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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Last in einem Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Last in einem Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5.
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Aus der
DE 10 2007 005 520 A1 ist ein Fahrzeug mit einer Wärme abgebenden Komponente und einem thermoelektrischen Generator bekannt. Der Generator weist ein mit Wärme abgebender Komponente thermisch gekoppeltes Wärme aufnehmendes Element auf und erzeugt aus dem Temperaturgefälle zwischen dem Wärme aufnehmenden Element und einer Wärmesenke elektrische Energie. Der thermoelektrische Generator ist unmittelbar an der Wärme abgebenden Komponente angeordnet und thermisch leitend mit dieser verbunden.
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Die
DE 10 2006 057 662 A1 offenbart ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem thermoelektrischen Generator, der mindestens ein von einer Wärmequelle Wärme aufnehmendes Element und mindestens ein an eine Wärmesenke Wärme abgebendes Element aufweist. Weiterhin sind zwei elektrische Anschlüsse vorgesehen, über die der thermoelektrische Generator elektrische Energie abgibt, wobei weiterhin ein Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher Heizelemente aufweist, die thermisch mit dem mindestens einen Wärme aufnehmenden Element des thermoelektrischen Generators verbunden sind. Der Wärmetauscher weist ferner Kühlelemente auf, die thermisch mit dem mindestens einen Wärme abgebenden Element des thermoelektrischen Generators verbunden sind. Die Heizelemente sind im Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordnet und von Abgas um- oder durchströmt.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 42 08 358 A1 einen Kühler für Verbrennungsmotoren, mittels welchem Elektroenergie erzeugbar ist. Zwischen einer warmen und kalten Seite des Kühlers ist ein thermoelektrischer Generator angeordnet, der aus elektrisch in Reihe und parallel geschalteten Halbleiterelementen gebildet ist. Anhand einer Ausnutzung eines so genannten Seebeck-Effekts im thermoelektrischen Generator ist ein Teil eines Wärmestroms von der warmen zur kalten Seite des Kühlers, welcher funktionsbedingt vom Verbrennungsmotor abführbar ist, direkt in elektrische Energie umwandelbar.
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Zusätzlich sind in den Schriften
WO 2004/059138 A1 ,
US 5 625 245 ,
US 5 974 803 und
US 6 028 263 Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärmeenergie bekannt, wobei zu dieser Erzeugung jeweils ein thermoelektrischer Generator in einem Abgasstrang eines Fahrzeugs angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Last und eine verbesserte Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Last anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Last in einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Last in einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Last in einem Fahrzeug, wobei die Vorrichtung eine Wärmequelle, eine Wärmesenke und einen mit der Wärmequelle und der Wärmesenke thermisch gekoppelten thermoelektrischen Generator aufweist, welcher mit der elektrischen Last elektrisch kontaktiert ist und wobei mittels des thermoelektrischen Generators aus einem Temperaturgefälle zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke elektrische Energie für die elektrische Last erzeugt wird, wird erfindungsgemäß ein Lastwiderstand der elektrischen Last in Abhängigkeit von einem ermittelten Temperaturwert der Wärmequelle gesteuert und/oder geregelt.
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Das Verfahren ermöglicht eine Steuerung und/oder Regelung des Lastwiderstandes mit dem Ziel, konstant eine maximale elektrische Leistung des thermoelektrischen Generators zu erreichen. Ein derartiger thermoelektrischer Generator umfasst in der Regel eine Mehrzahl von Wandlermodulen. Innenwiderstände der Wandlermodule und somit ein Innenwiderstand des thermoelektrischen Generators ändern sich in Abhängigkeit von einer Modultemperatur. Für eine maximale Leistung des thermoelektrischen Generators ist es jedoch erforderlich, dass der Lastwiderstand gleich dem Innenwiderstand des thermoelektrischen Generators ist.
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Bekannte Regelungen des thermoelektrischen Generators nach dem Stand der Technik sind jedoch, insbesondere bei mobilen thermoelektrischen Generatoren, welche beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden und bei welchen die Wärmequelle in einem Abgasstrang des Fahrzeugs eingesetzt ist, im Hinblick auf häufige und starke Temperaturänderungen nicht schnell genug.
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Mittels des Verfahrens ist insbesondere auch ein derartiger thermoelektrische Generator stets mit einer maximalen Leistung betreibbar, da die Steuerung und/oder Regelung des Lastwiderstandes, d. h. dessen Anpassung an den jeweiligen Innenwiderstand des thermoelektrischen Generators, direkt anhand des jeweils ermittelten Temperaturwerts der Wärmequelle erfolgt. Daher ist das Verfahren aufgrund einer schnellen Reaktionszeit auch für hochdynamische Vorgänge geeignet. Die Steuerung und/oder Regelung erfolgt, um einen Rechenaufwand und eine Rechenzeit gering zu halten, vorzugsweise kennfeldbasiert.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Temperaturwert der Wärmequelle mittels eines zwischen der Wärmequelle und dem thermoelektrischen Generator angeordneten Temperatursensors ermittelt.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird in einer mit dem Temperatursensor und der elektrischen Last verbundenen Verarbeitungseinheit anhand des Temperaturwertes ein Gesamtinnenwiderstand des thermoelektrischen Generators ermittelt.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird mittels der Verarbeitungseinheit der Lastwiderstand der elektrischen Last auf einen dem Gesamtinnenwiderstand des thermoelektrischen Generators entsprechenden Lastwiderstandswert eingestellt wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Last in einem Fahrzeug, umfasst eine Wärmequelle, eine Wärmesenke und einen mit der Wärmequelle und der Wärmesenke thermisch gekoppelten thermoelektrischen Generator, welcher mit der elektrischen Last elektrisch kontaktiert ist, wobei mittels des thermoelektrischen Generators aus einem Temperaturgefälle zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke elektrische Energie für die elektrische Last erzeugbar ist und ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zwischen der Wärmequelle und dem thermoelektrischen Generator angeordneter Temperatursensor und die elektrische Last mit einer Verarbeitungseinheit zu einer Steuerung und/oder Regelung eines Lastwiderstandes der elektrischen Last in Abhängigkeit von einem ermittelten Temperaturwert der Wärmequelle verbunden sind.
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In einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist in der Verarbeitungseinheit ein Kennfeld mit Temperaturwerten der Wärmequelle und diesen Temperaturwerten jeweils zugeordneten einzustellenden Lastwiderstandswerten der elektrischen Last gespeichert.
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In einer Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst der thermoelektrische Generator mehrere seriell und/oder parallel miteinander verschaltete Wandlermodule.
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In einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist der zumindest eine Temperatursensor zwischen der Wärmequelle und einem ersten Wandlermodul des thermoelektrischen Generators angeordnet.
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In einer Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Wärmequelle und/oder die Wärmesenke aus jeweils zumindest einem Wärmetauscher gebildet.
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Die Verwendung des Verfahrens und/oder der Vorrichtung findet erfindungsgemäß in einem Kraftfahrzeug statt, wobei die Wärmequelle in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet und von einem Abgas durchströmbar ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Prinzipdarstellung eines mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke gekoppelten thermoelektrischen Generators,
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2 einen Verlauf einer elektrischen Leistung über einem Lastwiderstand für ein beispielhaftes Wandlermodul,
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3a schematisch eine erste Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Last, und
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3b schematisch eine zweite Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Last.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen thermoelektrischen Generator 1, welcher mit einer Wärmequelle 2 und einer Wärmesenke 3 thermisch gekoppelt ist. Mittels des thermoelektrischen Generators 1 ist aus einem Temperaturgefälle ΔT zwischen der Wärmequelle 2 und der Wärmesenke 3 elektrische Energie erzeugbar.
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Der thermoelektrische Generator 1 umfasst vorzugsweise, wie in 3a näher dargestellt, mehrere seriell und/oder parallel miteinander verschaltete Wandlermodule 4, wobei die Wandlermodule 4 insbesondere Halbleitermodule sind.
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Die Energieerzeugung findet dabei aufgrund des so genannten Joule-Effekts oder aufgrund des so genannten Seebeck-Effekts statt, da zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen, eine elektrische Spannung erzeugt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Energieerzeugung zwischen einer der Wärmequelle 2 zugewandten Oberfläche 1.1 und einer der Wärmesenke 3 zugewandten Oberfläche 1.2 des thermoelektrischen Generators 1 bzw. der Wandlermodule 4 desselben. Der thermoelektrische Generator 1 ist mit einer elektrischen Last 5, beispielsweise einem Akkumulator oder einem Elektromotor, gekoppelt, wobei die elektrische Last 5 anhand der mittels des thermoelektrischen Generators 1 erzeugten elektrischen Energie betreibbar ist.
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Eine derartige Erzeugung der elektrischen Energie ist insbesondere auch zu einer mobilen Verwendung in einem nicht näher dargestellten Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine geeignet, wobei zu diesem Zweck der thermoelektrische Generator 1 mit einer als Wärmetauscher ausgebildeten Wärmequelle 2 gekoppelt ist. Die Wärmequelle 2 ist vorzugsweise in einem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs angeordnet, wobei der Wärmequelle 2 als Fluid F1 ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist. Als elektrische Last 5 sind hierbei beispielsweise eine Starterbatterie des Fahrzeugs und/oder weitere elektrische Komponenten desselben mit elektrischer Energie versorgbar.
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Bei einer Durchströmung der Wärmequelle 2 wird dem Fluid F1 Wärme entzogen und dem thermoelektrischen Generator 1 auf dessen der Wärmequelle 2 zugewandten Oberfläche 1.1 zugeführt.
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Die Wärmesenke 3 ist beispielsweise ebenfalls ein Wärmetauscher, welcher in einem Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage des Fahrzeugs oder in einem Kühlmittelkreislauf der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Dabei ist der Wärmesenke 3 als Fluid F2 ein Kältemittel oder ein Kühlmittel zuführbar, so dass der thermoelektrische Generator 1 an der der Wärmesenke 3 zugewandten Oberfläche 1.2 gekühlt wird.
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Parameter der Wandlermodule 4, wie ein Seebeck-Koeffizient, eine thermische Leitfähigkeit sowie ein Innenwiderstand RIWM ändern sich in Abhängigkeit einer Modultemperatur. Die Änderung des Innenwiderstands RIWM der Wandlermodule 4 beeinflusst unmittelbar eine elektrische Leistung PWM der Wandlermodule 4, da für eine maximale elektrische Leistung PWMmax der Wandlermodule 4, d. h. ein so genannter Maximum Power Point, ein Lastwiderstandsanteil RLastWM der elektrischen Last 5 gleich dem jeweiligen Innenwiderstand RIWM des Wandlermoduls 4 sein muss.
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2 zeigt einen Verlauf der elektrischen Leistung PWM über dem Lastwiderstandsanteil RLastWM für ein beispielhaft betrachtetes Wandlermodul 4. Die maximale elektrische Leistung PWMmax des Wandlermoduls 4 liegt im hier dargestellten Beispiel bei einem Lastwiderstandsanteil RLastWM von 0.67 Ohm, wobei der Lastwiderstandsanteil RLastWM gleich dem Innenwiderstand RIWM ist.
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Für instationäre Vorgänge, wie sie beim Einsatz des thermoelektrischen Generators 1 im Abgasstrang des Fahrzeugs vorkommen, bedeutet dies, dass der Lastwiderstand der elektrischen Last 5 in Abhängigkeit der Modultemperatur laufend geändert werden muss, um die Wandlermodule 4 immer in einem optimalen Leistungspunkt zu betreiben.
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Die Wandlermodule 4 können in beliebigen Konfigurationen seriell und/oder parallel miteinander verschaltet werden. Es bietet sich an, wie in 3a dargestellt, einige Wandlermodule 4 seriell miteinander verschaltet zu betreiben, um eine höhere Spannung zu erreichen, und eine Mehrzahl seriell miteinander verschalteter Wandlermodule 4 parallel zu verschalten, um einen höheren Strom zu erreichen.
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Die 3a und 3b zeigen schematisch Prinzipdarstellungen einer Vorrichtung 6 zum Betrieb der elektrischen Last 5, wobei der thermoelektrische Generator 1 in 3a in einer schematischen Schnittdarstellung von unten und in 3b in einer Seitenansicht dargestellt ist. Ein Gesamtinnenwiderstand des thermoelektrischen Generators 1 ergibt sich als Summe der einzelnen Innenwiderstände RIWM der Wandlermodule 4.
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Um einen Betrieb des thermoelektrischen Generators 1 im maximalen Leistungspunkt zu erreichen, existieren im Stand der Technik z. B. so genannte Maximum Power Point Tracker, die unter anderem bei Solarzellen zum Einsatz kommen. Der Maximum Power Point Tracker variiert den Strom um kleine Beträge, errechnet die Leistung für diesen Punkt und stellt dann den Strom in Richtung der höheren Leistung nach. Dieses iterative Verfahren ist jedoch für dynamische Vorgänge mit einer sehr viel kleineren Zeitkonstante, wie z. B. die Änderung der Temperatur von thermoelektrischen Wandlermodulen 4 im Abgasstrang des Fahrzeugs bei transienten Fahrprofilen, nicht mehr geeignet. Um den thermoelektrischen Generator 1 auch bei transientem Fahrbetrieb stets im maximalen Leistungspunkt zu betreiben, erfolgt daher mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Ausführungsformen eine kennfeldbasierte Regelung der elektrischen Last 5.
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Hierfür weist die Vorrichtung 6, wie in 3a dargestellt, eine Verarbeitungseinheit 7 und wie in 3b dargestellt, zumindest einen Temperatursensor 8 auf, welcher im thermoelektrischen Generator 1 zwischen der als Wärmetauscher ausgebildeten Wärmequelle 2 und der der Wärmequelle 2 zugewandten Oberfläche 1.1 eines der Wandlermodule 4, vorzugsweise eines ersten Wandlermoduls 4 angeordnet ist. Dieser Temperatursensor 8 ist einsetzbar, um einen Anteil des Abgases über eine hier nicht dargestellte Bypassklappe am Wärmetauscher des thermoelektrischen Generators 1 vorbeizuleiten, falls die Modultemperatur einen vorher festgelegten Wert überschreiten sollte. Auf diese Weise sind Störungen und Beschädigungen des thermoelektrischen Generators 1 verhinderbar.
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Des Weiteren ist der zumindest eine Temperatursensor 8 mit der Verarbeitungseinheit 7 verbunden, in welcher die vom Temperatursensor 8 ermittelten Temperaturwerte verarbeitet werden. Die Verarbeitungseinheit 7 ist weiterhin, hier nicht näher dargestellt, zur Steuerung und/oder Regelung des Lastwiderstandes mit der elektrischen Last 5 verbunden. Dadurch ist das Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Vorrichtung 6 zum Betrieb der elektrischen Last 5, d. h. die Steuerung und/oder Regelung des Lastwiderstands der elektrischen Last 5 in Abhängigkeit von dem Temperaturwert der Wärmequelle 2 durchführbar, um dadurch den thermoelektrischen Generator 1 stets mit einer maximalen Gesamtleistung zu betreiben.
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Mittels der Verarbeitungseinheit 7 wird vorzugsweise eine kennfeldbasierte Steuerung und/oder Regelung des Lastwiderstandes der elektrischen Last 5 in Abhängigkeit des ermittelten Temperaturwertes durchgeführt. In einer Ausführungsform des Verfahrens ist dazu in der Verarbeitungseinheit 7 ein Temperaturmodell der Vorrichtung 6 gespeichert, mittels welchem unter Verwendung des mittels des Temperatursensors 8 ermittelten Temperaturwertes des ersten Wandlermoduls 4 die Temperaturwerte an den verbleibenden Wandlermodulen 4 bestimmt werden, da die Temperatur an der der Wärmequelle 2 zugewandten Oberfläche 1.1 des thermoelektrischen Generators 1 näherungsweise konstant über eine Längenausdehnung der als Wärmetauscher ausgebildeten Wärmequelle 2 abnimmt.
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Des Weiteren ist in der Verarbeitungseinheit 7 ein Kennfeld mit Kennlinien des Innenwiderstands RIWM der Wandlermodule 4 in Abhängigkeit der Modultemperatur gespeichert, mittels welchem der Gesamtinnenwiderstand des thermoelektrischen Generators 1 und daraus resultierend der optimale Lastwiderstand der elektrischen Last 5 ermittelt wird, welcher dem Gesamtinnenwiderstand des thermoelektrischen Generators 1 entsprechen muss. Durch die Steuerung und/oder Regelung des Lastwiderstandes der elektrischen Last 5, so dass stets ein optimaler Lastwiderstand eingestellt ist, wird der thermoelektrische Generator 1 stets mit der maximalen elektrischen Gesamtleistung betrieben.
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In einer weiteren, vereinfachten Ausführungsform des Verfahrens ist in der Verarbeitungseinheit 7 bereits ein Kennfeld mit Temperaturwerten des Temperatursensors 8 und diesem zugeordneten Lastwiderstandswerten der elektrischen Last 5 gespeichert, wobei das Kennfeld gegebenenfalls als weitere Einflussgröße einen Abgasmassenstrom umfasst, um eine veränderte Temperaturverteilung über die einzelnen Wandlermodule 4 bei unterschiedlichen Abgasmassenströmen zu berücksichtigen.
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In dieser vereinfachten Ausführungsform sind von der Verarbeitungseinheit 7 keine Temperaturberechnungen anhand des Temperaturmodells durchzuführen, wodurch eine Verarbeitungszeit und ein Verarbeitungsaufwand erheblich reduziert sind. Dadurch ist das Verfahren auch mit einer kleinen, relativ rechenleistungsschwachen und daher kostengünstigen Verarbeitungseinheit 7 durchführbar. Dies ist insbesondere bei Fahrzeuganwendungen von großer Bedeutung.
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Dieses Verfahren und seine Ausführungsformen sind aufgrund der schnellen Reaktionszeit insbesondere für hochdynamische Vorgänge geeignet, wie beispielsweise bei einem mobilen thermoelektrischen Generator 1, welcher im Fahrzeug eingesetzt wird und bei welchem die Wärmequelle 2 im Abgasstrang des Fahrzeugs eingesetzt ist, mit daraus resultierenden häufigen und starken Temperaturänderungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- thermoelektrischer Generator
- 1.1
- Oberfläche
- 1.2
- Oberfläche
- 2
- Wärmequelle
- 3
- Wärmesenke
- 4
- Wandlermodul
- 5
- elektrische Last
- 6
- Vorrichtung
- 7
- Verarbeitungseinheit
- 8
- Temperatursensor
- ΔT
- Temperaturgefälle
- F1
- Fluid
- F2
- Fluid
- PWM
- elektrische Leistung des Wandlermoduls
- PWMmax
- maximale elektrische Leistung des Wandlermoduls
- RIWM
- Innenwiderstand des Wandlermoduls
- RLastWM
- Lastwiderstandsanteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007005520 A1 [0002]
- DE 102006057662 A1 [0003]
- DE 4208358 A1 [0004]
- WO 2004/059138 A1 [0005]
- US 5625245 [0005]
- US 5974803 [0005]
- US 6028263 [0005]
