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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus
der
US 6,555,989 B1 ist
ein Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems bekannt,
bei dem zu einem Brennstoffzellenstapel ein elektrischer Pufferspeicher
parallel geschaltet ist, um auch auftretende Energienachfragespitzen
bedienen zu können, die durch die Brennstoffzelle selbst
zumindest vorübergehend nicht abgedeckt werden können.
Zur Sicherstellung, dass dieses Energieversorgungssystem beim Neustart
wieder betriebsbereit ist, wird im Ausschaltmodus die Brennstoffzelle
so lange weiter betrieben, bis die Batterie wieder voll geladen ist.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Betrieb eines Energieversorgungssystems entsprechend der einleitend dargelegten
Art zu verbessern. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte
und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung
angegeben.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt, ausgehend vom Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale.
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Dementsprechend
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines
Energieversorgungssystems, umfassend elektrische Versorgungsleitungen
und daran angeschlossen einen elektrischen Energiespeicher und einen
Energiewandler zur Erzeugung elektrischer Energie, sowie eine Kontrolleinheit,
die den Energiewandler nach Auftreten eines Abstellsignals für
das Energieversorgungssystem so lange weiter aktiv schaltet, bis
ein bestimmter Ladungszustand des Energiespeichers erreicht ist.
Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch
aus, dass zur Festlegung des Ladungszustandes der Energiebedarf
für einen Startvorgang des Energieversorgungssystems ermittelt und
berücksichtigt wird. Damit ist, im Gegensatz zu einem diesen
Sachverhalt nicht berücksichtigenden Ladevorgang, insbesondere
ein langzeitstabiler Betrieb des Energieversorgungssystems dahingehend möglich,
dass z. B. auch für bereits betagte Energiespeicher die
für den Wiederstart des Energieversorgungssystems erforderliche
Energie in gesicherter Weise von dem Speicher zur Verfügung
gestellt werden kann.
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Weiter
vorteilhaft kann zur Bestimmung des für den Wiederstart
des Energieversorgungssystems mindest erforderlichen Ladungszustand
insbesondere auch der Gesundheitszustand des Energiespeichers, z.
B. durch Anfahren bestimmter Betriebspunkte, ermittelt und ebenfalls
berücksichtigt werden.
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Im
Weiteren kann auch der Gesundheitszustand des Energiewandlers ermittelt
und ebenfalls zur Festlegung des mindest erforderlichen Ladungszustandes
für einen einwandfreien Neustart des Energieversorgungssystems
berücksichtigt werden. Der Gesundheitszustand des Energiewandlers
kann z. B. durch Anfahren bestimmter Betriebspunkte und Abspeichern
der so ermittelten Parameter, wie z. B. Energieaufnahme, zeitlicher
Verlauf des Energiebedarf oder dgl., zumindest bis zum nächsten
Systemstart jederzeit verfügbar bereitgehalten werden. Denkbar
ist aber auch die Abspeicherung mehrerer Werte, z. B. der von 20
oder 50 Starts, um daraus den kritischsten Wert als Grundlage zur
Bestimmung des neuen mindest erforderlichen Ladungszustandes zu ermitteln,
so dass auch beim Wiederauftreten der bisher schlechtesten Startbedingungen
eine ausreichende Energieversorgung durch den Energiespeicher gewährleistet
ist. Das Gleiche kann natürlich auch bezüglich
der Daten zum oben beschriebenen Gesundheitszustand des Energiespeichers
in vorteilhafter Weise vorgesehen sein.
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In
einer weiter vorteilhaften Ausführungsform kann auch die
Umgebungstemperatur des Energieversorgungssystems zur Bestimmung
des erforderlichen Mindestladungszustands ermittelt und mit berücksichtigt
werden. Hierdurch ist es möglich, die sich insbesondere
bei kalten Temperaturen zum Teil drastisch verschlechternden Start-
und Betriebseigenschaften des Energiespeichers und/oder des Energiewandlers
zur Erzeugung elektrischer Energie zu berücksichtigen.
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Energiespeicher
tendieren in bekannter Weise zur vergleichsweise deutlich schwächeren
Energieabgabe in kaltem Zustand, wie z. B. bei winterlichen Temperaturen.
Der Startvorgang eines Energiewandlers benötigt demgegenüber
in weiter die Startbedingungen verschärfender Weise vergleichsweise mehr
Energie bis zum Selbstlauf. Dieser erhöhte Energiebedarf
kann beispielsweise auf größere Rückhaltekräfte
im Lagerbereich, insbesondere aufgrund eines zähen Zustandes
von Schmiermitteln zurückgeführt werden. Bei Kenntnis
dieser in vorteilhafter Weise ebenfalls für verschiedene
Temperaturen oder Temperaturbereiche abgespeicherten Startparametern
ist eine vergleichsweise noch genauere Ermittlung eines Mindestladungszustandes
für den Energiespeicher möglich, auf dessen Basis
auf jeden Fall noch ein einwandfreier Neustart des Energieversorgungssystems
möglich ist.
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Eine
weitere mögliche Vorgehensweise wäre hierbei,
dass der Gesundheitszustand des Energiespeichers in Abhängigkeit
der Umgebungstemperatur des Energieversorgungssystems gewichtet
bewertet wird. So könnte beispielsweise bei milden oder warmen
Temperaturen ein geringer Aufschlagsfaktor für den Mindestladungszustand
festgelegt werden, der mit abnehmender Temperatur ansteigt. So kann auch
der Situation Rechnung getragen werden, dass auch während
eines Stillstands des Energieversorgungssystems die Ladekapazität
des Energiespeichers sich über den zeitlichen Stillstandverlauf
hinweg zusätzlich reduziert, was insbesondere bei kalten
Temperaturen und älteren Energiespeichern zum Teil drastische
Ausmaße annehmen kann.
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Auf
der Basis der in den jeweiligen Speichern abgelegten Daten kann
z. B. in einer weiter bevorzugten Ausführungsform auch
der Alterungsprozess einzelner oder mehrerer Komponenten des Energieversorgungssystems,
insbesondere des Energiespeichers, aber auch des Energiewandlers
zur Festlegung des neuen Mindestladungszustandes mit berücksichtigt
werden.
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In
einer nächsten bevorzugten Ausführungsform kann
es vorgesehen sein, dass auch der Ladungszustand und/oder der Gesundheitszustand
eines weiteren Energiespeichers, z. B. eines Trakionsspeichers,
ermittelt und bei der Festlegung des Ladungszustands des ersten
Energiespeichers mit berücksichtigt wird.
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Denkbar
ist aber auch eine Festlegung des Ladungszustandes dieses zweiten
Energiespeichers entsprechend der oben dargelegten Vorgehensweise zur
Festlegung des Ladungszustands des ersten Energiespeichers. Die
Nachlaufdauer des zur Erzeugung der elektrischen Energie vorgesehenen
Energiewandlers hängt in dem Fall davon ab, wann der letztere
der beiden den von ihm geforderten Ladungszustand erreicht hat.
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Zwei
Energiespeicher können beispielsweise in der Art im Energieversorgungssystem
integriert sein, dass ein erster Energiespeicher im Wesentlichen
für den oben bereits beschriebenen Startvorgang vorgesehen
ist. Dieser kann z. B. über einen primären Energiewandler,
wie z. B. eine Brennstoffzelle oder aber auch über einen
sekundären Energiewandler, wie z. B. über einen
selbst angetriebenen Generator, beispielsweise in der Form einer
Lichtmaschine während des Betriebs bzw., wie oben beschrieben,
im Nachlauf auf den erforderlichen Mindestladezustand geladen werden.
Ein zweiter Energiespeicher könnte ebenfalls beispielsweise
als Pufferspeicher zur Abdeckung von gegebenenfalls vom Energiewandler
zur Erzeugung der elektrischen Energie zumindest vorübergehend
nicht lieferbarer Energiespritzen vorgesehen sein. Dieser Speicher
kann gegebenenfalls aber auch zur Unterstützung des in erster
Linie für den Startvorgang vorgesehenen Energiespeichers
verwendet werden, so dass für diesen ersten Speicher dann
auch ein vergleichsweise niedrigerer Mindestladungszustand für
einen einwandfreien Wiederstart des Energieversorgungssystems festgelegt
werden könnte.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird der
Ladungszustand des Energiespeichers bei inaktivem, also abgeschaltetem
Energiewandler auf Unterschreiten eines bestimmten Mindestladungszustandes überwacht,
und im zutreffenden Fall das Energieversorgungssystem zur Initialisierung
eines erneuten Ladevorgangs des betreffenden Energiespeichers gestartet.
Der hier beschriebene Mindestladezustand kann der gleiche sein,
wie oben beschrieben. Um eine zusätzliche Sicherheitsreserve
bereitzustellen ist aber auch eine Erhöhung des betreffenden
Wertes möglich.
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Als
Energiewandler wird in einer ersten Ausführungsform eine
Brennstoffzelle vorgeschlagen, die insbesondere für den
Betrieb eines Fahrzeugs vorgesehen ist und für deren Start
der mindest erforderliche Ladungszustand des Energiespeichers zu ermitteln
ist. Für den Betrieb der Brennstoffzelle wird in deren
Startphase elektrische Energie zur Versorgung ihrer Systemkomponenten
wie Verdichter, Pumpen, Ventile, Heizer und ähnliche Komponenten vom
Energiespeicher benötigt, da diese zumindest während
der Startphase nicht direkt von der Brennstoffzelle versorgt werden
können.
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Beim
Abstellen von Brennstoffzellensystemen wird in der Regel ein Inertisierungsvorgang durchgeführt,
d. h. die Reaktanten (Wasserstoff und Sauerstoff), die sich noch
im Brennstoffzellenstapel befinden, werden aufgebraucht, um Korrosion
im Brennstoffzellenstapel zu vermeiden. Für den dabei entstehenden
Strom ist eine Stromabnahme notwendig, der in vorteilhafter Weise
zur Sicherstellung des für den nächsten Start
des Energieversorgungssystems ermittelten Ladungszustand in energiesparender
Weise benutzt werden kann. Für den Fall, dass der Energiespeicher
so voll ist, dass er keine Energie mehr schadlos aufnehmen kann,
kann die Kontrolleinheit diese Energie an einen anderen Verbraucher in
dem durch die elektrischen Versorgungsleitungen gebildeten Versorgungs-
bzw. Bordnetz liefern, an dem diese Energie schadlos umgesetzt werden kann,
z. B. an einer Beleuchtungsanlage.
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In
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform kann der Energiewandler
als Motor, insbesondere als Verbrennungsmotor ausgebildet werden.
In diesem Fall wäre der Energiespeicher ein Startakku, für
den der mindest erforderliche Ladungszustand zur Abdeckung des bei
einem Startvorgang des Motors auftretenden Energiebedarf zu bestimmen
ist.
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In
weiter vorteilhafter Weise kann das Energieversorgungssystem eine
Signalisierungseinheit umfassen, die insbesondere den Gesundheitszustand
des Energiespeichers anzeigt, gegebenenfalls mit einem Warnhinweis
auf Probleme in der Bereitstellung eines erforderlichen Mindestladungszustandes,
entsprechend oben beschriebener Vorgehensweise, so dass ein rechtzeitiger
Wechsel des betreffenden Energiespeichers möglich ist.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgend darauf bezugnehmenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigt die 1 ein Energieversorgungssystem
in der Form eines Blockschaltdiagramms.
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Im
Detail zeigt die 1 ein elektrisches Bordnetz
eines Energieversorgungssystems 1. Die einzelnen Komponenten
des Energieversorgungssystems sind über elektrische Versorgungsleitungen 2 so
miteinander verbunden, dass ein Austausch elektrische Energie zwischen
ihnen möglich ist. Zur Darstellung verschiedener möglicher
Ausführungsformen sind in gestrichelten Rahmen beispielhaft zwei
verschiedene Energiewandler 5, 6 zur Erzeugung
elektrischer Energie gezeigt.
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Als
wesentliche Komponenten eines ersten möglichen Ausführungsbeispieles
umfasst das Energieversorgungssystem Energiespeicher 3, 4 einen ersten
Energiewandler 5 zur Erzeugung einer elektrischen Energie,
hier in der Form eines Brennstoffzellensystems 10 und Verbraucher 7, 8.
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Der
Verbraucher 7 soll beispielhaft eine Komponente eines Fahrzeugantriebs
darstellen, z. B. eine elektrische Maschine in der Form eines Elektromotors
zum Antrieb des Fahrzeugs. In besonders bevorzugter Weise ist diese
elektrische Maschine jedoch auch dazu geeignet, in einer weiteren
Betriebsweise als Generator zu arbeiten, um so eine Rückspeisung
von Energie in das Bordnetz zu ermöglichen, z. B. im Brems-
und/oder Schubbetrieb des Fahrzeugs. Der Verbraucher 8 stellt
beispielhaft einen weiteren Energieabnehmer im Bordnetz dar, z. B.
in der Form eines Beleuchtungskörper, einer Heizung oder
dergleichen.
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Eine
zweite mögliche Ausführungsform eines Energiewandlers 6 anstelle
des oben beschriebenen ersten Energiewandlers 5, ist hier
ebenfalls gestrichelt umrandet als Motor, insbesondere als Verbrennungsmotor 11 dargestellt.
Um den Motor starten zu können ist ein Elektromotor 12 in
der Form eines Anlassers vorgesehen. Eine Rückspeisung
elektrischer Energie in das Bordnetz ermöglicht ein beispielhaft
als Lichtmaschine ausgebildete Generator 13.
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Um
das Energieversorgungssystem nicht mit gegebenenfalls stark entleertem
Energiespeicher 3, 4, z. B. in der Form eines
Akkus, nach einem gegebenenfalls kurz zuvor aufgetretenem großen
Energiebedarf stark entleert abzustellen, kann der Energiewandler 5, 6 auch
nach Auslösen eines Abstellsignals solange weiter in Betrieb
geschalten bleiben, bis ein bestimmter Ladungszustand des Energiespeichers
erreicht ist. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen,
dass zur Festlegung dieses Ladungszustands der Energiebedarf für
einen Startvorgang des Energiesystems ermittelt und berücksichtigt wird.
Somit ist sichergestellt, dass bei bereits betagteren Energieversorgungssystemen,
insbesondere bei älteren Energiespeichern 3, 4 soviel
Energie in ihnen steckt, dass ein erneuter Startvorgang des Energieversorgungssystems
zuverlässig gewährleistet ist.
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Ein
weiteres zusätzliches erschwerendes Kriterium für
den Widerstart eines Energieversorgungssystems kann durch kalte
Umgebungstemperatur hervorgerufen werden wie dies z. B. in der Winterzeit
der Fall ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann
daher der Gesundheitszustand des Energiespeichers 3, 4 bei
der Festlegung des erforderlichen Ladungszustandes für
einen Neustart mit berücksichtigt werden. D. h. je geringer
die Energiespeicherkapazität des Energiespeichers ist,
desto höher muss er in einem für ihn zulässigen
Rahmen geladen werden, um den für den Neustart erforderlichen
Energiebedarf abdecken zu können. Um rechtzeitig eine Warnung über
ein Ermüden des Energiespeichers an einen Betreiber des
Energieversorgungssystems abgeben zu können, kann zusätzlich
auch ein entsprechendes Signalisierungssystem 14 vorgesehen
sein, um kritische Betriebszustände aufzuzeigen.
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Durch
die Berücksichtigung der Umgebungstemperatur kann der Gesundheitszustand
zur genaueren Erfassung seiner Energielieferfähigkeit,
z. B. temperaturabhängig gewichtet, in die Festlegung des für
den Neustart erforderlichen Mindestladungszustand einfließen.
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Insbesondere
vorteilhaft wird bei der Festlegung eines erforderlichen Ladungszustandes
auch noch jener Verlust an Ladungskapazität mit berücksichtigt,
der während der Stillstandsdauer nach dem Abschalten des
Energieversorgungssystems, insbesondere des Ladungsvorgangs, schleichend
einsetzt. Auch hier kann in vorteilhafter Weise eine Zuordnung des
Verlust an Speicherkapazität zu bestimmten Temperaturen
und/oder Temperaturverläufen erfolgen, beispielsweise in
der Art einer Matrixzuordnung. Eine diesbezügliche Datenerfassung
ist beispielsweise durch Ablegen in einen hier beispielhaft für
mehrere mögliche Speicher dargestellten Speicher 15 möglich.
Ebenfalls beispielhaft ist eine Recheneinheit 16 als Teilelement
der Kontrolleinheit 9 dargestellt, die z. B. zum Abarbeiten
bestimmter Programmabläufe geeignet ist, aber auch zur
Bearbeitung von Eingangs- und Ausgangssignalen, zur Ausgabe von
Steuersignalen, sowie zur Durchführung weiterer für
den Betrieb des Energieversorgungssystems erforderlicher Schritte.
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Bei
Vorhandensein von zwei getrennten Ladungsspeichern 3, 4 kann
für die Festlegung des erforderlichen Mindestladungszustandes
für den ersten Energiespeicher auch der Ladungszustand
und/oder der Gesundheitszustand des zweiten Energiespeichers mit
berücksichtigt werden, da diese beide gegebenenfalls bei
der Energieversorgung für einen Wiederstart parallel geschaltet
werden können. Zur Anpassung der beiden Betriebsspannungen
kann bei gegebenenfalls unterschiedlichen Werten eine entsprechende
Anpassungsschaltung vorgesehen werden.
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Um
insbesondere bei längeren Stillstandszeiten gewährleisten
zu können, dass zumindest die Energie vom Energiespeicher
bereitgestellt werden kann, die für den Wiederstart erforderlich
ist, kann in einer weiter vorteilhaften Ausführungsform
der Ladungszustand des Energiespeichers auch bei inaktivem Energiewandler überprüft
und bei Unterschreiten des ermittelten Mindestladungszustandes des Energiespeichers
das Energieversorgungssystem autonom gestartet werden, um so den
Speicher wieder bis zum ermittelten Mindestladungszustand laden
zu können. Denkbar sind hierzu z. B. zyklische Abfragen über
den Ladungszustand des Speichers im Stundentakt oder aber auch in
anderen Zeitabständen. Eine Variierung, z. B. auf kürzere
Abfragetakte könnte beispielsweise unter Berücksichtigung einer
sinkenden Außentemperatur erfolgen.
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Bevorzugt
kann eine Freigabe für den Selbststart des Systems durch
eine Bedienperson vorgesehen sein, so dass ein gegebenenfalls nicht gewünschtes
Widerstarten des Systems auch ausgeschlossen werden kann.
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Bezüglich
der beiden oben angesprochenen unterschiedlichen Ausführungsformen,
Brennstoffzelle bzw. Motor, insbesondere Verbrennungsmotor, werden
in aller Regel unterschiedliche Energieanforderungen beim Wiederstart
des Energieversorgungssystems systembedingt auftreten, die, wie
auch deren unterschiedliche Ladungsverhalten, von der jeweiligen
Kontrolleinheit 9 entsprechend berücksichtigt
werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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