DE102011085454A1

DE102011085454A1 - Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs mit einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor und einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, Steuereinrichtung und Hybridantrieb

Info

Publication number: DE102011085454A1
Application number: DE102011085454A
Authority: DE
Inventors: Ingo Lehmann; Peter Riegger
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-05-02
Also published as: WO2013060454A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs mit einem elektrischen Energiespeicher, für ein Schienenfahrzeug – insbesondere zur Steuerung eines Hybridantriebs mit einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor –, bei dem ein elektronischer Streckenfahrplan (SPL) streckenabschnittsbezogen über ein Zugsteuergerät vorgegeben wird, und eine streckenabschnittsbezogene Antriebsart (AA) des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans (SPL) prädiktiv bestimmt wird sowie die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers unter Nutzung eines Energiespeichermodells prädiktiv bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs mit einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor und einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem ein elektronischer Streckenfahrplan streckenabschnittsbezogen über ein Zugsteuergerät vorgegeben wird, und eine streckenabschnittsbezogene Antriebsart des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans prädiktiv bestimmt wird.
Bei einem aus der DE 102 26 143 B4 bekannten Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs wird die Antriebsart von einer Fahrbetriebsstrategie vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Fahrbetriebsstrategie gilt als gesetzt, wenn der Fahrer nicht in das System eingreift. Betätigt der Fahrer hingegen kurzfristig das Fahr- oder das Bremspedal, so wird die vorgeschlagene Fahrbetriebsstrategie verworfen und eine neue Fahrbetriebsstrategie berechnet. Dies erfolgt so lange, bis ein stationärer Zustand erreicht wird, in welchem keine weiteren kurzfristigen Änderungen mehr auftreten. Bestimmt wird die Fahrbetriebsstrategie anhand eines Energieprofils, beispielsweise im Hinblick auf den Verbrauch und den Zeitbedarf. Das Energieprofil wiederum wird aus Fahrer-, Fahrzeug-, Fahrstreckenund Wetterdaten sowie fahrerspezifischer Daten berechnet. Die Fahrstreckendaten werden aus einer digitalen Straßenkarte mit Höhenangabe oder von einem GPS eingelesen. Über ein RDS-TMC-System soll das Energieprofil an zu erwartende geänderte Verkehrswegbedingungen oder Verkehrsbedingungen, beispielsweise Stau, angepasst werden. Zur Umsetzung werden keine weiteren Ausführungen gemacht. Das vorgeschlagene Verfahren ist auf ein Kraftfahrzeug und der letztendlich bestimmenden Festlegung der Antriebsart durch den Fahrer ausgerichtet. Dadurch ist die Kraftstoffeinsparung schwer abschätzbar.
DE 10 2008 038 753 A1 offenbart ein eingangs genanntes Verfahren, das es ermöglicht, vor Fahrtantritt die streckenabschnittsbezogenen Antriebsarten des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans prädiktiv festzulegen. Im Fahrbetrieb kann dann eine Positionsabweichung der Ist-Position zu einer aus dem elektronischen Streckenfahrplan ermittelten Soll-Position des Schienenfahrzeugs bestimmt werden. Aus der Positionsabweichung wiederum wird dann eine Zeitreserve berechnet. Anhand der Zeitreserve wird dann entweder die Antriebsart beibehalten oder gewechselt. Beispielsweise bei einer negativen Zeitreserve im Sinne einer Verspätung wird in eine Antriebsart mit höherer Leistungsabgabe gewechselt. Aus Sicherheitsgründen wird vor Aktivierung der Antriebsart höherer Leistungsabgabe geprüft, ob die zu erwartende Geschwindigkeit signifikant von derjenigen Geschwindigkeit, welche durch den elektronischen Streckenfahrplan definiert ist, abweicht. Bei einer signifikanten Abweichung muss zuerst durch die Leitstelle eine Freigabe erteilt werden, beispielsweise indem diese einen modifizierten elektronischen Streckenfahrplan zur Verfügung stellt. Dieselbe Betrachtung gilt auch für den Fall, dass eine Antriebsart niedrigerer Leistungsabgabe initiiert werden soll.
Gemäß DE 10 2008 038 753 A1 können über ein prädiktives Modell Soll-Systemgrößen des Hybridantriebs, beispielsweise eine Soll-Motorleistung, bestimmt werden. Beispielsweise können während des Fahrbetriebs Ist-Systemgrößen eingelesen werden und eine Abweichung der Ist- von den Soll-Systemgrößen berechnet werden. Über eine Grenzwertbetrachtung kann dann entschieden werden, ob kein Eingriff in das System erfolgt oder ob das Modell mittels der Ist-Systemgrößen trainiert wird. Als Sicherheitsmaßnahme kann vorgesehen sein, dass das Modell von einem Sicherheitsmanagement überwacht wird.
Dieses Verfahren ist noch verbesserungswürdig. Wünschenswert ist es, eine verbesserte, insbesondere umfassendere, Steuerung zu erreichen.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine verbesserte, insbesondere umfassendere, Steuerung eines Hybridantriebs erlaubt. Insbesondere soll ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Hybridantriebs in einem Schienenfahrzeug bereitgestellt werden, welche die Gegebenheiten des Schienenverkehrs nutzt und den Rahmenbedingungen dieses Verkehrssystem des Schienenverkehrs gerecht wird. Insbesondere soll eine Kraftstoffeinsparung unter Berücksichtigung des Energiespeichers erreicht werden.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Betreffend die Vorrichtung führt die Erfindung auch auf eine Steuer-Steuereinrichtung zur prädiktiven Steuerung eines Hybridantriebs für ein Schienenfahrzeug gemäß Anspruch 12. Betreffend die Vorrichtung führt die Erfindung auch auf einen Hybridantrieb für ein Schienenfahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug mit einem Hybridantrieb, gemäß dem Anspruch 13.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Rahmenbedingungen beim Betrieb eines Schienenfahrzeugs durch den elektronischen Streckenfahrplan vorgegeben werden, welcher – wie bekannt – vor Fahrtantritt z. B. über Richtfunk in das Zugsteuergerät eingelesen wird. Im elektronischen Streckenfahrplan sind die streckenabschnittsbezogenen Geschwindigkeiten und damit auch der Zeitrahmen zwischen zwei Wegpunkten hinterlegt. Das Verfahren ermöglicht es vorteilhaft, dass – insbesondere vor Fahrtantritt – die streckenabschnittsbezogenen Antriebsarten des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans prädiktiv festgelegt werden. Insbesondere hat es sich im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung als vorteilhaft erwiesen jedenfalls grundsätzlich von einem Verfahren auszugehen, wie es in DE 10 2008 038 753 A1 beschrieben ist, deren Offenbarungsgehalt hiermit vollständig durch Zitat in diese Anmeldung aufgenommen ist. Auch vorliegend wird zur prädiktiven Festlegung der streckenabschnittsbezogenen Antriebsarten vor Fahrtantritt ein entsprechendes Modell als prädiktiver Beobachter verwendet.
Die prädiktive Regelung gehört zur Klasse der modellbasierten Regelungsverfahren und gestattet eine Vorhersage in die Zukunft, dem so genannten Prädiktionshorizont. Zentraler Gedanke ist die Nutzung des elektronischen Streckenfahrplans, welcher, z. B. in Verbindung mit einem Höhenprofil, als vorausschauendes Verfahren in vorteilhafter Weise das Kraftstoff-Einsparpotential in vollem Umfang nutzt. D. h., die eingesetzte Energie wird über die prädiktive Regelung minimiert. Für den Betreiber verringern sich daher die Betriebskosten. Das Modell bietet auch die Möglichkeit ein individuelles Verhaltensmuster des Schienenfahrzeugführers zu erfassen und abzuspeichern. Beim erneuten Durchfahren derselben Wegstrecke mit demselben Schienenfahrzeugführer kann dann auf dessen individuelles Verhaltensmuster zurückgegriffen werden.
Die Erfindung geht weiter von der Überlegung aus, dass eine alleinige Vorgabe des Streckenfahrplans z. B. über ein Zugsteuergerät noch verbessert werden kann. Insbesondere erweist sich eine Leistungsführung mittels einer Antriebsart und durch Systemgrößen einer Sollposition und einer Sollmotorleistung in Bezug auf eine Zeitreserve zwar als grundsätzlich vorteilhaft; jedoch ist der dieser prädiktiven Lösung zugrundliegende Ansatz noch ergänzbar um eine vorteilhafte Steuerung des Energiespeichers; konkret eine modellbasierte prädiktive Steuerung des Energiespeichers. Die Erfindung hat erkannt, dass ein Hybridantrieb unabhängig von einer Antriebsart regelmäßig auf einen Energiespeicher zurückgreifen muss. Lediglich die Vorgabe von Ist-Werten des Energiespeichers, z. B. seitens eines Batteriemanagements, für eine prädiktive Steuerung einer Antriebsart kann unzureichend sein, z. B. wenn eine Batterie überladen wird oder völlig entleert wird oder auf andere Weise jenseits eines vorteilhaften Lastpunkts betrieben wird.
Die Erfindung hat erkannt, dass der Energiespeicher als Element das Hybridantriebs – über ein beschränktes Batterie- und Sicherheitsmanagement hinaus – möglichst vorteilhaft zur Antriebsart passend, insbesondere aber grundsätzlich unabhängig von dieser, geführt werden sollte. Die Erfindung sieht deshalb vor, dass die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers unter Nutzung eines Energiespeichermodells prädiktiv bestimmt wird. Die Erfindung hat erkannt, dass der Energiespeicher technisch und kostenmäßig ein wesentliches Element des Hybridantriebs darstellt.
Die über eine normale Steuerung und Regelung hinausgehende prädiktiv bestimmte Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers hat den Vorteil, dass dem Energiespeicher, insbesondere dem Energiespeichermanagement, ein Referenzpunkt zur Verfügung gestellt werden kann. Aufgrund dessen ist es möglich, den Betrieb des Energiespeichers vergleichsweise optimiert zu führen. Beispielsweise kann der Betrieb des Energiespeichers – bei vorbekannten Rahmenbedingungen und aufgrund der prädiktiv bestimmten Betriebsführung – im Hinblick auf eine bevorstehende besonders hohe Beanspruchung des Energiespeichers ausgelegt werden. In einem anderen Beispiel kann die Betriebsführung im Hinblick auf eine besonders hohe bevorstehende Aufladung des Energiespeichers ausgelegt werden. Derartige Beispiele zeigen, dass es die prädiktiv bestimmte Betriebsführung grundsätzlich ermöglicht, den Energiespeicher im Hinblick auf eine für dessen Funktionsweise vorteilhafte Regeneration auszulegen; z. B. kann eine möglichst hohe Amplitude einer Ladung und Entladung, insbesondere eine komplette Ladung und komplette Entladung angestrebt werden. Das Konzept der Erfindung bietet die Grundlage dafür, den Energiespeicher an einen möglichst optimierten Arbeitspunkt zu führen; dies hat den Vorteil, dass eine übermäßige Schädigung der Elektroden, insbesondere der Kathoden, des Energiespeichers vermieden wird.
Insgesamt bietet die prädiktiv bestimmte Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers die Basis für eine vorteilhaft verlängerte Lebensdauer desselben. Für einen Hybridantrieb wird die Verfügbarkeit einer elektrisch verschleißfreien Bremse erhöht; nämlich aufgrund der Verfügbarkeit des elektrischen Energiespeichers mit vergleichsweise optimiertem Aufladepotential; dieses steht aufgrund der prädiktiv bestimmten Betriebsführung des Energiespeichers grundsätzlich zur Verfügung. Die prädiktiv bestimmte Betriebsführung erhöht darüber hinaus die Betriebssicherheit des elektrischen Energiespeichers. Aufgrund der prädiktiv bestimmten Betriebsführung wird insbesondere eine Kompensation von latenter Ladung im elektrischen Betriebsspeicher möglich.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, dass oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Dem Konzept der Erfindung folgend kann die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers unter Nutzung des Energiespeichermodells prädiktiv bestimmt werden, insbesondere unter Nutzung eines auf den elektrischen Energiespeicher abgestimmten Prädiktionshorizonts. Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung wird für die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers ein Prädiktionshorizont vorgegeben. Insbesondere kann der Prädiktionshorizont auf die Betriebsführung, insbesondere den Betriebsmodus, des elektrischen Energiespeichers abgestimmt sein. Der insofern für den elektrischen Energiespeicher vorteilhaft ausgelegte Prädiktionshorizont kann genutzt werden, um in optimierter Weise Maßnahmen zur Lebensdauerverlängerung und Verfügbarkeit der Speicherkapazität des elektrischen Energiespeichers bereitzustellen. Der elektrische Energiespeicher ist vorteilhaft in Form einer Batterie gebildet. Für Schienenfahrzeuge ist eine Batterie vorteilhaft, da diese eine vergleichsweise große Speicherkapazität hat. Grundsätzlich kann der elektrische Energiespeicher auch als ein Superkondensator (Super-Cap) oder dergleichen elektrischer Kondensator ausgeführt sein, der eine schnellere Verfügbarkeit von elektrischer Energie möglich macht als dies bei einer Batterie möglich ist.
Im Rahmen einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung wird zur prädiktiven Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers der elektronische Streckenfahrplan ausgewertet und in ein Fahrprofil von Streckenabschnitten umgesetzt. Die prädiktive Bestimmung der Betriebsführung kann somit auf einen Streckenabschnitt oder die Abfolge von Streckenabschnitten ausgelegt sein.
Im Rahmen einer weiter besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die prädiktive Bestimmung der Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers auf Grundlage eines Energiespeichermodells, insbesondere Batteriemodells, erfolgt. Unter einem Energiespeichermodell ist grundsätzlich eine rechenbare physikalische Modellbeschreibung des Energiespeichers zu verstehen, mittels der anwendungsbezogen und im Zweifel möglichst exakt eine Regelstrecke über den Energiespeicher rekonstruiert werden kann. Insbesondere hat sich ein solches Vorgehen in der prädiktiven Bestimmung der Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers bewährt; d. h. unter Nutzung eines Energiespeichermodells kann der Energiespeicher vorteilhaft prädiktiv gesteuert werden. Das Energiespeichermodell kann weitestgehend eine detaillierte Messwertaufnahme ersetzen, da ein Anfangszustand der zu rekonstruierenden Regelstrecke über den Energiespeicher, insbesondere Batterie, und auch die Entwicklung desselben – aufgrund des Streckenfahrplans und der streckenabschnittsbezogenen Antriebsart – vergleichsweise gut bekannt ist. Eintretende Störungen können beispielsweise unter Einkopplung einer Fehlergröße berücksichtigt werden. So bietet sich eine gute Möglichkeit, den Betriebszustand des elektrischen Energiespeichers prädiktiv und mit hoher Güte zu schätzen.
Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung kann eine Anzahl unterschiedlicher Energiespeichermodelle zur Verfügung gestellt werden und eine Variante eines Energiespeichermodells aus der Anzahl für einen Streckenabschnitt des Fahrprofils abgestimmten Varianten gewählt werden. Mit anderen Worten kann ein Energiespeichermodell abgestimmt werden auf unterschiedliche Energiespeichermodi und akute Zustände sowie ggfs. die Umgebung des Energiespeichers, wie beispielweise ein Ruhezustand, ein Entladezustand oder ein Ladezustand.
Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Antriebsart und/oder die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers durch mittels eines Beobachtersystems prädiktiv bestimmt werden. Ein Beobachtersystem kann separate Beobachter für die prädiktive Bestimmung der Antriebsart und für die prädiktive Bestimmung der Batterieführung aufweisen. Es kann die Prädiktion für die Antriebsart aufgrund eines separaten ersten Prädiktionsmoduls und die Prädiktion der Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers aufgrund eines separaten zweiten Prädiktionsmoduls erfolgen. Das erste und das zweite Prädiktionsmodul können hintereinander oder ineinander geschachtelt sein oder auch parallel zueinander rechnen. Insbesondere kann ein Beobachtersystem im Rahmen eines Trackmanagements, insbesondere bei einem Bahn-Hybrid-Controller, realisiert werden.
Die Prädiktion der Antriebsart und/oder der Betriebsführung des Energiespeichers lässt sich grundsätzlich aufgrund des zur Verfügung stehenden elektronischen Streckenfahrplans vor der Fahrt des Schienenfahrzeugs durchführen. Gleichwohl ist es aufgrund der zur Verfügung stehenden Zeitspannen auch möglich, selbst bei unerwartet auftretenden Ereignissen, während der Fahrt des Schienenfahrzeugs eine neuerliche Prädiktion für die Antriebsart und/oder die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers durchzuführen. Vorteilhaft lässt sich ein Prädiktionsmodell für die Antriebsart und/oder die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers variabel adaptieren.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass – je nach Fahrprofil – ein Fahrbetriebsmodus ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Beschleunigen, Fahren, Bremsen, Stehen oder Langsamfahrt. Dies sind die wesentlichsten Fahrbetriebsmodi, die auftreten, z. B. bei einem Antriebsprofil, das bevorzugt gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Boosten, elektrisch Fahren, insbesondere Beharrungsfahren, Rekuperieren, insbesondere Rekuperieren am Lastpunkt.
Bevorzugt kann ein Betriebsmodus des Hybridantriebs über Anteile einer Brennkraftmaschine und eines Elektromotors an einer Gesamtleistung des Hybridantriebs festgelegt sein. Die Festlegung kann beispielsweise starr im Hinblick auf einen Betriebsmodus festgelegt sein. Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung können das Verhältnis von Anteilen einer Brennkraftmaschine und eines Elektromotors an einer Gesamtleistung des Hybridantriebs auch variabel adaptierbar, insbesondere prädiktiv adaptierbar sein.
Im Rahmen einer vergleichsweise einfachen Umsetzung des Konzepts der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers abhängig von der streckenabschnittsbezogenen Antriebsart des Schienenfahrzeugs oder einem Antriebsprofil des Hybridantriebs erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass eine gemeinsame Auswertung des Streckenfahrplans zur Erstellung von Fahrprofilen und Antriebsprofilen sowohl für die prädiktive Bestimmung der Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers als auch der Antriebsart genutzt werden kann.
Im Rahmen einer anderen Weiterbildung kann die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers unabhängig von der streckenabschnittsbezogenen Antriebsart erfolgen; dadurch kann eine unabhängige auf die separate Führung von Energiespeicher und Antriebsart ausgelegte prädiktiven Bestimmung realisiert werden, d. h. eine Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers kann unabhängig von der streckenabschnittsbezogenen Antriebsart des Schienenfahrzeugs prädiktiv bestimmt werden.
Bevorzugt ist die Möglichkeit einer Optimierung von Batterieparametern für eine Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers gegeben. Insbesondere ist dies möglich bei einem vorab bekannten Prädiktionshorizont auf Basis eines Energiespeichermodells. dazu kann das Energiespeichermodell beispielsweise auf unterschiedliche Zustände einer Batterie ausgelegt sein, insbesondere unabhängig von einem Streckenabschnitt. Bevorzugt lassen sich auf dieser Basis unter Zugrundelegung von Ist-Werten des Batteriemanagementsystems Parameter des elektrischen Energiespeichers in verbesserter Weise optimieren, insbesondere ein SOC, SOH und/oder RI-Parameterwert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte Offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
1 eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines Schienenfahrzeugs mit einer Steuereinrichtung umfassend einen Bahnhybrid-Controller mit einem Prädiktionsmodell zur gleichermaßen prädiktiven Bestimmung einer streckenabschnittsbezogenen Antriebsart AA als auch einer prädiktive Betriebsführung eines elektrischen Batteriespeichers;
2 eine schematische Gegenüberstellung von Antriebsarten AA bzw. Betriebsmodi eines konventionellen Antriebs (A) bzw. eines Hybridantriebs (B) im Hinblick auf ein Fahrprofil mit typischen Streckenabschnitten, die u. a. im Hinblick auf einen Batteriespeicher relevant sind;
3 ein Schema zur Darstellung eines variierten Prädiktionsmodells wie es unter Restriktion mittels der aus 2B ersichtlichen Fahrprofile und darauf abgestimmten Antriebsarten AA bzw. Betriebsmodi genutzt werden kann, um im Rahmen eines gegenüber 1 variierten Prädiktionsmoduls 10A, 10B in einer modellbasierten Rechnung unterschiedliche Antriebsarten prädiktiv zu bestimmen und unterschiedliche auf die Betriebsmodi ausgelegte Batteriemodi prädiktiv zu bestimmen;
4 eine schematische Darstellung einer Prädiktion von Batteriemodi aufgrund einer prädiktiv bestimmten Betriebsführung einer Batterie unter Zugrundelegung entsprechender Batteriemodelle im Hinblick auf einen Streckenfahrplan mit unterschiedlichen Streckenabschnitten eines Fahrprofils und eine streckenabschnittsbezogene Antriebsart eines Schienenfahrzeugs;
5 ein unter Zugrundelegung eines oder mehrerer Batteriemodelle vorteilhafter Regelkreis – beispielsweise zur Implementierung in das Prädiktionsmodul 10B der 4 – der geeignet ist, einen Prädiktionshorizont vorzugeben, der gegenüber einem durch den Streckenfahrplan vorgegebenen Prädiktionshorizont modifiziert ist.
Die 1 zeigt die Informationsstruktur eines Hybridantriebs 200 für ein Schienenfahrzeug 1000 als Blockschaltbild. Typischerweise umfasst ein Hybridantrieb 200 eine Brennkraftmaschine 210, einen Elektromotor 220, ein Getriebe, elektrische Umrichter und einen elektrischen Energiespeicher 230, beispielsweise ein Lithium-Ionenspeicher (Super-Caps). An einem gemeinsamen elektronischen Datenbus 1, beispielsweise einem CAN-Bussystem oder Ethernet, sind ein Zugsteuergerät 2 (ZSG), ein Motorsteuergerät 3 (ECU), ein Getriebesteuergerät 4 (GS), ein Batterie-Management-Steuergerät 5 (BMS), ein Umrichter-Steuergerät 6 (VCU) und exemplarisch ein Steuergerät 7 zur Festlegung des Abgases (SCR) angeschlossen. Die am Datenbus 1 angeschlossenen Steuergeräte 2 bis 7 sind sowohl Empfänger als auch Sender.
Ebenfalls am Datenbus 1 angeschlossen ist eine Einheit 8 zum Empfang des Bahnrichtfunks und der Daten des GPS. Über den Bahnrichtfunk wird der elektronische Streckenfahrplan mit hinterlegter elektronischer Streckenkarte auf den Datenbus gesetzt. Die Daten des GPS umfassen die Ist-Position und die aktuelle Höhe. Ergänzt wird diese Informationsstruktur durch ein Prädiktionsmodell 9 als prädiktiver Beobachter und ein Sicherheitsmanagement 15. Das Sicherheitsmanagement 15 überwacht die Eingangsgrößen, die Ausgangsgröße und die Parameter des Prädiktionsmodells 9. Die Eingangsgrößen des Prädiktionsmodells 9 sind der elektronische Streckenfahrplan SPL, die Ist-Systemgrößen SG(IST) und die aktuelle Höhe Hh. Der elektronische Streckenfahrplan SPL mit hinterlegter elektronischer Streckenkarte wird vom Zugsteuergerät 2 bereitgestellt. Im elektronischen Streckenfahrplan SPL sind die streckenabschnittsbezogenen Geschwindigkeiten, beispielsweise die zulässige Geschwindigkeit zwischen einem Wegpunkt A und einem Wegpunkt B, enthalten. Anhand der streckenabschnittsbezogenen Geschwindigkeiten sind auch die Zeiten zwischen den Wegpunkten definiert. Die aktuelle Höhe Hh wird von der Einheit 8 auf dem Datenbus 1 bereitgestellt. Die Ist-Systemgrößen SG(IST) werden vom Motorsteuergerät 3 bereitgestellt und entsprechen ganz allgemein den verfügbaren Einzeldaten aller am Datenbus 1 angeschlossenen Steuergeräte 2 bis 7 einschließlich der Einheit 8. Hierunter sind zum Beispiel die Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Ist-Motorleistung, der Ist-Kraftstoffverbrauch, der Status des Energiespeichers 230, die Ist-Position des Schienenfahrzeugs sowie die ÖI-, die Energiespeicher-, die Kühlwasser- und die Umrichter-Temperatur zu verstehen. Die Ausgangsgröße des Prädiktionsmodells 9 ist das Signal D1, welches auf das Motorsteuergerät 3 geführt wird. Innerhalb des Prädiktionsmodells 9 sind als funktionale Einheiten eine modellbasierte Berechnung 10, ein Vergleicher 11, ein Datenspeicher 12, eine Optimierung 13 und ein Berechnungsalgorithmus 14 als Funktionsblock angeordnet. In der Berechnung 10 ist die Regelstrecke mathematisch abgebildet. Die Eingangsgrößen der Berechnung 10 sind der elektronische Streckenfahrplan SPL, die aktuelle Höhe Hh und ein Signal S2. Über die modellbasierte Berechnung 10 in einem Prädiktionsmodul werden die Soll-Systemgrößen SG(SL), zum Beispiel die Soll-Position oder die Soll-Motorleistung, berechnet. Die Soll-Systemgrößen SG(SL) werden auf den Vergleicher 11 geführt und parallel im Datenspeicher 12 streckenabschnittsbezogen abgespeichert. Über den Vergleicher 11 werden die Soll-Systemgrößen SG(SL), die Ist-Systemgrößen SG(IST) und die im Datenspeicher 12 abgelegten Daten – Signal S1 – miteinander verglichen. Die hieraus sich ergebende Abweichung dS wird zum einen im Datenspeicher 12 abgelegt und zum anderen als Eingangsgröße auf die Optimierung 13 geführt. Über die Optimierung 13 wird in Abhängigkeit eines vorgebbaren Gewichtungsfaktors k die Abweichung dS hinsichtlich der Kosten beurteilt. Liegt die Abweichung dS unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts, wird der letzte Wert beibehalten, d. h., es erfolgt keine weitere Optimierung. Ist die Abweichung dS größer als der Grenzwert, so wird der aktuelle Wert als Ausgangsgröße gesetzt, Signal S1. Die Signalwerte S1 entsprechen einer Kostenfunktion, welche mittels des Maximumprinzips nach Pontrjagin und mittels der dynamischen Programmierung nach Bellman bestimmt werden. Im nachfolgenden Berechnungsalgorithmus 14 wird das Signal S1 über einen vorgegebenen Algorithmus bewertet. Hierfür anwendbare, bekannte Algorithmen sind die Levenberg-Marquart-Methode, die Newton-Verfahren oder das Nelder-Meat-Verfahren. Die Ausgangsgröße des Berechnungsalgorithmus 14 entspricht einem SteIlgrößenverlauf für den betrachteten Prädiktionshorizont, welche als Signal S2 auf die Berechnung 10 zurückgekoppelt wird. Über den Rückkoppelungszweig mit Optimierung 13 und Berechnungsalgorithmus 14 wird die modellbasierte Berechnung 10 so lange trainiert, bis ein Minimum gefunden wurde. Im Datenspeicher 12 sind streckenabschnittsbezogen sowohl die Abweichung dS als auch die Soll-Systemgrößen SG(SL) abgespeichert.
Vor Fahrtantritt werden über das Prädiktionsmodell 9 anhand des elektronischen Streckenfahrplans SPL und des Höhenprofils der Fahrtstrecke die streckenabschnittsbezogenen Antriebsarten prädiktiv berechnet. Diese werden im Datenspeicher 12 streckenabschnittsbezogen hinterlegt. Beispielsweise eine rein verbrennungsmotorische Antriebsart bei einem Streckenabschnitt mit Steigung oder eine Antriebsart mit Rekuperation (Energie-Rückspeisung) bei einem Streckenabschnitt mit Gefälle. Während des Fahrbetriebs beurteilt das Motorsteuergerät 2 anhand der Daten D1 den aktuellen Zustand des Gesamtsystems und veranlasst gegebenenfalls über den Datenbus 1 eine Änderung der Antriebsart. Am Beispiel einer Positionsabweichung wird dies näher erklärt.
Die Soll-Position wird über die Berechnung 10 als eine der Soll-Systemgrößen SG(SL) bestimmt. Die Ist-Position wird als eine der Ist-Systemgrößen SG(IST) vom Motorsteuergerät 3 dem Prädiktionsmodell 9 als Eingangsgröße bereitgestellt. Der Vergleicher 11 berechnet eine Abweichung dS der Ist-Systemgrößen SG(IST) zu den Soll-Systemgrößen SG(SL). Die Abweichung dS entspricht in diesem Beispiel also einer Positionsabweichung. Diese wird im Datenspeicher 12 streckenabschnittsbezogen abgelegt. Die Datenwerte D1 werden zyklisch vom Motorsteuergerät 2 eingelesen und beurteilt. Hierzu berechnet das Motorsteuergerät 2 anhand des Datenwerts D1, welcher die Positionsabweichung kennzeichnet, eine Zeitreserve. Bei einer negativen Zeitreserve im Sinne einer Verspätung wird in eine Antriebsart mit höherer Leistungsabgabe gewechselt. Bei einer Zeitreserve innerhalb eines Toleranzbands wird die Antriebsart beibehalten und bei einer positiven Zeitreserve im Sinne eines verfrühten Ankommens wird in eine Antriebsart mit niedrigstem Energieverbrauch gewechselt. Würde das Schienenfahrzeug 1000 den nächsten Wegpunkt, zum Beispiel einen Bahnhof (Bhf), zu spät erreichen, so initiiert das Motorsteuergerät 3 einen Wechsel in die kombinierte Antriebsart aus Brennkraftmaschine 210 und Elektromotor 220. Die kombinierte Antriebsart bewirkt eine erhöhte zu erwartende Geschwindigkeit. Aus Sicherheitsgründen wird vor Aktivierung der Antriebsart höherer Leistungsabgabe geprüft ob die zu erwartende Geschwindigkeit signifikant von derjenigen Geschwindigkeit, welche durch den elektronischen Streckenfahrplan SPL definiert ist, abweicht. Ist dies der Fall, muss zuerst durch die Leitstelle eine Freigabe erteilt werden, beispielsweise indem diese einen modifizierten elektronischen Streckenfahrplan zur Verfügung stellt.
Im Rahmen des Konzepts der Erfindung wurde erkannt, dass es grundsätzlich auf Basis dieses an sich aus DE 10 2008 038 753 A1 bekannten Ansatzes möglich ist, auch die prädiktive Bestimmung einer Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers 230 vorzunehmen. Dazu wird vorliegend ein Batterie-Ist-Status mittels Batteriestatus-Ist-Werten BS(IST) des elektrischen Energiespeichers 230 der modellbasierten Berechnung 10 zugeführt. Der Ist-Status der Batterie wird der modellbasierten Berechnung 10 vom Batteriemanagement-Steuergerät 5 zur Verfügung gestellt; grundsätzlich steht der Batterie-Ist-Status als Teil der Ist-Systemgrößen SG(IST) über den elektronischen Datenbus 1 auch dem Motorsteuergerät 3 zur Verfügung. Zusätzlich werden auch aktuelle Batteriemodell-Daten BM(IST) – abhängig vom gewählten Energiespeichermodell BM – der modellbasierten Berechnung 10 zugeführt.
Die aktuellen Batteriemodell-Daten BM(IST) werden der modellbasierten Rechnung 10 und dem Datenbus zur Verfügung gestellt. Damit ist die modellbasierte Rechnung 10 nicht nur in der Lage eine Antriebsart AA für die Soll-Systemgrößen SG(SL) zur Verfügung zu stellen, sondern auch eine Betriebsführung des Energiespeichers 230 gemäß einer prädiktiven Bestimmung. Auch die Batteriestatus-Soll-Werte BS(SL) können – analog zur vorgenannten Weise mit den Soll-Systemgrößen SG(SL) oder separat – an den Vergleicher 11 weitergegeben werden, um dort mit den Batteriestatus-Ist-Werten BS(IST) verglichen zu werden. Im Rahmen der zuvor erläuterten Regelstrecke lassen sich diese mit der Abweichung dS oder in analoger Weise in der weiteren Regelschleife als Signal S1 und S2 in die modellbasierte Berechnung 10 zurückführen oder als Datenwert D1 zyklisch dem Motorsteuergerät 3 zur Verfügung stellen.
Im Folgenden wird anhand einer bevorzugten Ausführungsform im Einzelnen beschrieben wie unter Zugrundelegung des Energiespeichermodells BM 5‘ eine prädiktive Bestimmung der Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers 230 erfolgen kann.
2 zeigt in Ansichten (A) und (B) den Vergleich eines Ablaufs von Antriebsarten eines konventionellen Dieselmotors und eines Betriebsmodus 500 eines Hybridantriebs 200 aus einem Dieselmotor und einem Elektromotor; in beiden Fällen unter Berücksichtigung eines Bremsvorgangs mit einer Bremse. In beiden Fällen sind die Antriebsarten bzw. Betriebsmodi einem Fahrprofil zugeordnet, wie es beispielsweise durch einen elektronischen Streckenfahrplan für ein Schienenfahrzeug 1000 vorgegeben ist. Beispielsweise ist aus 2A im Detail ersichtlich, dass bei einem Streckenabschnitt, der eine Beschleunigung erforderlich macht ein Anteil von praktisch 100 % der Antriebsenergie dem Dieselmotor zugeordnet werden kann. Beispielsweise nach Erreichen der maximal zulässigen Fahrzeuggeschwindigkeit oder Reisegeschwindigkeit ist nur noch diejenige Antriebsleistung erforderlich, welche zur Beibehaltung eines Beharrungszustands notwendig ist. Im Beharrungszustand liegen daher die Betriebspunkte einer Brennkraftmaschine 210 wie einem Dieselmotor im Motorkennfeld in einem Bereich mit deutlich geringerer Antriebsenergie aber gleichwohl höheren spezifischen Kraftstoffverbrauchs. Für den Streckenabschnitt „Fahrt“ ist etwa 50 % einer Antriebsenergie eines Dieselmotors angemessen. Für den Streckenabschnitt „Bremsen“ ist üblicherweise eine vollständige Auslastung der Bremse, d. h. 100 % Bremsenergie erforderlich. Bei Langsamfahrt oder Stehen beispielsweise in einem Bahnhof Bhf oder dergleichen ist üblicherweise eine Antriebsenergie von 10 % eines Dieselmotors anzusetzen. Für die gleiche Abfolge von durch einen elektronischen Streckenfahrplan vorgegebenen Streckenabschnitten 301, 302, 303, 304 eines Fahrprofils 300 ergibt sich in 2B eine Abfolge von Fahrbetriebsmodi 400 I „Beschleunigung“, II „Fahren“, III „Bremsen“, IV „Stehen“ bzw. „Langsamfahrt“. Diesen Fahrbetriebsmodi 400 sind Betriebsmodi 500 des Hybridantriebs 200 aus Brennkraftmaschine 210 (Dieselmotor), Elektromotor 220 (Motor/Generator) und Bremse bzw. Generator wie folgt zugeordnet.
Für den Fahrbetriebsmodus 400 I "Beschleunigen" wird der Hybridantrieb 200 vorliegend im Antriebsprofil APi „Boosten“ betrieben. Der Anteil einer Brennkraftmaschine 210 und eines Elektromotors 220 in diesem Betriebsmodus 500 beträgt 75 % bzw. 25 % der Gesamtleistung. Für den Fahrbetriebsmodus 400 II „Fahrt“ ist vorliegend der mit Fahren oder „Hybrid/Eco“ bezeichnete Betriebsmodus 500 des Hybridantriebs 200 umgesetzt; bei diesem kann 50 % der Gesamtleistung aus der Brennkraftmaschine 210 (Dieselmotor) bestritten werden. Für den Fahrbetriebsmodus 400 III „Bremsen“ befindet sich der Hybridantrieb 200 im Antriebsprofil APiii Rekuperieren, d. h. über den Generator können 80 % der aus dem Bremsen gewonnenen Bremsleistung der Batterie zugeführt werden und 20 % der Bremsleistung sind über die Bremse zu bestreiten. Für den Fahrbetriebsmodus 400 IV "Stehen oder Langsamfahrt" kann der Hybridantrieb 200 im Antriebsprofil APii „Elektrisch Fahren“ betrieben werden; dafür sind etwa 10 % des Energiepotentials des Elektromotors anzusetzen.
Wie aus der Kennzeichnung in 2B ersichtlich, ist für den Fahrbetriebsmodus 400 I des Hybridantriebs 200 „Beschleunigen“ 25 % des Elektromotors (APi Boosten), im Fahrbetriebsmodus 400 III „Bremsen“ 80 % des Generators (APiii "Lastpunkt rekuperieren") und im Fahrbetriebsmodus 400 IV "Stehen oder Langsamfahrt" (APii „elektrisch fahren“) 10 % des Elektromotors an Leistung zu erbringen. In diesen drei Fällen kommt dem elektrischen Energiespeicher 230 wie einer Batterie oder einem Superkondensator erheblich Bedeutung zur Deckung bzw. Aufnahme (Rekuperieren) der Leistung zu. Ein Batteriemodus 530 sollte also vorteilhaft gewählt werden; vorliegend wird die prädiktive Steuerung desselben beispielhaft beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform ist der modellbasierten Berechnung 10 ein prädiktives modellbasiertes Prädiktionsmodul 10A vorgegeben, das die vorgenannten Betriebsmodi zur Bestimmung der Soll-Systemgrößen SG(SL) alternativ berücksichtigt. Dem hinterlegt ist ein nachgeordnetes Prädiktionsmodul 10B der 4, das aufgrund des vorgenannten Energiespeichermodells BM 5‘ Betriebsdaten zur optimierten Betriebsführung der Batterie unter Berücksichtigung von Alterungseffekten prädiktiv berechnet.
Zunächst bezugnehmend auf 3 werden dem Prädiktionsmodul 10A über die modellbasierte Berechnung 10 Daten zur aktuellen Höhe Hh der Streckenfahrplan SPL und Ist-Systemgrößen SG(IST) und Batteriestatus-Ist-Werte BS(IST) vom Batteriemanagement-Steuergerät 5 zur Verfügung gestellt. Die Eingangsgrößen werden genutzt, um den elektronischen Streckenfahrplan SPL in ein Fahrprofil 300 von Streckenabschnitten 301, 302, 303, 304 umzusetzen, wie dies anhand von 2B beispielhaft erläutert ist. Aus dieser Streckenanalyse ergibt sich eine Restriktion des Rechenabschnitts 10A.1 betreffend die Prädiktion von Betriebsmodi 500 für den Hybridantrieb 200. Dies führt nämlich auf die im Rechenabschnitt 10A.2 dargestellten Antriebsprofile APi "Boosten“, ii „elektrisch Fahren“ und iii „Lastpunkt Rekuperieren“. Auf dieser Grundlage kann eine Abfolge von Betriebsmodi 500 mit den entsprechenden Anteilen 520 von Energieumsätzen sowie Leistungsanforderungen erstellt werden, wie diese im oberen Teil der 2B dargestellt sind.
Diese Art einer prädiktiven Bestimmung einer streckenabschnittsbezogenen Antriebsart AA und Betriebsmodi 500 führt zu einer Matrix von Soll-Systemgrößen SG(SL), die am Ausgang des modellbasierten Prädiktionsmoduls 10A bzw. am Ausgang der modellbasierten Berechnung 10 zur Verfügung stehen. Die Matrix wird auch zur weiteren Analyse als Eingangsdaten für das in 4 dargestellte prädiktive Prädiktionsmodul 10B basierend auf dem Energiespeichermodell BM genutzt.
Dem prädiktiven Prädiktionsmodul 10B stehen auch die vorgenannten Batterie-Status-Istwerte BS(IST) des Batteriemanagementsteuergeräts 5 zur Verfügung sowie die vorgenannte aktuelle Höhe Hh und der Streckenfahrplan SPL. Die aus der Streckenanalyse gewonnene Restriktion geht in den Rechenabschnitt 10B.1 ein und entspricht dabei der im Rechenabschnitt 10A.1. Abhängig davon, d. h. unter Auswertung des elektronischen Fahrplans SPL und Zugrundelegung der Restriktion im Rechenabschnitt 10B.1 wird für unterschiedliche Betriebsmodi 500 des Hybridantriebs 200 ein variiertes Energiespeichermodell BM zugrunde gelegt. Dazu können jeweils leicht variierte Batteriemodell-Daten BM(IST) anhand von Kennlinien – die gegebenenfalls auch Alterungseffekte der Batterie mitbeschreiben – im Rechenabschnitt 10B.2 berücksichtigt werden. Dargestellt ist beispielsweise der einem Betriebsmodus 500 Hybrid/Eco (Fahrbetriebsmodus 400 III „Fahren“) zugeordnete variierte Energiespeichermodus 530 für den Batteriezustand „Ruhezustand“ 531 vorgesehen. Für das Antriebsprofil APi „Boosten“ oder das Antriebsprofil APii „elektrisch fahren“ ist das für den Batteriezustand „Entladen“ 532 angepasste Energiespeichermodell vorgesehen. Für das Antriebsprofil APiii „Lastpunkt rekuperieren“ ist das für den Batteriezustand „Laden“ 533 angepasste Energiespeichermodell vorgesehen.
Beim Durchrechnen des Batteriezustands im Hinblick auf den Streckenfahrplan SPL lässt sich somit eine Sequenz von Betriebsdaten als Batteriestatus Sollwert BS(SL) vorgeben, die zur optimalen Betriebsführung der Batterie unter Berücksichtigung von Alterungseffekten geeignet sind. Diese werden im Datenspeicher 10B.3 vorgehalten und stehen am Ausgang des Prädiktionsmoduls 10B zur Verfügung.
Ebenso stehen die Betriebsdaten für Betriebsmodi 500 des Hybridantriebs 200 im Datenspeicher 10A.3 am Ausgang des Prädiktionsmoduls 10A zur Verfügung.
Die Betriebsdaten der Batterie können beispielsweise Ladezeiten, Entladezeiten oder Zyklen derselben umfassen; auch können diese Ladeamplituden oder Entladeamplituden umfassen. Die genannten Parameter können im Hinblick auf die Optimierung von SOC, SOH oder RI-Werten einer Batterie ausgelegt werden. Im Ergebnis kann für die Fahrt eines Schienenfahrzeugs entlang der Abfolge von Streckenabschnitten 301, 302, 303, 304 des Fahrprofils 300 gemäß der 2B eine optimierte prädiktiv bestimmte Betriebsführung des Energiespeichers 230 zur Verfügung gestellt werden. Dies kann im Rahmen der Soll-Systemgrößen SG(SL) geschehen, die – wie anhand von 1 erläutert – in das Motorsteuergerät 3 eingespeist werden und auch über Signale S1, S2 optimiert und als Regelgröße zurückgespeist werden in die modelbasierte Berechnung 10. Im Ergebnis leistet die prädiktive Steuerung des Hybridantriebs 200 der vorliegenden Ausführungsform nicht nur eine optimierte streckenabschnittsbezogene prädiktiv bestimmte Antriebsart AA des Schienenfahrzeugs unter Kraftstoffeinsparung, sondern auch einen schonenden und prädiktiv optimierten Betrieb des Batteriespeichers BS bzw. Energiespeichers 230.
Beispielsweise kann mittels der prädiktiven Betriebsführung des Energiespeichers 230 vor bekannten und prädiktiv nutzbaren Bremsvorgängen der Energiespeichers 230 möglichst entleert werden. Dies hat zur Folge, dass bei Zugrundelegung eines in 2B dargestellten Betriebsmodus für Bremsen, die generierte Bremsenergie (80 % Generator) vollständig in den Energiespeicher 230 eingespeist werden kann. Beispielsweise kann zuvor eine Maßnahme im Rahmen der prädiktiven Betriebsführung darin bestehen, bei einem Betriebsmodus 500 Hybrid/Eco-„Fahren“, den Elektromotor über die Batterie zu betreiben, um die Batterie möglichst zu leeren. Auch kann im Rahmen eines Beispiels einer prädiktiven Betriebsführung für ein Antriebsprofil APi "Boosten" im Voraus der elektrische Energiespeicher 230 voll aufgeladen sein; dies um die 25 % elektrische Antriebsenergie des Fahrbetriebsmodus 400 I „Beschleunigen“ gemäß 2B wenigstens teilweise auch aus dem Batteriespeicher abzudecken. Beispielsweise kann die prädiktive Betriebsführung auch genutzt werden, um im üblichen Fahrtmodus – insbesondere in Anbetracht einer Beharrungsfahrt oder im Bereich der Langsamfahrt – gemäß 2B den 10 % Leistungsbeitrag des Elektromotors über den Batteriespeicher zu bestreiten; wohl aber unter bestmöglicher Nachführung des Arbeitspunktes.
Es können auch Alterungseffekte der Batterie im Energiespeichermodell BM 5' hinterlegt werden, so dass die gesamte prädiktive Betriebsführung Alterungseffekte mit berücksichtigen kann. Insgesamt führt das mit der vorliegenden Ausführungsform verdeutlichte Konzept der Erfindung dazu, dass dem Batterie-Management-Steuergerät 5 BMS ein Referenzpunkt zur Verfügung gestellt werden kann, auf den hin der Batteriespeicher zielführend aufgeladen, entladen oder betrieben werden kann.
Darüber hinaus kann – wie anhand von 5 näher erläutert – ein Prädiktionshorizont HOR(SPL) wie er zunächst von einem Streckenfahrplan SPL vorgegeben oder aus diesem bestimmt ist (Wegpunkte, Haltepunkte, Bahnhöfe oder sonstige Punkte zur Änderung des Fahrprofils) dem Energiespeichermodell BM zugeführt werden. Anders ausgedrückt kann der prädiktiven Regelschleife 10C der 5 über den Eingangsrechenabschnitt 10C.1 zunächst der Streckenfahrplan zur Bestimmung eines Prädiktionshorizonts zugeführt werden und unter Nutzung des Energiespeichermodells BM im Rechenabschnitt 10B.2. eine abgeänderte Beurteilung des Prädiktionshorizonts veranlasst werden. Dies lässt sich im Rahmen des Rechenabschnitts 10C.3 erreichen. Ursache einer geänderten Beurteilung des Prädiktionshorizonts HOR(SPL) kann beispielsweise sein, dass ein Antriebsprofil APi "Boosten" vorzeitig abgebrochen werden musste, wenn nicht genügend Energie des Batteriespeichers zur Verfügung steht. Auch kann ein Prädiktionshorizont bzw. eine Prädiktionslänge geringer ausfallen als dies ein Streckenfahrplan SPL grundsätzlich ermöglicht; z. B. wenn im Rahmen eines Bremsvorgangs eine Energieabführung über den Generator 220 in den Energiespeicher 230 begrenzt ist. Durch solche und andere Prozesse kann sich ein modifizierter Prädiktionshorizont modHOR(SPL) ergeben, der zusätzlich bzw. in Modifizierung der durch den Streckenfahrplan SPL vorgegebenen Prädiktionshorizonte HOR(SPL) steht. Die Regelschleife 10C der 5 kann mehrfach durchlaufen werden und so zu einer optimierten Anpassung der Prädiktionshorizonte modHOR(SPL) führen. Die Prädiktionshorizonte modHOR(SPL) können ausschließlich zur Prädiktion der Betriebsdaten zur optimalen Betriebsführung der Batterie dienen wie sie anhand von 4 im Prädiktionsmodul 10B erläutert ist. Die Prädiktionshorizonte modHOR(SPL) können aber auch dem Prädiktionsmodul 10A zugeführt werden und zur Anpassung der Fahrmodi AA bzw. Betriebsmodi 500 des Hybridantriebs 200 führen.
Bezugszeichenliste

1: Datenbus
2: Zugsteuergerät (ZSG)
3: Motorsteuergerät (ECU)
4: Getriebesteuergerät (GS)
5: Batterie-Management-Steuergerät (BMS)
6: Umrichter-Steuergerät (VCU)
7: Steuergerät zur Festlegung des Abgases (SCR)
8: Einheit zum Empfang des Bahnrichtfunks
9: Modell
10: modellbasierte Berechnung
10A, 10B: Prädiktionsmodul
10A.1, 10A.2: Rechenabschnitt
10A.3: Datenspeicher
10B.1, 10B.2: Rechenabschnitt
10B.3: Datenspeicher
10C: Regelschleife
10C.1: Rechenabschnitt
11: Vergleicher
12: Datenspeicher
13: Optimierung
14: Berechnungsalgorithmus
15: Sicherheitsmanagement
100: Steuereinrichtung
110: Zugsteuerung
120: Bahn-Hybrid-Controller
200: Hybridantrieb
220: Elektromotor
230: Energiespeicher
300: Fahrprofil
301, 302, 303, 304: Streckenabschnitte
400: Fahrbetriebsmodus
500: Betriebsmodus des Hybridantriebs
520: Anteile an einer Gesamtleistung eines Hybridantriebs
530: Energiespeichermodus
531: Ruhezustand
532: Entladen
533: Laden
1000: Schienenfahrzeug
I, II, III, IV: unterschiedliche Fahrprofile
AA: Antriebsart
A, B: Wegpunkte
AP: Antriebsprofil
APi: Boosten
APii: elektrisch Fahren
APiii: Rekuperieren am Lastpunkt
BM, 5‘: Energiespeichermodell
BM(IST): Batteriemodell-Daten
BS(SL): Batteriestatus-Soll-Werte
BS(IST): Batteriestatus-Ist-Werte
dS: Abweichung
D1: Datenwert
Hh: Höhe
k: Gewichtungsfaktor
modHOR(SPL): Prädiktionshorizont
S1, S2: Signale
SG(IST): Ist-Systemgrößen
SG(SL): Soll-Systemgrößen
SPL: elektronischer Streckenfahrplan

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10226143 B4 [0002]
DE 102008038753 A1 [0003, 0004, 0008, 0036]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs (200) mit einer Brennkraftmaschine (210) und einem Elektromotor (220) und einem elektrischen Energiespeicher (230), insbesondere für ein Schienenfahrzeug, bei dem – ein elektronischer Streckenfahrplan (SPL) streckenabschnittsbezogen über ein Zugsteuergerät ZSG vorgegeben wird, und – eine streckenabschnittsbezogene Antriebsart (AA) des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans (SPL) prädiktiv bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers (230) unter Nutzung eines Energiespeichermodells (BM) prädiktiv bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsart (AA) und/oder die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers (230) vor und/oder während der Fahrt des Schienenfahrzeugs prädiktiv bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zur prädiktiven Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers (230) der elektronische Streckenfahrplan (SPL) ausgewertet wird und in ein Fahrprofil (300) von Streckenabschnitten (301, 302, 303, 304) umgesetzt wird, insbesondere für ein Fahrprofil (300) ein Fahrbetriebsmodus (400) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Beschleunigen (I), Fahren (II), Bremsen (III), Stehen oder Langsamfahrt (IV).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers abhängig von der streckenabschnittsbezogenen Antriebsart (AA) des Schienenfahrzeugs bestimmt oder unabhängig von der streckenabschnittsbezogenen Antriebsart (AA) des Schienenfahrzeugs prädiktiv bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsprofil (AP) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Boosten (i), elektrisch Fahren (ii), Rekuperieren am Lastpunkt (iii), insbesondere ein Betriebsmodus (500) des Hybridantriebs (200) über Anteile (520) einer Brennkraftmaschine (210) und eines Elektromotors (220) an einer Gesamtleistung des Hybridantriebs (200) festgelegt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die prädiktive Bestimmung der Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers (230) auf Grundlage eines Energiespeichermodells (BM) für eine Batterie, einen Superkondensator oder dergleichen Energiespeicher (230) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl unterschiedlicher Varianten von Energiespeichermodellen (BM) zur Verfügung steht und eine Variante eines Energiespeichermodells (BM) aus der Anzahl von für einen Streckenabschnitt (301, 302, 303, 304) des Fahrprofils (300) abgestimmten Varianten gewählt wird, insbesondere abhängig von der Antriebsart (AA) des Schienenfahrzeugs und/oder Betriebsmodus (500) des Hybridantriebs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeichermodell (BM) abgestimmt ist auf eine Gruppe von Energiespeichermoden (530) bestehend aus: Ruhezustand (531), Entladen (532), Laden (533).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass für einen Betriebsmodus des Hybridantriebs das Verhältnis von Anteilen einer Brennkraftmaschine (210) und eines Elektromotors (220) an einer Gesamtleistung des Hybridantriebs (200) variabel adaptierbar ist, insbesondere prädiktiv adaptierbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis eines Energiespeichermodells (BM) ein Prädiktionshorizont vorgegeben wird, insbesondere ein Prädiktionshorizont (modHOR(SPL)) zur Energiespeicherführung unabhängig von einem Prädiktionshorizont (modHOR(SPL)) einer Antriebsart vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass eine Optimierung von Energiespeicherparametern für eine Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers (230) und einen Prädiktionshorizont (modHOR(SPL)) auf Basis eines Energiespeichermodells BM erfolgt, insbesondere unter Zugrundelegung von Batteriestatus-Ist-Werten (BS(IST)) des Batterie-Management-Steuergerät (5, BMS), insbesondere eines SOC-, SOH- und/oder RI-Wertes.
Steuereinrichtung (100) zur prädiktiven Steuerung eines Hybridantriebs (200) für ein Schienenfahrzeug (1000), insbesondere mit einer Zugsteuerung (110) mit einem prädiktiven Bahn-Hybrid-Controller (120), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
Hybridantrieb (200) für ein Schienenfahrzeug (1000), insbesondere Schienenfahrzeug mit einem Hybridantrieb, mit einer Steuereinrichtung nach Anspruch 12.