der einsehbaren, und damit variablen Verkehrssituation. Um den Fah­ rer nicht von seiner Hauptaufgabe, nämlich dem Steuern des Fahrzeuges, abzulenken ist eine Installation von Kameras im Fahrzeug bevorzugt, mit denen über die digitale Bildverarbei­ tung und -erkennung der einsehbare Verkehrsbereich synthetisch erzeugt werden kann. Diese Informationen schließen die Lücke zwischen den kurz- und den längerfristigen Verkehrsinformatio­ nen, so daß sich aus der logischen Verkettung aller drei Ver­ kehrsinformationsarten für die Betriebsstrategie die vergange­ ne, die aktuelle und die zukünftige Verkehrssituation ergibt. Zusammen mit dem derzeitigen Batterieladungsgrad kann dann die EEE optimal angesteuert werden.

Betrachtet man eine exemplarische Betriebsstrategie am seriel­ len Hybridantrieb, welcher als Eingangsgrößen kurz-, mittel- und längerfristige Verkehrsinformationen, sowie der Ladungszu­ stand der Batterie und die Wirkungsgrade der am Fahrzeug ver­ wendeten Komponenten (stationärer und dynamischer Batteriewir­ kungsgrad, Wirkungsgrad der EEE) bereitstehen, so ergeben sich für eine Betriebsstrategie folgende Eigenschaften:

Entscheidend für die Ansteuerung der EEE ist die Wahl der zu erzeugenden Energiemenge. Diese wird berechnet aus den zur Ver­ fügung stehenden Verkehrsinformationen und dem aktuellen Lade­ zustand der Batterie. Hierbei ist zu beachten, daß die Gewich­ tung der Batterieladung in der Betriebsstrategie zunimmt, je geringer der Ladegrad ist.

Ferner ist die derzeitige Verkehrsinformation für den Einsatz der Energieerzeugungseinheit bzw. der Verteilung der erzeugten Energie an die Batterie bzw. die Antriebskomponenten von Bedeu­ tung. Hierbei wird der Einfluß von kurzfristigen Verkehrsinfor­ mationen ersichtlich, wenn erzeugte Energie nicht als Antrieb­ senergie direkt abgegeben werden kann, sondern in die Batterie fließen muß. Die Änderung in der Ansteuerung der Energieerzeu­ gungseinheit muß mittelfristig aber dennoch angemessen schnell erfolgen, um eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der Ener­ giespeicherung auszuschließen.

Die mittelfristigen Verkehrsinformationen können prädiktiv die Betriebsstrategie beeinflussen. So könnte z. B. kurz vor dem Verlassen einer Ortschaft die Betriebsstrategie (mittels einer Kamera) einen Zusammenhang zwischen dem Ortsschild und der ein­ programmierten Reiseroute feststellen und eine dementsprechende Ansteuerung der Energieerzeugungseinheit veranlassen.

Weitere Möglichkeiten, die sich aus diesen Zusammenhängen erge­ ben könnten, wären die Einführung von intelligenten Reiserech­ nern, die aus der Eingabe der Fahrtroute die optimale Strecke unter der Berücksichtigung der aktuellen Tageszeit auswählen und dem Fahrer vorschlagen. Wenn eine automatische Bildverar­ beitung vorhanden ist, können die hieraus gewonnenen mittelfri­ stigen Verkehrsinformationen anderen Verkehrsteilnehmern über eine Datenbank zugänglich gemacht werden. Hieraus könnte eine dynamische Straßenkarte entstehen, die die einzelnen Verkehrs­ teilnehmer mit aktuellen Verkehrsinformationen versorgt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläu­ tert. Hierbei zeigt

Fig. 1 ein Geschwindigkeitsprofil, welches über eine Testfahr­ strecke aufgetragen ist,

Fig. 2 ein über die Testfahrstrecke ermitteltes Leistungspro­ fil,

Fig. 3 schematisch die Wirkungsgrade verschiedener Antriebsar­ ten des Hybridantriebs,

Fig. 4 über die Teststrecke vorgeschlagene bzw. bevorzugte An­ triebsarten bzw. Energiequellen,

Fig. 5 über die Teststrecke eine Wirkungsgraddifferenz zwi­ schen primär und sekundär bester Energiequelle,

Fig. 6 einen Batterieladezustand bei einer Antriebswahl gemäß Fig. 4 (primär beste Energiequelle),

Fig. 7 über die Teststrecke einen für einen Fahrzyklus geeig­ netste Energiequelle,

Fig. 8 den Batterieladezustand bei einer Energiequellenwahl gemäß Fig. 7,

Fig. 9 einen Batterieladezustand bei Energiequellenwahl gemäß Fig. 7 unter realen Fahrbedingungen, und

Fig. 10 ein Flußdiagramm, welches die Ablaufsteuerung zur auto­ matischen Findung eines Ansteuerungszeitplans dar­ stellt.

In Fig. 1 sind über eine zu absolvierende Fahrstrecke die zu­ lässigen Höchstgeschwindigkeiten (strichpunktiert) sowie die tatsächliche Fahrgeschwindigkeit (durchgezogene Linie) einge­ zeichnet.

Die Verknüpfung der Fahrgeschwindigkeit mit der Fahrleistung erfolgt einerseits über die Fahrzeugcharakteristik (z. B. Be­ schleunigungsvermögen, Masse des Fahrzeugs), andererseits auch über den Fahrer selbst, beispielsweise wie dieser sich an vor­ gegebene Geschwindigkeitsbegrenzungen hält oder die Art, wie er die Fahrgeschwindigkeit ändert. Aus diesen individuellen Werten ergibt sich, auch unter Beachtung der Fahrstrecke (beispiels­ weise Gefälle oder Steigung) eine mittlere Leistungsanforde­ rung, in der die dynamischen Vorgänge gemittelt werden. Neben den positiven Fahrleistungen, die das Fahrzeug beschleunigen, treten auch negative Fahrleistungen auf (bei Bremsvorgängen). Bei einem Hybridfahrzeug wird die nicht benötigte kinetische Energie wieder in die Batterie zurückgespeist. Fig. 2 zeigt die tatsächlichen Fahrleistungen (durchgezogene Linie) sowie die gemittelten Fahrleistungen (strichpunktierte Linie). Es sei in diesem Zusammenhang auf die negativen Fahrleistungen, die am Ende der Fahrstrecke auftreten, hingewiesen. Die Fahrstrecke weist hier ein starkes Gefälle auf.

Ausgehend von den einzelnen Teilabschnitten der Fahrstrecke kann nun eine Einteilung in Bereiche erfolgen, in welchen es am günstigsten ist, mit einem Verbrennungsmotorantrieb mit oder ohne Aufladung der Batterie, oder mit Batteriebetrieb zu fah­ ren.

In Fig. 3 sind die verschiedenen Wirkungsgrade dieser Antriebs­ arten bzw. Betriebszustände gegen die Leistungsabgabe aufgetra­ gen. Der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors ist bei dieser Ab­ bildung auf den maximalen Wirkungsgrad normiert, so daß eine deutlichere Gegenüberstellung bezüglich des Batteriebetriebes erzielbar ist. Der dargestellte Wirkungsgrad der Batterie be­ ruht hierbei auf einem sehr einfachen Modell, in dem beispiels­ weise der Ladungszustand der Batterie keinen Einfluß auf den Wirkungsgrad hat. Man erkennt den günstigen Wirkungsgrad der Batterie (strichpunktierte Linie) bei kleinen Leistungsabgaben. Der Betrieb des Verbrennungsmotors mit gleichzeitiger Aufladung der Batterie ist bei mittleren bis hohen Leistungsabgaben be­ sonders günstig (gestrichelte Linie). Man erkennt ferner, daß bei hohen Leistungsabgaben die gestrichelte Linie in eine Strich-Doppelpunkt-Linie übergeht, welche den Wirkungsgradver­ lauf der EEE als elektrisches Getriebe darstellt.

Es erfolgt nun eine Verknüpfung des mittleren Leistungsprofils für diese drei Antriebsarten mit den jeweiligen Wirkungsgraden. Hieraus ergibt sich für die einzelnen Teilstrecken eine bevor­ zugte Energiequelle bzw. Antriebsart. Fig. 4 zeigt die primär und sekundär beste Energiequelle des Hybridantriebs bezogen auf das Leistungsprofil der Fig. 2. Hierbei ist die primär beste Energiequelle in durchgezogenen Linien, und die sekundär beste Energiequelle in punktierten Linien dargestellt. Man erkennt, daß bereits kurz nach dem Start des Fahrzeuges eine sehr hohe Leistungsabgabe gefordert wird, die ein Einschalten der EEE notwendig erscheinen läßt. Fig. 1 und 2 zeigen, daß diese Ener­ gieabgabe durch den Beschleunigungsvorgang von 0 auf 80 km/h zustandekommt. Die andere hohe Energieabgabe, die in diesem Schritt des Algorithmus zu Einschaltung der EEE führt, ist durch die zulässige Höchstgeschwindigkeit und die damit verbun­ denen Beschleunigungen innerhalb der Teilstrecke gegeben. Es sei angemerkt, daß die sekundär beste Energiequelle die Ener­ giequelle 3, also der Betrieb der EEE als elektrisches Getriebe ist. Dies wird auch aus Fig. 3 deutlich, aus der hervorgeht, daß bei Leistungsabgaben über 17 kW der Batteriestrom als se­ kundär beste Energiequelle ausscheidet.

Anhand der Fig. 4 lassen sich grundsätzliche Feststellungen über den Betrieb der EEE erkennen, jedoch können diese nur ei­ nen groben Anhaltspunkt geben, da vom Fahrer vorgegebene Rand­ bedingungen, wie beispielsweise "emissionsfreie Zonen" oder "Batterieladezustand bei Beendigung der Fahrt" noch nicht in dem Ablaufdiagramm der Fig. 4 berücksichtigt sind. Ferner sind hierbei noch unberücksichtigt systembedingte Randbedingungen, wie etwa Mindestbetriebszeit der EEE, Mindestenergieerzeugungs­ menge der EEE, Beachtung des minimalen Ladezustandes usw. Sol­ len diese Randbedingungen ebenfalls in der Ablaufzeit berück­ sichtigt werden, so muß das Ablaufdiagramm entsprechend erwei­ tert bzw. geändert werden. Diese Erweiterung ist dahingehend auszuführen, daß ausgehend von beispielsweise der "Beachtung des minimalen Ladezustandes" und des "Batterieladezustandes bei Beendigung der Fahrt" die Bereiche, in denen verbrennungsmoto­ risch gefahren werden soll, zusammengefaßt bzw. erweitert wer­ den müssen. Andere Bereiche, in denen primär ebenfalls verbren­ nungsmotorisch gefahren werden soll, können auch unter dem Aspekt von vordergründigen Wirkungsgradverlusten in batteriebe­ triebene Bereiche umgewandelt werden. Sämtliche Bereiche mit ihrer Einteilung in die empfohlenen Energiequellen 1 bis 3, wie diese in Fig. 4 bezeichnet sind, können einer Umwandlung in se­ kundär geeignete Energiequellen unterliegen. Die Gewichtung, ob dies unter Beachtung der Randbedingungen als sinnvoll er­ scheint, ist in Fig. 5 dargestellt, welche die Wirkungsgraddif­ ferenz zwischen primär und sekundär bester Energiequelle im Verlauf der zu absolvierenden Fahrstrecke darstellt.

Bei Simulation des Batterieladezustandes über das Fahrstrecken- bzw. Leistungsprofil ergibt sich der in Fig. 6 dargestellte Verlauf: Man erkennt, daß während des Durchfahrens des Fahrzy­ klus die Batterie an verschiedenen Stellen aufgeladen wird. Trotz dieser Aufladung entlädt sich die Batterie insgesamt stärker, sodaß am Ende der Fahrt der Batterieladezustand deut­ lich niedriger als zu Beginn der Fahrt ist. Möchte nun der Fah­ rer am Ende der Fahrt den gleichen bzw. ähnlichen Ladezustand wie zu Beginn der Fahrt herstellen, müssen geeignete Strecken­ abschnitte gefunden werden, auf denen die Batterie aufgeladen werden kann. Innerhalb dieser Streckenabschnitte muß die Batte­ rie als primär beste Energiequelle angesehen werden. Der Ver­ lust an Wirkungsgraden, wie er beispielsweise Fig. 5 zu entneh­ men ist, sollte hierbei in einem akzeptablen Rahmen liegen. Hieraus folgt, daß bevorzugt solche Fahrstreckenabschnitte für die zusätzliche Aufladung der Batterie zu wählen sind, die eine möglichst geringe Differenz der Wirkungsgrade der jeweiligen Energiequellen aufweisen. Gleichzeitig sollte sich daraus ein durchgehender Verbrennungsmotorbetrieb ergeben. Unter diesen beiden Gesichtspunkten ergibt sich nach kurzer Wirkungsgrad- bzw. Energieberechnung die für den Fahrzyklus geeignetste Ener­ giequelle, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist (punktierte Li­ nie). Vergleicht man unter Beachtung der Fig. 5 die Fig. 7 mit der Fig. 4, stellt man fest, daß kurz nach dem Start auf den ersten Betrieb des Verbrennungsmotors verzichtet wird, da die Laufzeit und die Energieabgabe der EEE zu gering erscheint, als daß sie einen verbrennungsmotorischen Betrieb gerechtfertigt erscheinen läßt, zumal die umgebenden Teilfahrstrecken hohe Wirkungsgraddifferenzen aufweisen. Der in Fig. 4 dargestellte zweite Start der EEE wurde im Vorfeld weiter ausgedehnt, damit die Batterieladung am Ende der Fahrstrecke auf Höhe des An­ fangsladeniveaus sichergestellt ist. Dies wurde möglich, da zum einen sich im Vorfeld vor dem eigentlichen Start der EEE gemäß Fig. 4 sich akzeptable Wirkungsgrade ergeben, auch wenn man vom (vorgeschlagenen) Batteriebetrieb abweicht. Ferner ergibt sich über eine (relativ zur Fahrstrecke) lange Wegstrecke ein konti­ nuierlicher Betrieb der EEE. Fig. 8 zeigt die Batterieladung gemäß der nach Fig. 7 vorgeschlagenen Ansteuerung der Energie­ quellen.

In Fig. 9 ist die zu erwartende Batterieladung anhand einer Si­ mulation mit real auftretenden Fahrleistungen, wie sie auch in Fig. 2 erkennbar sind, dargestellt. Die zwischen den Abbildun­ gen der Fig. 8 und Fig. 9 erkennbaren Differenzen sind haupt­ sächlich auf das idealisierte Modell der Batterie und der nicht beachteten Dynamik durch den Mittelwertansatz zurückzuführen. Nimmt man hier eine bessere Feinabstimmung vor, indem man bei­ spielsweise die Fahrleistungen mit einem charakteristischen Wert multipliziert, so sind realistischere Darstellungen er­ zielbar.

Der vorgestellte Lösungsansatz zur Optimierung von Betriebs­ strategien bei Hybridfahrzeugen bietet ein vielversprechendes Potential zur Verbrauchs- und Emissionsminimierung. Die grund­ sätzliche Idee besteht darin, daß längerfristige Verkehrsinfor­ mationen zur Verfügung gestellt werden, mit denen dann eine mittlere Leistungsanforderung pro Fahrstreckenabschnitt ermit­ telt werden kann. Mit diesen mittleren Leistungsanforderungen und der Wirkungsgradbetrachtung der Antriebsarten bzw. Energie­ quellen unter Beachtung der Betriebszeit der EEE und dem ge­ wünschten Ladegrad der Batterie am Ende der Fahrstrecke ergibt sich ein Ansteuerungszeitplan der EEE, welcher einen optimalen Kompromiß zwischen den einzelnen Faktoren darstellt. Hierbei ist zweckmäßigerweise in besonderer Weise auf den Ladezustand der Batterie während der Fahrt, insbesondere die zeitliche Rei­ henfolge der Auf- und Entladung der Batterie, zu beachten.

Fig. 10 zeigt schließlich zusammenfassend die Ablaufsteuerung zur automatischen Findung bzw. Generierung des Ansteuerungs­ zeitplans. Es sei angemerkt, daß für den Fall, daß die Batte­ rieladung während der Fahrstreckensimulation unter einen er­ laubten Mindestladezustand fällt, es möglich ist, die Fahr­ strecke partiell zu simulieren und am Ende der Simulation die jeweiligen Ergebnisse wieder zusammenzuführen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betrieb eines eine Batterie aufweisenden Hy­ bridantriebs eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines seriel­ len Hybridantriebes, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• 1. Erfassung von Informationen bezüglich des Verlaufes einer zu absolvierenden Fahrstrecke,
• 2. Berechnung zu erwartender Leistungsanforderungen an den Hy­ bridantrieb über den Verlauf der Fahrstrecke unter Berück­ sichtigung der erfaßten Informationen,
• 3. Ermittlung eines eine Ansteuerung der einzelnen Antriebskom­ ponenten oder Betriebsarten der Antriebskomponenten über den Verlauf der Fahrstrecke regelnden Zeitplans unter Berücksich­ tigung der jeweiligen Wirkungsgrade der Antriebskomponenten oder Betriebsarten in Abhängigkeit von den zu erwartenden Leistungsanforderungen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Ansteuerzeitplans unter Berücksichtigung des La­ dezustandes der Batterie erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ermittlung des Ansteuerzeitplans unter Berücksichtigung der jeweiligen Betriebszeiten der Antriebskom­ ponenten oder Betriebszustände des Hybridantriebs erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für sukzessive Streckenabschnitte der zu ab­ solvierenden Fahrstrecke jeweils eine mittlere Leistungsanfor­ derung berechnet wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Informationen bezüglich der Fahrstrecke mit­ tels drahtloser Kommunikationsmittel, insbesondere GPS-artiger Kommunikationsmittel, von externen Datenbanken erfaßt werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Informationen bezüglich der Fahrstrecke mit­ tels am Kraftfahrzeug installierter Sensoren oder Kameras zur Erfassung externer Fahrbedingungen erfaßt werden.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Informationen bezüglich der Fahrstrecke mit­ tels am Kraftfahrzeug installierter Sensoren zur Erfassung von Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs erfaßt werden.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß über die Fahrstrecke die Antriebskomponente oder der Betriebszustand mit dem primär günstigsten Wirkungs­ grad und/oder die Antriebskomponente oder der Betriebszustand mit dem sekundär günstigsten Wirkungsgrad ermittelt wird.