DE10121962A1 - Energiemanagementsystem für ein elektrisches Kraftfahrzeugbordnetz - Google Patents

Energiemanagementsystem für ein elektrisches Kraftfahrzeugbordnetz

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Abstract

Bei einem Energiemanagementsystem für ein elektrisches Kraftfahrzeugbordnetz, bestehend aus mindestens einem Generator und mindestens einer Speicherbatterie sowie einer Vielzahl von Verbrauchern, wird die Energieverteilung im System unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades der einzelnen an Stromerzeugung, Stromspeicherung und Stromverbrauch beteiligten Komponenten gesteuert. Zur Ermittlung des Gesamtwirkungsgrades der Stromspeichereinheit, die aus mindestens einem Stromspeicher besteht, wird der Ladezustand, die Temperatur des Speichers sowie die absolute Größe der Lade- und Entladeströme berücksichtigt. Das System kann neben mechanisch angetriebenen Generatoren eine Brennstoffzelle und neben einem elektrochemischen Energiespeicher noch physikalische Speicher wie Doppelschichtkondensatoren besitzen.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Energiemanagementsystem für ein elektrisches Kraftfahr­ zeugbordnetz, bestehend aus mindestens einem Generator und mindestens einer Speicher­ batterie sowie einer Vielzahl von Verbrauchern.
Zukünftige Kraftfahrzeuge werden eine andere Bordnetzarchitektur aufweisen als sie heute üblich ist. Die Erzeugung des elektrischen Stromes wird durch einen oder mehrere Genera­ toren erfolgen, die neben dem Antrieb durch Kopplung an den Verbrennungsmotor auch eine Zufuhr mechanischer Energie durch den Bremsvorgang erhalten. Dieses als Bremsenergie­ rückgewinnung bereits bekannte Verfahren macht es in einem noch höheren Maße als im heutigen Standardfall der Erzeugung elektrischer Energie erforderlich, über Generatoren und elektrische Speichermedien zu verfügen, die für den deutlich höheren Anteil an benötigten bzw. angebotenen Spitzenströmen ausgelegt sind.
Da aber bei jedem Fahrzeug bezüglich Generator und Batterie Gewichtslimits unbedingt ein­ zuhalten sind, um nicht den Vorteil einer effizienteren Stromerzeugung und des damit ver­ bundenen geringeren Kraftstoffverbrauchs durch einen Anstieg an zu beschleunigender Fahrzeugmasse einzubüßen, ist es erforderlich, besonders effiziente Komponenten einzu­ setzen.
Im Rahmen der technischen Realisierung von Energiemanagementsystemen für Kraftfahr­ zeugbordnetze sind die verschiedensten Verfahren zur Überwachung, insbesondere des Ladezustands der Speicherbatterien, bekannt.
Aus der DE-PS 22 42 510 ist es beispielsweise bekannt, bei einem Verfahren zur Messung des Ladezustandes den Ladestrom mit einem von der Temperatur und vom Ladezustand der Batterie selbst abhängigen Faktor zu bewerten.
Der DE-OS 40 07 883 ist ein Verfahren zu entnehmen, bei dem die Startfähigkeit eines Ak­ kumulators durch Messung von Akkumulatorspannung und Batterietemperatur und Vergleich mit einer für den zu prüfenden Batterietyp geltenden Ladezustandskurvenschar ermittelt wird.
Der DE-OS 195 43 874 ist ein Berechungsverfahren für die Entladecharakteristik und Restka­ pazitätsmessung einer Batterie zu entnehmen, bei welchem ebenfalls Strom, Spannung und Temperatur gemessen wird, wobei die Entladungscharakteristik durch eine mathematische Funktion mit gekrümmter Oberfläche angenähert wird.
Die DE-PS 39 01 680 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung der Kaltstartfähigkeit einer Starterbatterie, bei dem die Starterbatterie zeitweise mit einem Widerstand belastet wird, die Spannung die am Widerstand abfällt gemessen wird und daraus im Vergleich mit Erfah­ rungswerten festgestellt wird, ob die Kaltstartfähigkeit der Batterie noch ausreicht. Zur Be­ lastung der Starterbatterie dient dabei der Anlassvorgang.
Schließlich ist der DE-OS 43 39 568 ein Verfahren zur Ermittlung des Ladezustandes einer Kraftfahrzeug-Starterbatterie zu entnehmen, bei dem Batteriestrom und Ruhespannung ge­ messen werden und aus diesen auf den Ladezustand geschlossen wird, wobei zusätzlich auch die Batterietemperatur berücksichtigt wird. Dabei werden die während verschiedener Zeiträume gemessenen Ladeströme miteinander verglichen und daraus eine Restkapazität ermittelt.
Die genannten Batterieüberwachungsverfahren, deren Information mit eine Grundvoraus­ setzung für das gezielte Management der elektrischen Energie im Fahrzeugbordnetz ist, enthalten jedoch noch keine Ansätze zur Verwirklichung dieses für die effizientere Kraftstoff­ nutzung erforderlichen regelungstechnischen Eingriffs.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Energiemanagementsystem zu defi­ nieren und mit Hilfe dieses Systems die Erzeugung, den Verbrauch und die Speicherung der elektrischen Energie dergestalt zu beeinflussen, dass der Fahrzeuggesamtwirkungsgrad verbessert wird. Zusätzlich gilt es in Situationen, die durch eine technische Begrenzung cha­ rakterisiert sind, energetisch solche Entscheidungen zu treffen und einzuleiten, dass die Si­ cherheit der Passagiere nicht eingeschränkt und der Fahrzeugkomfort nicht merklich nach­ läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß beim eingangs genannten Energiemanagement­ system durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprü­ chen sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem erhält Informationen vom Antriebs­ system, bestehend aus Motor, Getriebe und Bremssystem, vom Generator und von der Viel­ zahl elektrischer Verbraucher sowie von der stets vorhandenen Speicherbatterie bzw. dem System von Speicherbatterien und steuert über diese die Energieverteilung im System. Bei­ spielsweise entscheiden die aktuelle Motordrehzahl oder die momentan anfallende Brems­ leistung, zusammen mit der Leistungsaufnahme der Verbraucher und den Zustandsgrößen, welche die Batterie beschreiben, wie z. B. deren Ladungsinhalt oder deren Temperatur über die Leistungsabgabe des Generators, die beispielsweise durch dessen Erregerstrom ge­ steuert wird. Welcher Anteil der vom Generator oder von einem System von mehreren Gene­ ratoren erzeugten Energie unter den gegebenen Bedingungen über einen Energieverteiler dem Batteriesystem zugeführt wird, entscheidet ebenfalls das Energiemanagementsystem. Die Energieverteilung im System erfolgt erfindungsgemäß unter Berücksichtigung des Wir­ kungsgrades der einzelnen an Stromerzeugung, Stromspeicherung oder Stromverbrauch beteiligten Komponenten. Insbesondere erfolgt die Steuerung der Energieverteilung über den numerischen Vergleich der Wirkungsgradketten, die sich aus den Einzelwirkungsgraden der an Stromerzeugung, Stromspeicherung und Stromverbrauch beteiligten Komponenten ergeben. Zur Ermittlung des Gesamtwirkungsgrades der dem System zugeordneten Speichereinheit, die aus mindestens einem Stromspeicher besteht, werden als Variable der Ladezustand und die Temperatur des Speichers sowie die absolute Größe der Lade- und Entladeströme herangezogen, um dessen Wirkungsgrad in die Wirkungsgradkette einzubrin­ gen.
Als mechanische Energiequelle zur Erzeugung des elektrischen Stromes stehen der Verbrennungsmotor und/oder die Bremsleistung über die Dauer der Fahrzeugverzögerung zur Verfügung. Als weiterer Energieerzeuger kann im System beispielsweise auch eine Brennstoffzelle oder ein Nebenaggregat in Form einer weiteren Wärmekraftmaschine vor­ handen sein. Bei den elektrischen Speichern kann es sich um die unterschiedlichsten Batte­ rien auf elektrochemischer Basis und/oder um Kondensatorbänke in z. B. redundanten Parallelschaltungen handeln.
Bei der als Energiespeicher üblicherweise verwendeten Fahrzeugbatterie verbessern sich Lade- und Entladewirkungsgrad bei steigenden Temperaturen, die Stromentnahme ist be­ sonders effizient bei vollgeladener Batterie, im Gegensatz zur Ladungsaufnahme, die bei einer teilentladenen Batterie besonders gut funktioniert. Außerdem hängt der Wirkungsgrad der Batterie ganz entscheidend sowohl beim Entladen als auch beim Laden von der Strom­ höhe ab. Daher kann es vorteilhaft sein, ein zweikomponentiges, gesteuertes Speicher­ system zu verwenden, wie z. B. die Kombination aus Blei/Säure-Batterie und Kondensator.
Die typischen Verbraucher eines Fahrzeugbordnetzes können hinsichtlich ihres Wirkungs­ grades sowie ihres Einflusses auf die Erzeugung und Speicherung des Stroms vorteilhaft durch eine getaktete Energiezufuhr gesteuert werden.
Das für ein optimiertes Energiemanagement in einem Kraftfahrzeugbordnetz anzuwendende Verfahren berücksichtigt erfindungsgemäß bei der Erzeugung von elektrischer Energie Wir­ kungsgradketten.
Dabei sind zunächst die zwei Hauptwirkungsgradketten der Energieerzeugung hinsichtlich der besseren Effizienz und der daraus abzuleitenden Entscheidung, welche der beiden Mög­ lichkeiten aktuell zu nutzen ist, besonders wichtig. Die erste Kette bildet sich aus dem Pro­ dukt der aktuellen Einzelwirkungsgrade von Verbrennungsmotor und Generator. Es ist be­ kannt, dass beide Aggregate bei sehr niedrigen Drehzahlen schlechte Wirkungsgrade besit­ zen.
Die zweite Kette wird gebildet aus dem Generatorwirkungsgrad für die Bremsenergierück­ gewinnung, multipliziert mit dem Gesamtwirkungsgrad (Laden + Entladen) des elektrischen Speichersystems.
Der bei einer bestimmten Generatordrehzahl nG und Temperatur TG mit dem Wirkungsgrad ηG (nG, TG) so bereitgestellte Strom kann beispielsweise zu 100% den Verbrauchern zuge­ führt werden oder aber zu 100% in das Speichersystem mit dem Wirkungsgrad ηSL (Q, TS, ISL) geladen werden. Dabei bedeutet Q der aktuelle Ladezustand, TS die Temperatur des Speichers und ISL die Größe des einzuladenden Stromes.
Tatsächlich wird sich im System eine Mischform einstellen, die einen Teil α des Generator­ stromes den Verbrauchern zuführt und den Rest 1 - α dem Speichersystem anbietet.
Im Falle einer sehr niedrigen Speichertemperatur kann ein Teil der vom Generator geliefer­ ten elektrischen Energie dazu verwendet werden, die Speicherbatterie auf ein besseres Wir­ kungsgradniveau zu bringen. Der aktuelle Speicherwirkungsgrad ist in diesem Fall eine Funktion ηSL (Q, TS, I*SL) mit dem Speicher- und Heizstrom I*SL.
Das Optimierungsprogramm des Energiemanagementsystems bestimmt den Anteil α, so dass der Generatorstrom mit bestmöglichem Wirkungsgrad aufgeteilt wird. Dabei wird auch entschieden, ob es energetisch sinnvoller ist, den aktuell im Bordnetz benötigten Strom aus dem Speicher zu beziehen und die Generatorwicklung nicht zu erregen und/oder den Gene­ rator vom Motor bzw. vom restlichen Antriebsstrang ohne Motor mechanisch abzukuppeln.
Diese Entscheidung orientiert sich an den alternativen Wirkungsgradketten
η1 = ηG.ηV (Generatorwirkungsgrad.Verbraucherwirkungsgrad) oder
η2 = ηSE.ηV (Entladewirkungsgrad der Speicherbatterie.Verbraucherwirkungsgrad),
wobei der Index SE für den Entladewirkungsgrad des Speichers steht und ebenfalls eine Funktion von Ladezustand Q, Speichertemperatur TS, Entladestrom ISE und Generatorwir­ kungsgrad ηG ist.
Der Entladewirkungsgrad des Speichers ηSE ist auch eine Funktion des durchschnittlichen Generatorwirkungsgrades ηG denn die im Energiespeicher bzw. Speicherbatterie befindliche Ladung muss zunächst durch das Generatorsystem bereitgestellt werden. In die Größe des Generatorwirkungsgrades ηG geht aber auch weiterhin ein, ob und in welchem Verhältnis die mechanische Arbeit entweder vom Motor oder durch das Bremsen geliefert wurde. Wird also ermittelt, dass η1 < η2 so entscheidet das Energiemanagement für die Stromversorgung aus der Batterie, und zwar so lange bis dieser Zustand nicht mehr gegeben ist.
Im Falle der Bremskraftrückgewinnung können neben moderaten Strömen bei gewöhnlichen und recht häufigen Verzögerungen auch Spitzenströme bei sehr kräftigen Bremsvorgängen entstehen. Das Energiemanagement berücksichtigt, abhängig von der Ladecharakteristik des Speichersystems, ob die Bremsenergie gespeichert werden kann und zu welchem Teil.
Stehen beispielsweise zwei Speicher zur Verfügung, wobei sich der eine besonders für die kurzfristige Aufnahme sehr hoher Bremsleistungen eignet, so wird vom Energiemanagement dessen Aufnahmekapazität ermittelt und nach der Ladungsaufnahme wird ein Transport mit geringer Übertragungsleistung in das andere Speichermedium eingeleitet oder aber den Verbrauchern sofort wieder zugeleitet. Als Verbraucher zählt in diesem Fall auch ein als An­ triebsmotor zur Unterstützung des Verbrennungsmotors arbeitender Generator.
In zeitlichen Perioden, in denen eine allgemeine Energieknappheit im Bordnetz herrscht, kann das Energiemanagementsystem die Stromaufnahme der Verbraucher nach einer ab­ gelegten Prioritätenliste steuern.
Durch das Energiemanagementsystem wird insbesondere ein für den Ladezustand und für die Temperatur der Batterie optimaler Arbeitspunkt eingehalten. Dieser ist wiederum abhän­ gig von der statistischen Verteilung der Fahrzeugbetriebszustände und muss aus der nahe­ liegenden Vergangenheit gelernt und in die Zukunft interpoliert werden. Was die in naher Zukunft des Fahrzeugs anbelangenden Fahrsituationen betrifft, ist es auch denkbar, dass das Energiemanagementsystem diese Informationen per Satellit empfängt (Stauwarnung, Gefällestrecken usw.).
Bedingt durch die äußerst komplexe Natur elektrochemischer Akkumulatoren bzw. der Kom­ bination physikalischer und elektrochemischer Speichersysteme liegt eine Hauptaufgabe des Energiemanagements in einer optimalen Steuerung des Ladezustandes und der Temperatur dieser Komponente.
In den Fig. 1 bis 3 ist der Speicherwirkungsgrad η5 eines Lade/Entlade-Zyklus einer Blei/Säure-Batterie (ηS = ηSC.ηSE) über den Lade- bzw. Entladeströmen aufgetragen. Fig. 1 zeigt den Ladezustandsbereich 80%-100%, Fig. 2 den Bereich 60%-80% und Fig. 3 den Bereich 40%-60%, dabei beträgt die Elektrolyttemperatur jeweils 20°C. Die Batte­ rie besitzt eine Nennkapazität von 35 Ah und einen Kaltstartstrom von 315 A.
Die Fig. 4 und 5 zeigen den Speicherwirkungsgrad für das Ladezustandsintervall 60%-­ 80% bei 0°C (Fig. 4) und -10°C (Fig. 5). Aus den Abbildungen ist der unterschiedlich starke Einfluss von Temperatur und Ladezustandsbereich auf den Lade-/Entladewirkungs­ grad des Blei-Säure-Akkumulators ersichtlich. Der Blei-Säure Akkumulator zeigt eine maxi­ male Speichereffizienz von ca. 87%. Durch Temperatur- und Ladezustandsänderungen kann diese Effizienz bis auf 68% sinken.
Während eine Absenkung des Ladezustandsintervalls SOC (state of charge) im Bereich klei­ ner Lade-/Entladeströme keine signifikante Auswirkung auf die Speichereffizienz hat, bewir­ ken jedoch immer noch moderate Ströme (Icharge = 26 A; Idischarge = 175 A) bei einer Absen­ kung des Ladezustandsbereiches um 10% eine mittlere Effizienzeinbuße von -2,5%. Dem­ nach wirkt der Parameter SOC auf die Neigung der Speicherwirkungsgradfläche bei steigen­ den Lade-/Entladeströmen stärker ein.
Eine Verminderung der Temperatur (Fig. 4 und Fig. 5) hat dagegen eine Absenkung der gesamten vom Lade-/Entladestrom aufgespannten Fläche des Speicherwirkungsgrades zur Folge. So bewirkt eine Absenkung der Temperatur um 10°C eine Abnahme des Speicher­ wirkungsgrades von 5%. Die Neigung der Fläche bleibt dabei mit sinkender Temperatur in Verbindung mit einem gleichen Ladezustandsintervall konstant.
Die Veränderung im Alltagsverhalten der beiden Parameter SOC und Batterietemperatur wirkt sich im Jahreszyklus des Fahrzeugbetriebs unterschiedlich aus. Die Temperaturerhö­ hung, die beim Kaltstartvorgang beginnt, kann bis die Betriebstemperatur des Motors erreicht ist, bis zu 50°C betragen, falls der Speicher unter der Motorhaube untergebracht ist. Dadurch ändert sich der Speicherwirkungsgrad um bis zu 15%. Bei unterschiedlich hohen Ladezu­ ständen kann eine Speicherwirkungsgradänderung von bis zu 5-10% eintreten.
Bezogen auf den Brennstoffeinsatz für das Fahrzeug, geht in den Batteriegesamtwirkungs­ graden ηS der gleitende Mittelwert UG des Generatorwirkungsgrads und des Antriebstrangs mit ein. Daher ist es vorteilhaft, die Batteriegesamteffizienz als Funktion von Ladezustand, Temperatur und Lade-/Entladezyklus möglichst genau zu beschreiben.
Der erfindungsgemäße Ansatz einer entsprechenden Vorschrift lautet z. B. für eine Speicher­ batterie mit 35 Ah Kapazität und einem Kaltstartstrom von 315 A:
ηS (Batteriegesamtwirkungsgrad) = η0 + η1 + η2
Dabei berücksichtigt η0 den reinen Temperatureinfluss wie folgt:
η0 = 74,7% + 0,25.T (°C)
η1 ist eine Funktion des Ladezustandsintervalls SOC und des Ladestromes ISE
η1 = 0,14 - 0,094.SOC (%) - (0,001 - 7.10-3.SOC (%)).ISE (A),
η2 hängt vom Ladestrom ISL ab
η2 = 0,02.0,001.I (A)
Dieser Satz von Gleichungen zur Ermittlung des gesamt Lade-/Entladewirkungsgrades z. B. einer Blei/Säure-Batterie beinhaltet jedoch noch nicht den Effekt der Alterung. Dies ist jedoch mit Methoden einer dauerhaften Batterieüberwachung insbesondere während des Startvor­ ganges prinzipiell möglich. Bei anderen Energiespeichern wie z. B. Doppelschichtkonden­ satoren, die in Kombination mit einer Blei/Säure-Batterie extrem wirkungsvoll sind, ist der Alterungseffekt gemessen an der Lebensdauer eines Automobils zu vernachlässigen.
Die besonderen Vorteile einer Berücksichtigung des Wirkungsgrades der Einzelkomponen­ ten des Fahrzeugbordnetzes im Energiemanagementsystem sind darin zu sehen, dass durch ein intelligentes Management der elektrischen Energie im Fahrzeugbordnetz der Gesamt­ systemwirkungsgrad beträchtlich gesteigert und der Kraftstoffverbrauch demzufolge deutlich vermindert werden kann. Dazu muss das erfindungsgemäß beschriebene EMS zu jedem Betriebszeitpunkt über die aktuellen technischen Daten aller an der Stromerzeugung, dem Stromverbrauch und seiner Speicherung beteiligten Aggregate informiert werden, und ge­ mäß der numerischen Ergebnisse eines Algorithmus, dessen Basis die Komponenteneinzel­ wirkungsgrade sind, entscheiden, wie die Energieströme optimal im Sinne eines besten Ge­ samtwirkungsgrades aufzuteilen sind. Nur mit Fahrzeugen, die über ein solches EMS verfü­ gen, ist das hochgesteckte Ziel einer Kraftstoffverbrauchshalbierung neben der Einführung aller bisher bekannten Maßnahmen zu erreichen.

Claims (7)

1. Energiemanagementsystem für ein elektrisches Kraftfahrzeugbordnetz, bestehend aus mindestens einem Generator und mindestens einer Speicherbatterie sowie einer Vielzahl von Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieverteilung im System unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades der einzelnen an Stromerzeugung, Stromspeiche­ rung und Stromverbrauch beteiligten Komponenten gesteuert wird.
2. Energiemanagementsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Zeitpunkt während des Betriebes eines Kraftfahrzeugs die beiden Wirkungsgradketten als Produkte der aktuellen Einzelwirkungsgrade für den Verbrennungsmotor in Kombina­ tion mit dem von ihm angetriebenen Generator einerseits und dem durch Bremsenergie angetriebenen Generator in Kombination mit dem elektrischen Speicher andererseits ge­ bildet und miteinander verglichen werden.
3. Energiemanagementsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu je­ dem Zeitpunkt geforderte Entscheidung über die aktuelle Quelle der elektrischen Versor­ gung des Bordnetzes von der Größe der ermittelten Wirkungsgradketten abhängt.
4. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Gesamtwirkungsgrades der Stromspeichereinheit die aus mindestens einem Stromspeicher besteht, der Ladezustand, die Temperatur des Speichers sowie die absolute Größe der Lade- und Entladeströme berücksichtigt wird.
5. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, dass es neben mechanisch angetriebenen Generatoren eine Brennstoffzelle enthält.
6. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, dass neben einem elektrochemischen Energiespeicher im System noch physikali­ sche Speicher wie Doppelschichtkondensatoren vorhanden sind.
7. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, dass in Abhängigkeit vom Angebot an elektrischer Energie durch Generatoren, Brennstoffzelle und Stromspeicher die Verbraucher nach einer fest vorgegebenen Priori­ tätenliste abschaltbar sind oder deren Energiekonsum drosselbar ist.
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