DE102010063434A1

DE102010063434A1 - System zur Kraft-Wärme-Kopplung

Info

Publication number: DE102010063434A1
Application number: DE102010063434A
Authority: DE
Inventors: Mario Kustosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-06-21

Abstract

Ein System zur Kraft-Wärme-Kopplung gemäß der Erfindung weist eine Brennkraftmaschine, einen Wärmespeicher, wobei der Wärmespeicher derart mit der Brennkraftmaschine verbunden ist, dass thermische Energie von der Brennkraftmaschine auf den Wärmespeicher übertragbar ist, eine Elektromaschine zur Wandlung von mechanischer Abtriebsenergie der Brennkraftmaschine in elektrische Energie, einen Speicher für elektrische Energie, welcher mit der Elektromaschine verbindbar ist, und eine Steuereinheit auf, die angepasst ist, auf der Basis einer Temperatur in dem Wärmespeicher und einer in dem Speicher für elektrische Energie gespeicherten Menge an elektrischer Energie die Brennkraftmaschine zu steuern.

Description

Stand der Technik
Die wachsende Umweltproblematik mit Klimagasen sowie die Abnahme der Erdölvorräte machen neue CO₂-neutrale Brennstoffe oder Energiequellen sowie Technologien zur effizienten Energienutzung erforderlich. Der Umstieg auf neue Technologien kann hohe Kosten verursachen. Besonders für Privathaushalte ist der Umstieg mit hohen Anschaffungskosten für Heizungsanlagen und Automobil verbunden. Die Kraft-Wärme-Kopplung in der Gebäudetechnik und die Hybrid- und Elektrofahrzeuge haben ein hohes Einsparpotential.
Dabei bleiben energetische und monetäre Synergien zwischen Fahrzeug und Gebäude heute noch ungenutzt. Aus Sicht heutiger Block-Heizkraftwerke stellen Elektro- oder Hybridautos lediglich gewöhnliche Stromverbraucher dar, welche unabhängig vom Wärmebedarf Strom entnehmen.
In 1 ist ein entsprechendes System gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Dieses System weist in einer Immobilie 33 einen Wärmespeicher 22 auf, der mit einer Heizung 23 und einem Warmwasserverbraucher 21 verbunden ist. Der Wärmespeicher 22 kann über einen Brenner 16 beheizt werden, wobei der Brenner 16 mit einem Brennstoffreservoir 17 verbunden ist. Neben der Immobilie 33 ist eine Vorrichtung 36 dargestellt, die im Wesentlichen die Komponenten eines Block-Heizkraftwerks aufweist. Die Vorrichtung 36 ist mit einem Wärmetauscher 18 an dem Wärmespeicher 22 und mit dem Brennstoffreservoir 17 verbunden. Mittels einer elektronischen Steuerung 14 kann die Wärmezufuhr von dem Brenner 16 und/oder der Vorrichtung 36 zu dem Wärmespeicher 22 gesteuert werden. Die Vorrichtung 36 ist ferner mit einem Stromverteiler 19 verbunden, von dem aus ein Stromverbraucher 24 oder auch ein allgemeines Stromnetz 20 mit Strom versorgt werden kann. Außerdem ist eine Verbindung zu einem Elektroauto 34 dargestellt, in welchem eine Batterie bzw. ein Speicher 1 für elektrische Energie angeordnet ist.
In dieser Konfiguration steigt beim Laden des Speichers 1 der Strombedarf stark an, so dass ein konventionelles Block-Heizkraftwerk, welches die generierte elektrische Leistung dem Bedarf anpasst, den Wärmespeicher schnell befüllt. Ist die Kapazität des Wärmespeichers erschöpft, kann im weiteren Verlauf kein Vorteil aus der Kraft-Wärme-Kopplung gezogen werden. Wenn die maximale Leistung des Block-Heizkraftwerkes nicht ausreicht, um dem Bedarf nachzukommen, wird sogar schon vor Erreichen der Kapazitätsgrenze des Wärmespeichers teuerer Strom aus dem Stromnetz entnommen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein System zur Kraft-Wärme-Kopplung bereitzustellen, welches Synergien zwischen den oben genannten Technologien nutzt. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein System bereitzustellen, welches die eingesetzte Primärenergie effizienter und umweltschonender nutzt.
Diese und weitere Aufgaben werden durch die Gegenstände der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Im Allgemeinen weist ein System zur Kraft-Wärme-Kopplung eine Brennkraftmaschine, einen Wärmespeicher, eine Elektromaschine, einen Speicher für elektrische Energie und eine Steuereinheit auf. Der Wärmespeicher ist derart mit der Brennkraftmaschine verbunden, dass thermische Energie von der Brennkraftmaschine auf den Wärmespeicher übertragbar ist. Die Elektromaschine dient der Wandlung von mechanischer Abtriebsenergie der Brennkraftmaschine in elektrische Energie. Der Speicher für elektrische Energie ist mit der Elektromaschine verbindbar. Die Steuereinheit ist angepasst, auf der Basis einer Temperatur in dem Wärmespeicher und einer in dem Speicher für elektrische Energie gespeicherten Menge an elektrischer Energie die Brennkraftmaschine zu steuern.
Gemäß einer Ausführungsform weist das System einen Wechselrichter auf, der einerseits mit der Elektromaschine und andererseits mit dem Speicher für elektrische Energie und mit einem Stromnetz verbunden ist, wobei der elektrische Leistungsfluss über den Wechselrichter mittels der Steuereinheit steuerbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das System ferner ein Ladegerät auf, das mit der Elektromaschine sowie mit dem Speicher für elektrische Energie verbunden ist, wobei der elektrische Leistungsfluss zum Speicher mittels der Steuereinheit steuerbar ist. Es wird angemerkt, dass das Ladegerät beispielsweise über den Wechselrichter mit der Elektromaschine verbunden sein kann.
Es wird angemerkt, dass die Steuereinheit zur Steuerung der Brennkraftmaschine, des Wechselrichters oder auch des Ladegerätes über Signalleitungen oder auch kabellos mit den entsprechenden Vorrichtungen verbunden sein kann, um entsprechende Steuerbefehle an die Brennkraftmaschine, den Wechselrichter bzw. des Ladegeräts zu übertragen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das System Sensoren auf zum Erfassen der Temperatur im Wärmespeicher und des Ladezustands des Speichers für elektrische Energie. Auf der Basis der von diesen Sensoren erfassten Werte kann in der Steuereinheit ein Steuerbefehl für die oben genannten Vorrichtungen erzeugt werden. Darüber hinaus kann die Steuereinheit mit weiteren Sensoren verbunden sein, wie etwa zum Erfassen des elektrischen Leistungsflusses im Stromverteiler. Andererseits können über eine Benutzerschnittstelle und/oder eine Telekommunikationsschnittstelle Informationen bezüglich Ladedauer oder auch Strompreise zu bestimmten Uhrzeiten der Steuereinheit zugeführt werden, zur Verbesserung der Funktionalität bzw. der Wirtschaftlichkeit des Systems.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Brennkraftmaschine, die Elektromaschine und der Wärmespeicher des Systems stationär angeordnet und der Speicher für elektrische Energie in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform weist das System ferner ein Dynanometer zur mechanischen Ankopplung der Antriebswelle der Brennkraftmaschine mit dem Elektromotor/Generator eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs auf. Mittels dieses Dynanometers kann über eine mechanische Ankopplung zwischen der Brennkraftmaschine und dem Elektro- oder Hybridfahrzeug zusätzliche elektrische Energie in dem Elektro- oder Hybridfahrzeug erzeugt werden.
Es wird angemerkt, dass die Steuereinheit zur Steuerung des Systems sowohl an der Immobilie als auch an dem Fahrzeug angeordnet sein kann.
Wie oben schon angedeutet, wird bei einem Verfahren zum Betreiben des Systems gemäß der Erfindung zunächst ein Ladezustand eines Speichers für elektrische Energie erfasst und eine Temperatur eines Wärmespeichers, und auf der Basis dieser erfassten Werte ein Stellbefehl zur Steuerung einer Brennkraftmaschine erzeugt. Als weitere Steuerbefehle können Stellbefehle zur Steuerung eines Wechselrichters bzw. Stellbefehle zur Steuerung eines Ladegeräts auf der Basis der erfassten Werte erzeugt werden.
Zusammenfassend können durch das System bzw. das Verfahren zum Betreiben des Systems folgende Vorteile erzielt werden.
Die Nutzung von Kraftfahrzeugen zur Kraft-Wärme-Kopplung mit Gebäuden wird ermöglicht.
Ein energie- und kostenoptimaler Betrieb einer Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung bei Anschluss von Fahrzeugen mit Energiespeicher, wie z. B. Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, wird ermöglicht, da der Ladevorgang des Energiespeichers koordiniert erfolgen kann. Die Koordination erfolgt in einer Weise, dass dabei die Nutzbarkeit der frei werdenden Wärme vorausschauend berücksichtigt wird.
Eine Unabhängigkeit vom allgemeinen Stromnetz wird ermöglicht, das heißt im Inselbetrieb oder bei Ausfall des allgemeinen Stromnetzes.
Ein schnelleres Laden eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges mit Leistungen größer 10 kW wird ermöglicht.
Eine kostenoptimale Verwendung des Energiespeichers im Fahrzeug als Puffer für Spitzenlasten wird ermöglicht, welche beispielsweise von den Stromverbrauchern der Elektroinstallation des Gebäudes verursacht werden.
Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung können ebenfalls aus dem Beispiel einer Ausführungsform entnommen werden, welches im Folgenden beschrieben wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer Kraft-Wärme-Kopplung gemäß dem Stand der Technik.
2 ist eine schematische Darstellung eines Systems zur Kraft-Wärme-Kopplung gemäß der Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung der Leistungs- und Informationsflüsse in dem System gemäß der Erfindung.
4 ist eine weitere schematische Darstellung der Leistungs- und Informationsflüsse in dem System gemäß der Erfindung.
5 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Systems gemäß der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
2 zeigt ein System zur Kraft-Wärme-Kopplung mit einer Vorrichtung 35 zur Kraft-Wärme-Kopplung, einem Fahrzeug 34, einem Gebäude 33, einem allgemeinen Stromnetz 20, einem Benutzer bzw. Betreiber 12 des Systems und einer Verbindung zu möglichen Telekommunikationsschnittstellen wie z. B. dem Internet 13.
Das Gebäude 33 verfügt über einen Wärmespeicher 22 oder Durchlauferhitzer zur Wärme-Wasseraufbereitung für mögliche Warmwasserverbraucher 21 und zur Bereitstellung von Wärme für die Heizung 23. Der Wärmespeicher 22 verfügt über einen Wärmetauscher 18, über welchen die Vorrichtung 35 zur Kraft-Wärme-Kopplung thermische Energie an diesen mittels zwei hydraulischer Leitungen, Wärmetauscherzulauf 25 und Wärmetauscherablauf 26, überträgt.
Der Wärmetauscher verfügt über einen Sensor 15 zum Messen der enthaltenen thermischen Energie, welcher vorzugsweise die Temperatur des Betriebsmittels misst (alternativ auch den Druck). In einer besonderen Ausführungsform kann dem Wärmespeicher 22 neben der Vorrichtung 35 zusätzlich Wärme aus einer weiteren Quelle, sprich mittels eines Brenners 16 zugeführt werden. Dieser kann über eine elektronische Steuerung 14 verfügen.
Die Steuerung 14 kann eine Schnittstelle 27 zur Datenverbindung aufweisen, über welche sie mit der Vorrichtung 35 kommunizieren kann. Z. B. kann der Messwert der Temperatur 15 im Wärmespeicher oder Befehle zur Ein-Ausschaltung, der Wärmequelle 16 über diese Datenverbindung ausgetauscht werden. Die Vorrichtung 35 erhält den aktuellen Wert des Sensors 15 entweder über die Steuerung 14 oder liest diesen direkt am Sensor 15 aus.
Die Vorrichtung 35 wird mittels einer Brennstoffleitung 28 mit Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir 17 versorgt (oder über eine öffentliche Leitung, z. B. einen öffentlichen Gasanschluss). Möglicherweise wird auch der Brenner 16 aus dem gleichen Reservoir versorgt. Bei der Brennstoffzuleitung 28 kann es sich um eine Leitung zum Transport von Flüssigbrennstoffen (z. B. Öl), um eine Gasleitung oder um einen Schneckenantrieb oder ein Förderband für Festbrennstoffe (Holz oder Pellets) handeln.
Das Gebäude 33 kann über einen Stromanschluss an das allgemeine Stromnetz 20 verfügen, über welches es mit Strom versorgt wird oder in das es Strom einspeisen kann. Das Gebäude 33 kann auch autark sein, das heißt über keine Anbindung an das allgemeine Stromnetz 20 verfügen. Falls das Gebäude über elektrische Stromleitungen verfügt, sorgt der Stromverteiler 19 für die Verteilung der elektrischen Leistung an alle Verbraucher 24 im Gebäude 33. Darüber hinaus enthält der Stromverteiler 19 bei Anschluss an das allgemeine Stromnetz 20 einen Stromzähler oder ein Messgerät zum Messen der aktuellen Leistungs-Entnahme oder -Einspeisung in das allgemeine Stromnetz 20. Eine Signalverbindung 32 kann zwischen der Vorrichtung 35 und dem Stromverteiler 19 vorgesehen sein, z. B. zur Übertragung der aktuellen Leistungs-Entnahme oder -Einspeisung.
Die Vorrichtung 35 kann über mindestens ein Stromkabel 29 mit dem Stromnetz des Gebäudes 33 verbunden sein. Es kann sich hierbei um einen Drehstrom- bzw. Kraftstromanschluss handeln. Ferner kann auch keine Stromanbindung an das Gebäude bestehen. In diesem Fall würde die Vorrichtung 35 nur Wärme an das Gebäude übertragen.
Das Fahrzeug 34, welches ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug sein kann, weist einen mobilen Speicher 1 für elektrische Energie, z. B. eine Batterie oder einen Hydrostat Speicher, und einen Antriebsstrang 2 auf, bestehend aus Aggregaten zur Krafterzeugung und Übertragung auf die Räder (wie z. B. ein Motor, ein Getriebe, ein Differential),. Das Fahrzeug 34 kann auch ein konventionelles Fahrzeug sein. Wenn es sich um ein Elektro- oder Elektrohybridfahrzeug handelt, kann die Vorrichtung 35 über ein Stromkabel 30 mit dem Fahrzeug verbindbar sein, über welches elektrische Leistung übertragen werden kann. Es kann sich je nach Ausführungsform um ein ein- oder ein mehrphasiges Wechselstromkabel oder um ein Gleichstromkabel handeln.
Über das Stromkabel 30 kann der Speicher 1 für elektrische Energie von der Vorrichtung 35 aus geladen werden, wobei die elektrische Leistung von der Vorrichtung 35 erzeugt wird oder aus dem Stromnetz 20 über die Leitung 29 entnommen wird oder aus einer Mischung beider Quellen entstammt. Es kann auch Leistung aus dem Energiespeicher entnommen werden, z. B. um Leistungsspitzen bei den Verbrauchern 24 oder im Stromnetz 20 auszugleichen.
Das Fahrzeug 34 verfügt über eine elektronische Steuerung, welche über eine Funkverbindung oder über ein Kabel 31 mit der Steuereinheit 11 verbunden ist. Beispielsweise werden über die Verbindung 31 folgende Informationen vom Fahrzeug an die Vorrichtung 35 übermittelt: Fahrzeug angeschlossen oder nicht angeschlossen, Ladebereitschaft, Ladestopp, Größe bzw. Kapazität des Energiespeichers, Ladezustand des Energiespeichers, Wunsch-Ladeleistung oder Dauer bis zur vollständigen Beladung, Spannung und Frequenz (soweit außerhalb einer Norm), und Bereitschaft zur Entnahme elektrischer Leistung aus dem Speicher.
Beispielsweise werden folgende Informationen von der Vorrichtung an das Fahrzeug übertragen: Aufforderung zum Start des Ladevorgangs, Aufforderung zum Beenden des Ladevorgangs, und Soll-Ladeleistung bzw. Soll-Entladeleistung.
Die Vorrichtung 35 zur Kraft-Wärme-Kopplung kann ein Dynanometer aufweisen zur Übertragung mechanischer Leistung an das Fahrzeug oder vom Fahrzeug an die Vorrichtung 35. Das Dynanometer kann eine Welle aufweisen, die kraft- oder formschlüssig mit den Rädern oder der Antriebswelle des Fahrzeugs 34 verbunden ist. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Rollen, welche kraftschlüssig mit den Rädern der Antriebsachse verbunden sind. Pro Reifen ist mindestens eine Rolle direkt oder über zumindest eine Getriebestufe mit der Welle des Apparats verbunden.
Der Dynanometer bietet eine Schnittstelle, die unabhängig von der Ausführung des Antriebsstands bezüglich Speichertyps (Elektro- oder Hydrostat) oder Spannung und Frequenz ist. Die Leistung während des Ladevorgangs bei Verwendung des Dynanometers wird von der maximalen mechanischen Leistung des Antriebsstrangs 2 und der Brennkraftmaschine 8 begrenzt. Es ist auf diese Weise möglich und eventuell vorteilhaft, elektronische Wandlungsstufen und deren Verluste oder Leistungsgrenzen z. B. über einen Wechselrichter zu umgehen. Während der Ladung über den Dynanometer befindet sich das Hybrid- oder Elektrofahrzeug 34 im Rekuperationsmodus, das heißt im Betrieb der generatorischen Bremsung. Auch ein Mischbetrieb aus elektrischer und mechanischer Ladung ist mit der Vorrichtung 35 darstellbar.
Die Vorrichtung 35 zur Kraft-Wärme-Kopplung weist eine Brennkraftmaschine 8 auf, bei welcher es sich z. B. um einen Diesel- oder Gasmotor handeln kann, welcher mit Heizöl, Rapsöl bzw. Erdgas oder Gas aus Holzvergasung versorgt wird, oder um einen Sterlingmotor mit externer Verbrennung. Der Brennstoff aus der Brennstoffzuführung 28 wird in einer Vorrichtung zur Brennstoffaufbereitung 9 für die Verbrennung in der Brennkraftmaschine 8 vorbereitet. Bei der Vorrichtung zur Brennstoffaufbereitung 9 kann sich z. B. um eine Einspritzanlage mit interner oder externer Gemischaufbereitung für Flüssigbrennstoffe (z. B. ein sogenanntes Rail) oder um eine Holzvergasungsanlage handeln. Die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 8 ist fest mit dem Rotor der Elektromaschine 5 verbunden.
Die Elektromaschine 5 ist vorzugsweise eine Asynchronmaschine oder eine selbsterregte Synchronmaschine. Sein Stator ist fest mit dem Gehäuse von der Vorrichtung 35 verbunden. In einem Wechselrichter 7 wird die Leistung aus den Phasensträngen der Elektromaschine 5 mit der Netzfrequenz und Spannung des Stromanschlusses des Stromverteilers 19 oder, falls abweichend, mit der Spannungsfrequenz des Fahrzeuganschlusses über die Stromleitung 30 synchronisiert. Darüber hinaus kann mit dem Wechselrichter 7 der elektrische Leistungsfluss zwischen der Vorrichtung 35, dem Gebäudenetz 19 und dem Fahrzeug-Antriebsstrang 2 gesteuert werden. In einer Ausführungsform mit Dynanometer ist dieser über eine Kupplung 3 mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine 8 trennbar.
Alle Leistung führenden Aggregate innerhalb der Vorrichtung 35 werden von mindestens einem Kühlkreislauf 6 gekühlt. Die Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses und die Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlkreislaufs werden so optimiert, dass möglichst viel Wärme vom Kühlmedium aufgenommen wird und wenig an die Umgebung verloren geht. Die Abführung der Wärme erfolgt in einer wärmeisolierten Leitung 25 an den Wärmetauscher 18. Das abgekühlte Medium fließt über die Leitung 26 zurück in den Kühlkreislauf 6. Eine Wasserpumpe kann für hohe Durchflussgeschwindigkeit des Mediums sorgen.
Die Steuerung der. Aggregate innerhalb der Vorrichtung 35 erfolgt mittels einer elektronischen Steuereinheit 11. Zu den wichtigsten Aufgaben dieser Steuereinheit zählen die Steuerung der Verbrennung in der Brennkraftmaschine 8 über eine Zuführung entsprechender Brennstoffmengen in die Brennstoffaufbereitung 9 und/oder Luftmengen zur Erzeugung eines entsprechenden Drehmoments oder Drehzahl an der Welle sowie einem emissionsarmen Verbrennungsprozess, die Ansteuerung der Schaltelemente des Wechselrichters 7 und die Ansteuerung eines Kupplungsaktuators zum Öffnen oder Schließen der Kupplung 3 zu dem Dynanometer 4. Darüber hinaus kommuniziert die Steuerung z. B. über ein Bussystem mit der Benutzerschnittstelle 10, der Fahrzeugsteuerung 2, der elektronischen Heizungssteuerung 14 bzw. liest Sensoren im Umfeld, z. B. die Temperatur im Wärmespeicher 15 oder die Stromaufnahme oder -abgabe am Stromverteiler 19, ab.
Als Steuereinheit wird vorzugsweise ein programmierbares Echtzeitsystem verwendet. Dies berechnet die kostenoptimalen Leistungsflüsse von/zum dem Energiespeicher 1, von/zum dem Wärmespeicher 22 und vom/zum dem allgemeinen Stromnetz 20. Die Steuereinheit kann über eine Telekommunikationsschnittstelle 13 Informationen über die aktuellen Brennstoff-, Strompreise, Stromvergütung bei Netzeinspeisung und Batterieverschleißkosten empfangen, welche für eine Kostenoptimierung innerhalb der Steuerung verwendet werden können.
3 zeigt das Grundprinzip des Verfahrens zum Betreiben der Vorrichtung in einer Darstellung als Regelkreis. Die durchgezogenen Linien stellen Leistungen dar, die jeweiligen Pfeilspitzen zeigen die mögliche Richtung des Leistungsflusses an. Der Informationsfluss ist in gestrichelten Linien dargestellt. Die Steuereinheit 11 steht im Zentrum.
Die Steuereinheit kann den Algorithmus zur zentralen Steuerung des Systems ausführen. Die von der Brennkraftmaschine 8 aus dem System zugeführte Leistung P_{In_command} und die Ladeleistung bzw. Entladeleistung für den Energiespeicher 1 P_{charge/discharge_command} sind die Stellgrößen des Regelkreises, das heißt mit Hilfe dieser Größen steuert die Steuerungseinheit das System. Die Sollwerte werden von den jeweiligen Aktuatoren 9 bzw. 7 in entsprechende physikalische Leistungen P_In und P_{charge/discharge} umgesetzt. Der Teil der elektrischen Leistung P_el, der nicht zum Laden des Energiespeichers verwendet wird, fließt als P_consumer zu den Verbrauchern 24 oder wird als P_grid in das Stromnetz 20 eingespeist. Wie oben beschrieben, kann über den Wechselrichter 7 der Batterie auch Leistung entnommen werden, um beispielsweise die Verbraucher 24 zu versorgen oder Strom in das allgemeine Stromnetz 20 einzuspeisen.
Der Abwärmestrom Q_ab, der bei der Umsetzung von P_in in P_el entsteht, wird im Wärmespeicher 22 gesammelt. Die aktuelle Wärmemenge Q_buffer des Wärmespeichers 22 und der aktuell an die Heizung 23 abgegebene Wärmestrom Q_heat werden über Sensoren (z. B. mittels eines Temperatursensors) erfasst oder berechnet und dem Steuergerät 11 zur Verfügung gestellt.
Die aktuell in dem Speicher 1 gespeicherte Energie E_batt und die Wunschladezeit T_charge werden ebenfalls in die Steuereinheit (z. B. über ein Funksignal) eingelesen. Die aktuell vom/an das allgemeine/n Stromnetz 20 entnommene bzw. abgegebene Leistung P_grid wird von einem Messinstrument in dem Stromverteiler 19 erfasst und ebenfalls der Steuereinheit zur Verfügung gestellt. Die Steuereinheit verfügt außerdem über die Informationen Uhrzeit, Datum und Außentemperatur, welche unter anderem dabei verwendet werden, die Größen Q_heat und Q_consumer vorherzusagen. Informationen über Energiekosten und Einspeisevergütungen ermöglichen eine Kostenoptimierung des Regelalgorithmus.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der sich die Ausführung der Einheit zur Steuerung der Ladezeit im Fahrzeug befindet. Im Unterschied zur Ausführungsform der 3 wird in diesem Fall der Stellbefehl P_{charge/discharge_command} im Steuergerät an die ausführende Einheit über eine Signalleitung oder über Funk übertragen.
5 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Systems gemäß der Erfindung. Es wird angemerkt, dass die Schritte des Verfahrens lediglich Haupt-Schritte sind, wobei diese Haupt-Schritte in Unter-Schritte differenziert oder unterteilt werden können. Außerdem können ebenfalls Unter-Schritte zwischen den Haupt-Schritten vorgenommen werden. Ein Unter-Schritt wird nur dann als solcher erwähnt, wenn dieser Schritt wichtig für das Verständnis der Prinzipien des Verfahrens gemäß der Erfindung ist.
Die folgenden Schritte sind in 5 dargestellt.
In Schritt S1 wird ein Ladezustand eines Speichers für elektrische Energie erfasst.
In Schritt S2 wird die Temperatur eines Wärmespeichers erfasst.
In Schritt S3 wird ein Stellbefehl zur Steuerung der Brennkraftmaschine auf der Basis der erfassten Werte erzeugt und
in Schritt S4 an die Brennkraftmaschine übertragen.
In Schritt S5 wird ein Stellbefehl zur Steuerung eines Wechselrichters auf der Basis der erfassten Werte erzeugt und
in Schritt S6 an den Wechselrichter übertragen.
In Schritt S7 wird ein Stellbefehl zur Steuerung eines Ladegeräts auf der Basis der erfassten Werte erzeugt und
in Schritt S8 an das Ladegerät übertragen.
Mögliche Unter-Schritte könnten das Erfassen oder Einlesen von weiteren Parametern sein, welchen dann zusätzlich zum Erzeugen der Stellbefehle herangezogen werden.
Während die Erfindung illustriert und beschrieben wurde im Detail in der Zeichnung und der vorangegangenen Beschreibung, sollen solche Illustrationen und Beschreibungen lediglich illustrativ und exemplarisch angesehen werden und nicht als restriktiv. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können verstanden und bewirkt werden durch einen Fachmann beim Umsetzen der beanspruchten Erfindung, aus dem Studium der Zeichnung, der Offenbarung und der anhängenden Ansprüche.
In den Ansprüchen schließt das Wort ”aufweisend” andere Elemente nicht aus, und der unbestimmte Artikel ”ein” schließt eine Mehrzahl nicht aus. Alleinig der Umstand, dass einzelne Merkmale in unterschiedlichen unabhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht bedeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht vorteilhaft eingesetzt werden kann. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen den Umfang derselben nicht beschränken.

Claims

System zur Kraft-Wärme-Kopplung, aufweisend: eine Brennkraftmaschine (8), einen Wärmespeicher (22), wobei der Wärmespeicher derart mit der Brennkraftmaschine verbunden ist, dass thermische Energie von der Brennkraftmaschine auf den Wärmespeicher übertragbar ist, eine Elektromaschine (5) zur Wandlung von mechanischer Abtriebsenergie der Brennkraftmaschine in elektrische Energie, einen Speicher (1) für elektrische Energie, welcher mit der Elektromaschine verbindbar ist, und eine Steuereinheit (11), die angepasst ist, auf der Basis der Temperatur in dem Wärmespeicher (22) und, wenn die Elektromaschine (5) mit dem Speicher (1) verbunden ist, der in dem Speicher (1) gespeicherten Menge an elektrischer Energie die Brennkraftmaschine zu steuern.
System nach Anspruch 1, ferner einen Wechselrichter (7) aufweisend, der mit der Elektromaschine (5), mit dem Speicher (1) für elektrische Energie und mit einem Stromnetz (19) verbunden ist, wobei der elektrische Leistungsfluss über den Wechselrichter (7) mittels der Steuereinheit steuerbar ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, ferner ein Ladegerät (2) aufweisend, das mit der Elektromaschine (5) und mit dem Speicher (1) für elektrische Energie verbunden ist, wobei der elektrische Leistungsfluss zum Speicher (1) mittels der Steuereinheit steuerbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit (11) mit Sensoren verbunden ist, mittels derer die Temperatur im Wärmespeicher (22) und der Ladezustand des Speichers (1) für elektrische Energie erfassbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Brennkraftmaschine (8), die Elektromaschine (5) und der Wärmespeicher (22) stationär angeordnet sind und wobei der Speicher (1) für elektrische Energie in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug (34) angeordnet ist.
System nach Anspruch 5, welches ferner ein Dynanometer (4) zur mechanischen Ankopplung der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine (8) mit dem Elektromotor/Generator (2) des Fahrzeugs (34) aufweist.
System nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuereinheit (11) an dem Fahrzeug (34) angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinheit eine Benutzerschnittstelle (10) und/oder eine Telekommunikationsschnittstelle (13) aufweist.
Steuereinheit (11) zur Steuerung eines Systems mit einer Brennkraftmaschine (8), einer Elektromaschine (5), einem Wärmespeicher (22) und einem Speicher (1) für elektrische Energie, wobei die Steuereinheit (11) angepasst ist, mittels entsprechender Sensoren die Temperatur in dem Wärmespeicher (22) und den Ladezustand des Speichers (1) zu erfassen und auf der Basis der erfassten Werte die Brennkraftmaschine (8) zu steuern.
Verfahren zum Betreiben eines Systems nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: erfassen eines Ladezustands des Speichers (1) für elektrische Energie, erfassen der Temperatur des Wärmespeichers (22), erzeugen eines Stellbefehls zur Steuerung der Brennkraftmaschine (8), auf der Basis der erfassten Werte, und übertragen des Stellbefehls an die Brennkraftmaschine (8).
Verfahren nach Anspruch 10, ferner die Schritte aufweisend: erzeugen eines Stellbefehls zur Steuerung eines Wechselrichters (7) auf der Basis der erfassten Werte, und übertragen des Stellbefehls an den Wechselrichter (7).
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, ferner die Schritte aufweisend: erzeugen eines Stellbefehls zur Steuerung eines Ladegerätes (2) auf der Basis der erfassten Werte, und übertragen des Stellbefehls an das Ladegerät (2).