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Die
Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Fahrzeug und ein Verfahren
zur Steuerung und/oder Regelung einer Leistungsaufnahme von zumindest einer
elektrischen Maschine des Fahrzeugs.
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Ein
Bordnetz eines Fahrzeugs umfasst im Allgemeinen zumindest eine Batterie
und einen Generator, welche zur Erzeugung und Bereitstellung von
Energie für
Verbraucher des Bordnetzes ausgebildet sind. Bekannt sind dabei
Generatoren zur Erzeugung der elektrischen Energie, die über eine Schnittstelle
geregelt werden können.
Diese Schnittstelle kann beispielsweise eine bitserielle Schnittstelle
sein. Über
diese Schnittstelle wird die Sollregelerspannung an den im Generator
verbauten Spannungsregler übermittelt.
Bei einem ausreichend hohen Sollwert dieser Spannung wird eine Brennkraftmaschine
des Fahrzeugs, welche zum Antreiben des Generators mit dem Generator
gekoppelt ist, entsprechend belastet. Die Belastung der Brennkraftmaschine
durch die Leistungsaufnahme des Generators hängt dabei von der Erzeugung
der elektrischen Energie des Generators ab, da für diese Erzeugung der elektrischen
Energie ein gewisses Maß an
mechanischer Antriebsenergie erforderlich ist, welche beispielsweise über einen
Riemenantrieb von der Brennkraftmaschine an die elektrische Maschine bzw.
den Generator übertragen
wird. Durch eine gezielte Ansteuerung des Generators ist es damit
auch denkbar, nur in Schub- und/oder Bremsphasen des Fahrzeugs aus
der kinetischen Energie elektrische Energie zu erzeugen. Ein derartiges
Rekuperieren kann jedoch in Abhängigkeit
des Schleppmoments der Brennkraftmaschine bzw. des Motors zu einer Verzögerung des
Fahrzeugs führen,
welche in einer momentanen Fahrsituation nicht akzeptabel oder vom
Fahrzeugführer
nicht gewünscht
ist.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 103 24 948 A1 ist eine Kraftfahrzeug-Antriebsvorrichtung
bekannt, welche eine als Generator ausgebildete elektrische Maschine
aufweist. Die elektrische Maschine ist auch als Elektromotor betreibbar.
Eine Steuereinrichtung zur Steuerung der elektrischen Maschine ist
darüber
hinaus derart ausgebildet, dass sie mit einer vorbestimmten Taktfrequenz
jeweils ermittelt, wie viel Bremsmoment auf einer Fahrzeugachse,
mit welcher die elektrische Maschine antriebsmäßig verbunden ist, in Abhängigkeit
von mindestens einem vorbestimmten Fahrstabilitätskriterium bei einer Bremsanforderung
jeweils zulässig
ist. Das maximal verfügbare
Rekuperationsmoment der elektrischen Maschine wird von der Steuereinrichtung
jeweils aus dem Unterschied zwischen dem jeweils aktuellen Lademoment
der elektrischen Maschine bei Ladebetrieb der Batterie und bei einem vorbestimmten
Drehmoment der elektrischen Maschine bei einer vorbestimmten maximalen
zulässigen
Bordnetzspannung bei Rekuperationsbetrieb berechnet.
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Darüber hinaus
ist aus der
DE 103
24 573 A1 eine Kraftfahrzeug-Steuereinrichtung zur Steuerung eines
Verbrennungsmotors und mindestens einer elektrischen Maschine, welche
ein Generator ist, bekannt. Die dort beschriebene Kraftfahrzeug-Steuereinrichtung
geht von einer Kraftfahrzeug-Antriebsvorrichtung aus, bei der in
einem Rekuperationsbereitschaftsmodus der Sollwert der Generatorausgangsspannung
in Abhängigkeit
von Fahrzustandsgrößen so vorgegeben
wird, dass beim Abbremsen oder im Schubbetrieb des Fahrzeugs elektrische
Energie in das Bordnetz eingespeist wird. Bei der in der
DE 103 24 573 A1 beschriebenen
Kraftfahrzeug-Steuereinrichtung werden zur Steuerung der elektrischen
Maschine auch deren Drehmomente, insbesondere deren Schleppmomente,
berücksichtigt
und diese werden anhand von jeweils aktuellen Betriebs-Istwerten berechnet.
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Eine
Regelung des Generators erfolgt bei den bekannten Bordnetzen lediglich
vor dem Hintergrund einer Bremsleistungsverteilung zwischen Radbremsen
und dem Generator oder unter Berücksichtigung
der Fahrleistungswünsche.
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Daher
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen,
mit welchem der Betrieb einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs
im Hinblick auf momentane Betriebssituationen des Fahrzeugs verbessert
werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Bordnetz für ein
Fahrzeug zu schaffen, bei dem eine situationsabhängige Bereitstellung einer
Energie verbessert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren, welches die Merkmale nach Patentanspruch
1 aufweist, und ein Bordnetz, welches die Merkmale nach Patentanspruch
10 aufweist, gelöst.
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Bei
einem lösungsgemäßen Verfahren
erfolgt eine Steuerung und/oder Regelung einer Leistungsaufnahme
von zumindest einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs in einer
Schub- und/oder Bremsphase des Fahrzeugs. In dieser Schub- und/oder
Bremsphase des Fahrzeugs werden momentane Betriebsbedingungen von
zumindest einer Komponente des Fahrzeugs ermittelt und abhängig von
diesen Betriebsbedingungen eine Soll-Leistungsaufnahme der elektrischen
Maschine bestimmt, welche mit einer ermittelten momentanen Ist-Leistungsaufnahme
der elektrischen Maschine verglichen wird und abhängig von
dem Vergleich die momentane Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine
eingestellt wird. Durch das vorgeschlagene Verfahren kann situationsabhängig eine
sehr präzise Steuerung
und/oder Regelung der Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine
erfolgen, wobei dies in der Schub- und/oder Bremsphase des Fahrzeugs derart
erfolgt, dass das Fahrverhalten des Fahrzeugs für einen Fahrzeugnutzer praktisch
nicht erkennbar und nicht spürbar
beeinträchtigt
wird.
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Vorzugsweise
wird die elektrische Maschine in der Schub- und/oder Bremsphase
des Fahrzeugs zum Durchführen
einer Rekuperation betrieben. Die von der elektrischen Maschine
für die
Rekuperation bereitstellbare Energie wird somit abhängig von
den Betriebsbedingungen der zumindest einen Komponente erzeugt,
da die Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine die von der elektrischen
Maschine bereitstellbare Energie beeinflusst.
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Vorzugsweise
wird die momentane Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine derart eingestellt,
dass ein vorgebbares Soll-Verzögerungsverhalten
des Fahrzeugs in der Schub- und/oder Bremsphase erreicht wird. Durch
eine gezielte Ansteuerung der elektrischen Maschine kann insbesondere
während
einer Rekuperationsphase die Verzögerung des Fahrzeugs derart
geregelt werden, dass diese Verzögerung
in einer jeweiligen Fahrsituation stets vertretbar ist und insbesondere
von einem Fahrzeugnutzer nicht negativ verspürt wird. Es kann dadurch auch
eine regelbare Verzögerung
des Fahr zeugs durch eine Variation der Lastaufnahme der elektrischen
Maschine erreicht werden.
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Die
elektrische Maschine wird in vorteilhafter Weise mit der zumindest
einen Komponente des Fahrzeugs gekoppelt, insbesondere mechanisch
gekoppelt, und die elektrische Maschine wird von der einen Komponente
angetrieben. Die mechanische Kopplung kann dabei unmittelbar oder über weitere Elemente
mittelbar erfolgen. Die zum Antrieb der elektrischen Maschine erforderliche
Leistung und somit auch die Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine
wird zumindest teilweise von der Komponente des Fahrzeugs bereitgestellt.
Bevorzugt ist die Komponente als Motor, insbesondere als Brennkraftmaschine,
des Fahrzeugs ausgebildet und für
die Ermittlung der Betriebsbedingungen des Motors wird eine Position
von zumindest einem die Ladungswechselarbeit des Motors beeinflussenden
Stellglieds bestimmt. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Kühlmitteltemperatur
bestimmt wird und abhängig
von dieser die Betriebsbedingungen der Komponente bestimmt werden.
Bevorzugt ist die elektrische Maschine ein Generator, der vorteilhafter Weise
mit einem Riemenantrieb mit der Komponente, insbesondere dem Motor,
des Fahrzeugs gekoppelt wird. Es kann vorgesehen sein, dass der
Generator zur Erzeugung einer Ausgangsspannung von etwa 14 V ausgebildet
ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Generator eine Ausgangsspannung zwischen
etwa 14 V und etwa 42 V bereitstellen kann. Das Fahrzeug kann somit
ein Bordnetz aufweisen, welches als Einspannungs-Bordnetz oder aber auch
als Mehrspannungs-Bordnetz ausgebildet ist. Es kann auch vorgesehen
sein, dass die Ausgangsspannung der elektrischen Maschine bis zu
einige hundert Volt beträgt,
wie dies beispielsweise bei Konzepten mit Batteriepacks der Fall
ist. Auch bei Hybrid-Antrieben können
derart hohe Ausgangsspannungen bereitgestellt werden.
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Die
Komponente des Fahrzeugs, welche zum Antrieb der elektrischen Maschine
ausgebildet ist, kann jedoch beispielsweise auch eine Achse des Fahrzeugs
sein, welche beim Betrieb des Fahrzeugs durch die Rotation der Räder des
Fahrzeugs bewegt wird und dadurch über die unmittelbare oder mittelbare
Kopplung mit der elektrischen Maschine diese antreibt.
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Insbesondere
dann, wenn die elektrische Maschine, insbesondere der Generator,
mit dem Motor über
einen Riemenantrieb gekoppelt ist, tritt bei einer Leistungsaufnahme
bzw. einer Lastaufnahme der elektrischen Maschine, welche vom Motor
erzeugt werden muss, ein zusätzliches
Schleppmoment zum ohnehin vorliegenden Basisschleppmoments dieses Motors
auf. Dies ist umso stärker,
je größer diese Leistungsaufnahme
ist. Faktoren, die das Basisschleppmoment des Motors beeinflussen,
sind zum einen die Motorreibung und andererseits die Ladungswechselarbeit.
Eine Ladungswechselarbeit tritt bei einem realen Motorprozess (Verlust
an Expansionsarbeit; Ausschieben des Abgases gegenüber Druck;
Ansaugen der Frischladung bei Unterdruck) auf. Die Motorreibung
lässt sich
näherungsweise
mittels der Kühlmitteltemperatur
durch bekannte Modelle beschreiben. Dies ist gegenwärtig bereits
in Motorsteuergeräten
realisiert. Vor allem bei drehmomentbasierten Systemen ohne mechanische
Verbindung einer Drosselklappe und einem Gaspedal, insbesondere
bei EGAS (Elektronisches Gaspedal) – Systemen, ist dies bekannt.
Die Kühlmitteltemperatur
liefert dabei über
bekannte Kennfelder eine relativ präzise Aussage über die
eigentlich zu beurteilende Öltemperatur
des Motors. Je niedriger diese Öltemperatur
ist, desto größer ist
die Motorreibung.
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Darüber hinaus
wird das Schleppmoment des Motors auch durch eine Reduktion der
erwähnten
Ladungswechselarbeit vermindert. Dazu können beispielsweise zumindest
ein Zylinder des Motors abgeschaltet werden. Dies kann in Schub-
und/oder Bremsphasen auch soweit betrieben werden, dass alle Zylinder
des Motors abgeschaltet werden. Durch ein derartiges Abschalten
von einem oder mehreren Zylindern des Motors über entsprechende Steuerelemente,
beispielsweise Einlass- und Auslassventile, kann die Ladungswechselarbeit
im Wesentlichen bis auf Null reduziert werden. Dies bedeutet, dass
die Verzögerung
des Fahrzeugs spürbar
verändert
werden kann.
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Durch
die situationsabhängige
Steuerung und/oder Regelung der Leistungsaufnahme der elektrischen
Maschine wird diese durch das vorgeschlagene Verfahren somit an
die momentanen jeweiligen Randbedingungen des Fahrzeugbetriebs angepasst. Durch
eine Taktung der Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine kann
eine Anpassung an unterschiedliche Schleppmomente des Motors ermöglicht werden,
wodurch wiederum eine entsprechende Verzögerung des Fahrzeugs erreicht
werden kann. Bevorzugt wird dabei eine Steuerungslogik in ein Steuergerät integriert.
Das Steuergerät
kann beispielsweise das Motorsteuergerät aber auch ein Batteriesteuergerät sein.
In Abhängigkeit
von einer Mehrzahl an Kriterien, insbesondere der Kühlmitteltemperatur, des
Schleppmoments des Motors, der Position der die Ladungswechselarbeit
beeinflussenden Stellglieder, sowie einer Soll-Verzö gerung des
Fahrzeugs, welche selbst wiederum bevorzugt durch die Kühlmitteltemperatur
bestimmbar ist, berechnet diese Steuerungslogik eine Soll-Leistungsaufnahme
der zumindest einen elektrischen Maschine. Es kann auch vorgesehen
sein, dass eine Mehrzahl derartiger elektrischer Maschinen, insbesondere
mehrere Generatoren, durch das vorgeschlagene Verfahren in ihrer Leistungsaufnahme
gesteuert und/oder geregelt werden.
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Neben
einer beispielhaften Ausgestaltung des Generators, welcher über einen
Riemenantrieb mit dem Motor gekoppelt ist, kann die elektrische
Maschine auch an eine Antriebsachse oder einen Getriebeeingang bzw.
eine Kurbelwelle gekoppelt sein, wodurch ein integrierter Startergenerator
(ISG) ausgebildet wird.
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Ein
lösungsgemäßes Bordnetz
für ein
Fahrzeug umfasst zumindest eine elektrische Maschine und ein Steuergerät, welches
zur Steuerung und/oder Regelung einer Leistungsaufnahme der elektrischen
Maschine in einer Schub- und/oder Bremsphase des Fahrzeugs ausgebildet
ist. Das Bordnetz umfasst darüber
hinaus Mittel, mit welchem in der Schub- und/oder Bremsphase momentane
Betriebsbedingungen von zumindest einer Komponente des Fahrzeugs
ermittelbar und an das Steuergerät übertragbar
sind, wobei das Steuergerät
derart ausgebildet ist, dass abhängig
von diesen Betriebsbedingungen eine Soll-Leistungsaufnahme der elektrischen
Maschine bestimmbar ist, welche mit einer ermittelten momentane
Ist-Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine verglichen wird,
und abhängig von
dem Vergleich die momentane Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine
einstellbar ist. Durch das Bordnetz kann eine situationsabhängig optimierte
Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine ermöglicht werden, bei dem das
Betriebsverhalten des Fahrzeugs im Hinblick auf die Wahrnehmung
durch einen Fahrzeugnutzer nicht negativ beeinträchtigt wird. Insbesondere kann
dabei in den Schub- und/oder Bremsphasen des Fahrzeugs das Verzögerungsverhalten
des Fahrzeugs geregelt werden. Bevorzugt befolgt die Steuerung und/oder
Regelung der Leistungsaufnahme derart, dass die mit der elektrischen
Maschine gekoppelte Komponente nicht derart belastet wird, dass
ein unerwünschtes
oder sogar ein nicht vertretbares Verzögerungsverhalten des Fahrzeugs
einhergeht. Bevorzugt erfolgt somit das Antreiben der elektrischen
Maschine durch die Komponente des Fahrzeugs stets in einer Weise,
durch die das dadurch hervorgerufen Schleppmoment des Motors nicht
zu einer unerwünschten
Verzögerung des
Fahrzeugs führt.
Die von der elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie wird
somit auch stets situati onsabhängig
erzeugt, da sie abhängig von
der übertragenen
Antriebsenergie der Komponente ist und somit auch abhängig von
der Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bordnetzes anzusehen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Die
einzige 1 zeigt ein schematisch und
vereinfacht dargestelltes Fahrzeug 1, welches vier Räder 11, 12, 13 und 14 aufweist.
Das Fahrzeug 1 umfasst eine als Brennkraftmaschine 15 ausgebildete
Komponente, wobei der Motor bzw. die Brennkraftmaschine 15 eine
Mehrzahl an Zylindern (nicht dargestellt) umfasst. Die Brennkraftmaschine 15 ist
zum Antrieb des Fahrzeugs 1 ausgebildet und dabei mit einer
Antriebsvorrichtung 16a, 16b mit den vorderen
Rädern 11 und 12 zur
Kraftübertragung
gekoppelt. Dadurch ist ein Fahrzeug mit einem Frontantrieb realisiert.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Fahrzeug 1 mit einem
Heckantrieb ausgebildet ist. Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass
das Fahrzeug 1 als Allrad-Fahrzeug ausgebildet ist und
die Antriebsvorrichtung zusätzlich
Antriebseinheiten 16c, 16d und 16e aufweist.
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Des
Weiteren umfasst das Fahrzeug 1 eine Kühlungsvorrichtung 17,
welche einen Kühlmittelkreislauf
zur Kühlung
der Brennkraftmaschine 15 umfasst. Sowohl die Brennkraftmaschine 15 als
auch die Kühlungsvorrichtung 17,
insbesondere ein Sensor zur Temperaturermittlung des Kühlmittels,
sind mit ein Steuergerät 18 elektrisch
verbunden. Das Steuergerät 18 ist
insbesondere als Motorsteuergerät
ausgebildet. Darüber
hinaus umfasst das Fahrzeug 1 eine erste elektrische Maschine,
welche als erster Generator 19a ausgebildet ist. Der erste
Generator 19a ist zur Erzeugung einer Ausgangsspannung
von etwa 14 V ausgebildet und mit dem Steuergerät 18 elektrisch verbunden.
Darüber
hinaus umfasst das Fahrzeug 1 einen zweiten Generator 19b,
welcher zur Erzeugung einer Ausgangsspannung von etwa 14 V bis etwa
42 V ausgebildet ist. Das Fahrzeug 1 weist somit im Ausführungsbeispiel
ein Mehrspannungs-Bordnetz auf. Sowohl der erste Generator 19a als
auch der zweite Generator 19b sind mit dem Steuergerät 18 elektrisch
verbunden. Darüber
hinaus ist der erste Generator 19a über einen Riemenantrieb mit
der Brennkraftmaschine 15 verbunden. Des Weiteren ist auch
der zweite Gene rator 19b über einen Riemenantrieb mit
der Brennkraftmaschine 15 verbunden.
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Das
Steuergerät 18 ist
zur situationsabhängigen
Steuerung und/oder Regelung einer Leistungsaufnahme des zweiten
Generators 19b in einer Schub- und/oder Bremsphase des Fahrzeugs ausgebildet.
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Die
Leistungsaufnahme bzw. die Lastaufnahme des Generators 19b wird
dabei abhängig
von Randbedingungen des momentanen Betriebszustands des Fahrzeugs 1 und
insbesondere von momentanen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 15 des
Fahrzeugs geregelt. In der Schub- und/oder Bremsphase wird dabei
das Schleppmoment des Motors bzw. der Brennkraftmaschine 15 ermittelt.
Dazu wird eine Motorreibung und eine Ladungswechselarbeit aus Messgrößen und
durch geeignete Modelle in dem Steuergerät 18 erfasst. Die Motorreibung
wird dabei näherungsweise
durch die Kühlmitteltemperatur
beschrieben, welche durch einen entsprechenden Temperatursensor
an der Kühlvorrichtung 17 detektiert
werden kann und an das Steuergerät 18 übermittelt
wird. Neben der Kühlmitteltemperatur
wird im Ausführungsbeispiel
auch das Schleppmoment der Brennkraftmaschine 15, sowie die
Position der die Ladungswechselarbeit beeinflussenden Stellglieder
sowie ein vorgegebenes Soll-Verzögerungsverhalten
des Fahrzeugs berücksichtigt.
Die Ladungswechselarbeit kann im Ausführungsbeispiel entweder durch
ein Abschalten von einem oder mehreren Zylindern der Brennkraftmaschine 15 in
diesem Schubbetrieb oder in dieser Bremsphase erreicht werden. Es
kann auch eine Reduzierung der Ladungswechselarbeit dahingehend
ermöglicht
werden, in dem keine direkte Zylinderabschaltung erfolgt, aber das
Hubverhalten der Ventile der Brennkraftmaschine 15 verändert wird.
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Anhand
dieser Kenngrößen kann
durch das Steuergerät 18 eine
Soll-Leistungsaufnahme des Generators 19b ermittelt werden.
Darüber
hinaus wird anhand weiterer Größen die
momentane Ist-Leistungsaufnahme des Generators 19b ermittelt und
im Steuergerät
ein Vergleich zwischen der bestimmten und vorgegebenen Soll-Leistungsaufnahme
und der Ist-Leistungsaufnahme durchgeführt. Abhängig von dem Vergleich erfolgt
dann eine Steuerung und/oder Regelung der momentanen Leistungsaufnahme
des Generators 19b. Eine veränderte Taktung des Generators 19b lässt sich
somit aus dem Vergleich von Soll- und Istwerten berechnen und somit
eine sehr geringe Abweichung vom Sollwert einregeln.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass neben der Steuerung und/oder Regelung
des Generators 19b auch anstatt oder zusätzlich dazu
der erste Generator 19a in seiner Leistungsaufnahme entsprechend
gesteuert und/oder geregelt wird.
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Im
Ausführungsbeispiel
erfolgt das Antreiben des Generators 19b durch die Brennkraftmaschine 15 in
Schub- und/oder Bremsphasen des Fahrzeugs 1 bevorzugt derart,
dass das Schleppmoment der Brennkraftmaschine 15 nicht
derart beeinflusst wird, dass dadurch das Verzögerungsverhalten des Fahrzeugs 1 zu
einem unerwünschten
und insbesondere zu starken Verzögern
führt.
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Durch
den situationsabhängigen
Antrieb des Generators 19b wird somit dessen Leistungsaufnahme
situationsabhängig
eingestellt, wodurch abhängig davon
auch dann die von dem Generator 19b erzeugte elektrische
Energie und somit die Ausgangsspannung des Generators 19b situationsabhängig erzeugt
wird.
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Der
zweite Generator 19b ist in den Schub- und/oder Bremsphasen
des Fahrzeugs zur Rekuperation ausgebildet, wobei das Bordnetz des
Fahrzeugs 1 einen dafür
geeigneten Energiespeicher, insbesondere einen Doppelschichtkondensator,
aufweist. Die in dieser Rekuperation gewonnene und in dem Energiespeicher
gespeicherte Energie kann dann in anderen Betriebsphasen des Fahrzeugs,
insbesondere beim Beschleunigungsbetrieb, bedarfsgerecht an Verbraucher
des Bordnetzes, welche mit dem ersten Generator 19a oder
dem zweiten Generator 19b verbunden sind, abgegeben werden.