DE102014215536A1 - Bordnetzanordnung und Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels mit einer Brennstoffzelle - Google Patents

Bordnetzanordnung und Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels mit einer Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Es werden eine Bordnetzanordnung und ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
– Ermitteln einer aktuellen elektrischen Leistungsaufnahme einer Komponente mit dynamischem Leistungsaufnahmeverhalten zu einem ersten Zeitpunkt,
– Bereitstellen eines Basiswertes durch Glätten des Leistungsaufnahmeverhaltens über der Zeit,
– Definieren einer Leistungsreserve (Pres) für die Komponente durch Addieren eines statischen Leistungsoffsets zu dem Basiswert, und
– Begrenzen einer für eine Traktionsmaschine des Fortbewegungsmittels verfügbaren Bordnetzleistung zum Bereitstellen der definierten Leistungsreserve für die Komponente.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Inselnetzanordnung, im Folgenden „Bordnetzanordnung“, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Inselnetzes, im Folgenden „Bordnetz“ genannt, eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Leistungsmanagement beim Vorhandensein dynamischer Leistungsverbraucher in einem Inselnetz/Bordnetz.
  • Die Elektrifizierung des Personenindividualverkehrs schreitet derzeit rasch voran. Ein Konzept zur Versorgung von Fahrzeugen und anderen Fortbewegungsmitteln mit elektrischer Energie basiert auf dem Einsatz von Brennstoffzellen. Diese werden beispielsweise mittels eines Turboverdichters, Kompressors oder Gebläse, welches elektrisch angetrieben wird, mit Frischluft und somit Sauerstoff versorgt. Sofern eine hohe Leistungsabgabe der Brennstoffzelle erforderlich ist, muss eine hohe Drehzahl des Turboverdichters hergestellt werden, was beispielsweise unter Verwendung im Bordnetz elektrochemisch gespeicherter Energie (z. B. in einer Batterie) erfolgt. Für dynamische Vorgänge ist also eine bestimmte Leistungsfähigkeit für dynamische Komponenten (z.B. den Turboverdichter) bereitzuhalten. Dieser Anteil kann folglich nicht zum elektrischen Fahren bzw. Boosten des Fahrzeuges genutzt werden, ohne dass vom Fahrer bemerkbare Einbußen des Drehmomentes die Folge sind.
  • DE 10 2007 036 665 A1 offenbart ein Verfahren zur situationsgerechten Anpassung der Leistungsfähigkeit eines elektrischen Bordnetzes, bei welchem die vom Bordnetz bereitzustellende Leistung für die elektromechanischen Verbraucher des Bordnetzes in Abhängigkeit von der tatsächlich benötigten elektrischen Leistung durch Adaption der Mindestspannung des Bordnetzes vorgegeben wird. Zur Sicherstellung des Bordnetzbetriebes wird eine Worst-Case-Betrachtung der umsetzbaren Maximalleistung der Verbraucher vorgenommen und die Bordnetzspannung entsprechend eingestellt. Für sprungartig ansteigende Leistungsniveaus wird eine Wahrscheinlichkeitsbetrachtung vorgeschlagen, um die Wahrscheinlichkeit einer Überbelastung des Bordnetzes zu verringern.
  • DE 198 10 467 C1 offenbart ein Hybrid-Antriebskonzept für Brennstoffzellenfahrzeuge, bei welchem zwei separate, mit Schaltvorrichtungen versehene Stromkreise zur wahlweisen Verbindung des Elektrofahrmotors oder der elektrischen Nebenverbraucher mit einer Brennstoffzelle oder einem Energiespeicher vorgesehen sind. In Abhängigkeit der Schaltzustände können Nebenverbraucher, Energiespeicher und Brennstoffzellen den Fahrzeugbetriebszuständen entsprechend verschaltet werden.
  • DE 101 60 480 A1 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zur koordinierten Steuerung mechanischer, elektrischer und thermischer Leistungsflüsse in einem Kraftfahrzeug. Über Gütemaße werden hierbei unterschiedliche Formen elektrischer Leistungsreserven beschrieben und auf dieser Grundlage ein Soll-Betriebszustand für das Kraftfahrzeug bestimmt.
  • Es besteht Bedarf an verbesserten Verfahren für das Management von Leistungsreserven in Bordnetzen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Bordnetzanordnung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 12 gelöst. Das Verfahren dient dem Betreiben eines Bordnetzes eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels, welches beispielsweise eine Brennstoffzelle als Energiespeicher aufweist. In einem ersten Schritt wird eine aktuelle elektrische Leistungsaufnahme einer Komponente (z. B. ein Verbraucher) mit dynamischem Leistungsaufnahmeverhalten ermittelt. Ein derart dynamisches Leistungsaufnahmeverhalten zeigt insbesondere ein Turboverdichter für eine Brennstoffzelle. Die hohe Drehzahl und Beschleunigung und die hierbei zu beschleunigende Masse sorgen in Verbindung mit der Ausgangsleistung des Turboverdichters auch für hohe dynamische Vorgänge im elektrischen Bordnetz. In einem zweiten Schritt wird ein Basiswert für das Leistungsaufnahmeverhalten der Komponente bereitgestellt, indem das Leistungsaufnahmeverhalten über der Zeit geglättet wird. Mit anderen Worten wird eine Basiswertfunktion („zeitveränderlicher Basiswert“) durch Glätten des Leistungsaufnahmeverhaltens der Komponente bereitgestellt. Anschließend wird eine Leistungsreserve für die Komponente durch Addieren eines statischen Leistungsoffsets zu dem zuvor ermittelten Basiswert definiert. Auf diese Weise wird die Leistungsaufnahme des Turboverdichters für den stationären Betriebsfall durch den Basiswert repräsentiert und die Leistungsaufnahme für dynamische Vorgänge des Turboverdichters auf dem elektrischen Bordnetz durch den Leistungsoffsets berücksichtigt und vorgehalten.
  • Anschließend wird eine für eine Traktionsmaschine des Fortbewegungsmittels verfügbare Bordnetzleistung zum Bereitstellen der definierten Leistungsreserve begrenzt. Beispielsweise kann die Traktionsmaschine des Fortbewegungsmittels derart angesteuert werden, dass ihre Leistungsaufnahme die für die Komponente verfügbare Bordnetzleistung nicht unter die definierte Leistungsreserve absenkt. Die verfügbare Bordnetzleistung kann beispielsweise im Wesentlichen durch einen elektrochemischen Energiespeicher bereitgestellt werden, der die für die Komponente erforderliche elektrische Leistung im Wesentlichen unverzüglich zur Verfügung stellen kann. Beispielsweise weisen herkömmliche Batterien ein entsprechendes Klemmenverhalten auf. Erfindungsgemäß wird beispielsweise das Anfahren eines Turboverdichters zum Betrieb einer Brennstoffzelle ermöglicht, ohne dass sich hierbei eine Verzögerung aufgrund einer zu geringen verfügbaren elektrischen Leistung ergibt. Dies verbessert das dynamische Verhalten beispielsweise mittels Brennstoffzellen angetriebener Fortbewegungsmittel.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Bevorzugt kann zu einem zweiten Zeitpunkt erkannt werden, dass die aktuelle elektrische Leistungsaufnahme der Komponente größer ist als die Leistungsreserve. Im Ansprechen darauf kann die Leistungsreserve mindestens auf einen solchen Wert erhöht werden, welcher der aktuellen elektrischen Leistungsaufnahme der Komponente zum zweiten Zeitpunkt entspricht. Beispielsweise kann hierzu die elektrische Leistungsaufnahme einer elektrisch angetriebenen Traktionsmaschine des Fortbewegungsmittels limitiert werden. Je nach Betriebszustand weiterer elektrischer Verbraucher kann auch deren elektrische Leistungsaufnahme zur Erhöhung der Leistungsreserve verringert oder ausgesetzt werden.
  • Zur Vermeidung einer zu geringen Leistungsreserve kann der Basiswert an denjenigen Punkten korrigiert werden, an welchen die aktuelle elektrische Leistungsaufnahme der Komponente zu dem zweiten Zeitpunkt größer als die Leistungsreserve ist bzw. war. Auf diese Weise kann für die Zukunft ein korrigierter Basiswert zur Verfügung gestellt werden, der in Verbindung mit einem statischen Leistungsoffset als zukünftige Leistungsreserve definiert wird. Auf diese Weise kann noch zuverlässiger die erforderliche elektrische Leistungsfähigkeit des Bordnetzes zum Betrieb der Komponente sichergestellt werden.
  • Weiter bevorzugt kann das Verfahren ein Erkennen eines stationären Betriebszustandes der Komponente umfassen, wobei der Betriebszustand insbesondere durch einen maximalen Betriebspunkt des Systems (z.B. max. Drehzahl oder Leistungsabgabe der Brennstoffzelle, i.A. kleiner als maximale elektrische Leistungsaufnahme) der Komponente gekennzeichnet ist. Mit anderen Worten wird ein Betriebspunkt „gesucht“, in dem keine weiteren dynamischen Vorgänge auftreten werden, welche eine höhere elektrische Leistung benötigen, als die aktuelle Leistungsaufnahme der Komponente. Im Ansprechen auf das Erkennen des stationären Betriebszustandes kann die Leistungsreserve für die Komponente reduziert werden. Dies kann beispielsweise durch ein Reduzieren des statischen Offsets und/oder des Basiswertes erfolgen. Der stationäre Betriebszustand der Komponente ist insbesondere bei einer maximalen Drehzahl eines Turboverdichters für eine Brennstoffzelle erreicht, da Beschleunigungsvorgänge, welche zusätzliche Energie erfordern, zu diesem Zeitpunkt abgeklungen sind. Ein solcher Betriebszustand ist insbesondere mit einer maximalen elektrischen Abgabeleistung einer zugeordneten Brennstoffzelle verbunden, sodass eine weitere Erhöhung der erforderlichen Leistung nicht möglich ist. Beispielsweise bei einem andauernden Beschleunigungszustand des Fortbewegungsmittels kann die durch Reduzieren der Leistungsreserve freigewordene Leistung zum elektrischen Antrieb des Fortbewegungsmittels verwendet werden. Auf diese Weise kann das Fahrverhalten des Fortbewegungsmittels agiler gestaltet werden, als dies gemäß dem Stand der Technik möglich ist.
  • Das Reduzieren der Leistungsreserve im stationären Betriebszustand der Komponente kann beispielsweise schrittweise über der Zeit erfolgen. Beispielsweise können unterschiedliche (abnehmende) Prozentsätze einer anfänglich vorgehaltenen Leistungsreserve zu vordefinierten Zeitpunkten/Zeitschritten realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Reduzieren der Leistungsreserve nach einer vordefinierten Zeitdauer seit dem Erkennen des stationären Betriebszustandes erfolgen. Die Reduzierung der Leistungsreserve kann zudem kontinuierlich vorgenommen werden, um die beispielsweise für eine Traktionsmaschine des Fortbewegungsmittels freigegebene Leistung nicht zu für den Fahrer merklichen Schwankungen des Antriebsmomentes führen zu lassen.
  • Die Komponente kann beispielsweise ein Klimakompressor, ein Turboverdichter, ein Schraubenverdichter, ein Hydraulik-Aggregat, eine (elektrische) Heizung, ein Elektromotor, eine Leistungselektronik oder ein Ladegerät sein. Die vorgenannten Beispiele stellen Bordnetzverbraucher dar, welche eine mitunter erhebliche Leistung vergleichsweise dynamisch entfalten beziehungsweise abrufen können. Hier kann das erfindungsgemäße Verfahren einen sicheren Betrieb der Komponente ohne Komforteinbußen ermöglichen.
  • Beim Glätten des Leistungsaufnahmeverhaltens über der Zeit zur Erstellung des Basiswertes/der Basisfunktion können Flankensteilheiten reduziert werden. Besonders bevorzugt können die ansteigenden Flanken anders geglättet werden, als die abfallenden Flanken. Wird beispielsweise ein Abschnitt mit positiven Gradienten weniger stark geglättet, um einen besonders dynamischen Anstieg des Leistungsaufnahmeverhaltens beziehungsweise des aus ihm ermittelten Basiswertes besonders gut abzubilden, können Abschnitte mit negativem Gradienten weniger stark geglättet werden, um im Falle sinkender Leistungsaufnahme zunächst eine erhöhte Leistungsreserve bereitzuhalten, bevor offensichtlich stark veränderliche Vorgänge auf dem Bordnetz abgeklungen sind. Auch andere Filterungs- bzw. „Glättungsvarianten“ können erfindungsgemäß verwendet werden.
  • Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Definition einer Leistungsreserve kann beispielsweise in einem ersten Betriebszustand des Bordnetzes vorgenommen und in einem zweiten Betriebszustand, der dem ersten Betriebszustand ähnlich oder identisch ist, angewendet werden. Beispielsweise können hierzu die Messdaten Leistungsaufnahmen und Leistungsaufnahmecharakteristiken einzelner Verbraucher und/oder Kenntnisse über zu erwartende Vorgänge auf dem Bordnetz herangezogen werden. Ergibt ein Vergleich mit in einem Datenspeicher vorgehaltenen ersten Betriebszuständen, für welche eine Leistungsreserve erfindungsgemäß ermittelt wurde, dass ein aktueller Betriebszustand ähnlich oder identisch ist, kann der Puffer bereits vor dem Eintritt entsprechender Leistungsverhältnisse an diese angepasst werden, um einen sicheren Betrieb elektrisch dynamischer Komponente ohne Komforteinbußen zu ermöglichen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Bordnetzanordnung für ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel vorgeschlagen. Die Bordnetzanordnung umfasst mindestens eine Komponente mit dynamischem Leistungsaufnahmeverhalten (z. B. ein Turboverdichter einer Brennstoffzelle des Fortbewegungsmittels), mindestens eine elektrische Energiequelle oder Energiewandler zur Versorgung des Bordnetzes (z. B. eine Traktionsbatterie/eine Starterbatterie, Brennstoffzelle), mindestens einen Energieverbraucher (z.B. Traktionsmotor), eine Verarbeitungseinheit (beispielsweise ein elektrisches Steuergerät umfassend einen Mikrocontroller) und eine Erfassungseinheit zur Erfassung elektrischer Vorgänge auf dem Bordnetz beziehungsweise in seinen Komponenten. Auch die Erfassungseinheit kann als elektrisches Steuergerät ausgeführt und beispielsweise in einer räumlichen Einheit mit der Verarbeitungseinheit ausgeführt sein. Durch die vorstehend genannte Hardware ist die Bordnetzanordnung eingerichtet, ein Verfahren gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt auszuführen. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel (z. B. ein Fahrzeug, bevorzugt ein PKW, ein Transporter oder ein LKW) vorgeschlagen, welches eine Bordnetzanordnung gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt umfasst. Insbesondere für den Fall, dass das Fortbewegungsmittel eine Brennstoffzelle als Traktionsenergiequelle und einen elektrochemischen Energiespeicher zur Stützung des Bordnetzes umfasst, kann die Leistungsfähigkeit eines zum Betrieb der Brennstoffzelle verwendeten Turboverdichters erfindungsgemäß sichergestellt und die Agilität des Fortbewegungsmittels erhöht werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
  • 1 eine Prinzipskizze einer Bordnetzanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ein Drehzahl-Zeit- bzw. Leistungs-Zeitdiagramm veranschaulichend die Betriebsweise eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Bordnetzanordnung;
  • 3 ein Leistungszweigdiagramm veranschaulichend Leistungsflüsse bei einem Beispiel eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels gemäß dem Stand der Technik;
  • 4 ein Leistungszweigdiagramm veranschaulichend Leistungsflüsse bei einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels;
  • 5 und 6 Leistungs-Zeitdiagramme veranschaulichend die Zusammenhänge zwischen Momentanleistungen, einem Basiswert, einem statischen Offset und einem angepassten Basiswert;
  • 7 ein Leistungs-Zeitdiagramm, veranschaulichend einen Glättungsvorgang; und
  • 8 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt eine schematische Skizze einer Bordnetzanordnung 10, welche durch eine Batterie 3 als elektrochemischen Energiespeicher und eine Brennstoffzelle 1 mit elektrischer Energie versorgt wird. Über elektrische Leitungen 4 sind eine Traktionsmaschine 5, eine Heizeinrichtung 6 und eine Klimaanlage 7 elektrisch mit der Brennstoffzelle 1 und der Starterbatterie 3 verbunden. Zum Betrieb der Brennstoffzelle 1 ist ein elektrischer Turboverdichter 2 als Komponente mit dynamischem Leistungsaufnahmeverhalten vorgesehen. Der Turboverdichter 2 wird ebenfalls über die elektrischen Leitungen 4 mit elektrischer Energie versorgt.
  • 2 zeigt anhand eines Leistungs-Zeitdiagramms einen Zustand zunehmender Leistungsabgabe einer Brennstoffzelle, wobei die steigende Drehzahl n (in Prozent) für den Turboverdichter der Brennstoffzelle über der Zeit t aufgetragen ist. Zusätzlich ist die elektrische Leistungsaufnahme PTV (in Prozent) für den Turboverdichter über der Zeit t aufgetragen. Aufgrund abklingender dynamischer Vorgänge bei der Drehzahlerhöhung des Turboverdichters nimmt die Leistungsaufnahme PTV nach dem Erreichen einer maximalen elektrischen Leistungsaufnahme PTVmax wieder ab, obwohl die absolute Drehzahl nTV zunächst noch weiter langsam zunimmt.
  • Gemäß dem Stand der Technik wurde die Betriebsbereitschaft des Turboverdichters durch Vorhalten der maximalen Leistungsaufnahme PTVmax sichergestellt. Diese maximale Leistungsaufnahme tritt jedoch nur in einem begrenzten Zeitraum auf. Der Leistungsvorhalt PRes,SdT wird jedoch über die gesamte Zeitdauer reserviert. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß der Leistungsvorhalt PRes dynamisch adaptiert, so dass sichergestellt ist, dass zu jedem Zeitpunkt ausreichend Leistungsreserven verfügbar sind. Durch die im Vergleich zum Stand der Technik geringeren reservierten Leistungsvorhalt (PRes,SdT > PRes), führt dies zu einer Erhöhung des Leistungspotentials des Traktionsantriebes Ptrak,zus. Da nach dem Erreichen der maximalen elektrischen Leistungsaufnahme PTVmax wie dargestellt eine geringere Leistungsaufnahme PTV zu erwarten ist, wird weiterhin erfindungsgemäß eine allmähliche Verringerung der Leistungsreserve Pres vorgenommen. Nach dem Erreichen einer maximalen Leistung PTV und dem Erkennen eines (lokal) stationären Betriebspunktes wird die Leistungsreserve Pres für eine vordefinierte Zeitdauer td aufrecht erhalten und erst anschließend abgebaut, um der Traktionsmaschine zusätzliche Leistung Ptraktzus bereitzustellen. Die Leistungsreserve Pres stellt die Differenz zwischen der für den Turboverdichter bereitgestellten Pufferleistung Pp und der tatsächlich vom Turboverdichter aufgenommenen Leistung PTV dar. Zwischen der maximalen Leistungsaufnahme PTVmax und der Leistung Pp ergibt sich somit eine erfindungsgemäß mobilisierte Leistungsreserve Ptraktzus, welche beispielsweise einer Traktionsmaschine eines Fortbewegungsmittels zur Verfügung gestellt werden kann. Im Ergebnis ist insbesondere in Betriebszuständen der elektrischen Komponente, in welchen keine weitere Erhöhung ihrer elektrischen Leistungsaufnahme zu erwarten ist, eine erhöhte Agilität des Fortbewegungsmittels sichergestellt. Mit anderen Worten können Volllastzustände (starke Beschleunigung oder Fahrten bei besonders hoher Geschwindigkeit) vorteilhaft beeinflusst werden.
  • 3 zeigt den Leistungsfluss einer im Bordnetz zur Verfügung gestellten Leistung PB, deren Großteil Ptrakt einer Traktionsmaschine 5 eines Fortbewegungsmittels zugeführt wird. Wie im Stand der Technik üblich wird ein fester Anteil PTVmax für die Verwendung durch den Turboverdichter 2 reserviert. Sofern dieser nicht die volle Leistung PTVmax, sondern lediglich eine anteilige aktuelle Leistung PTV aufnimmt, liegt eine Leistungsreserve Pres brach. Diese darf gemäß dem Stand der Technik nicht für die Traktionsmaschine 5 verwendet werden.
  • 4 zeigt einen gegenüber 3 erfindungsgemäß modifizierten Leistungsfluss nach abklingen aller lokalen (soll bedeuten, alle hierfür relevanten dyn. Vorgänge) dynamischen Vorgänge einer im Bordnetz zur Verfügung gestellten Leistung PB, wobei die vom Turboverdichter 2 aufgenommene elektrische Leistung PTV gegenüber 3 unverändert ist. Die Leistungsreserve Pres jedoch fällt erfindungsgemäß deutlich kleiner aus, weshalb der Traktionsmaschine 5 zusätzliche Leistung Ptraktzus bereitgestellt werden kann. Entsprechend können Beschleunigungsvorgänge und andere hohe Lastzustände besser bewältigt werden.
  • 5 veranschaulicht einen erfindungsgemäßen Vorgang bei der Erstellung einer erfindungsgemäßen Leistungsreserve Pp1. Hierbei wird eine aktuelle Leistungsaufnahme PTV eines Turboverdichters über der Zeit geglättet, wobei die erzeugte Basiswertfunktion Pbas1 bzw. der erzeugte Basiswert insbesondere der "Grundlinie" der Leistung PTV folgt. Auf diese Basiswertfunktion Pbas1 wird ein über der Zeit im Wesentlichen konstanter Offset Poff addiert. Das Ergebnis ist als Pp1 wiedergegeben. Erkennbar ist der Leistungsbedarf PTV des Turboverdichters in den Bereichen 8, 9 größer als der bereitgehaltene Puffer Pp1.
  • 6 zeigt eine erfindungsgemäße Maßnahme zur Vermeidung des in 5 veranschaulichten Problems. Hierbei wird der Basiswert Pbas1 in den Bereichen 8, 9 entsprechend der Differenz zwischen der Leistung PTV und dem Leistungsvorhalt Pp1 angehoben. Das Ergebnis ist als Pbas2 dargestellt. Wird der modifizierte Basiswert Pbas2 um den aus 5 bekannten stationären Offset Poff auf eine modifizierte bereitgehaltene Leistung Pp2 erhöht, können sämtliche Bereiche der Leistung PTV des Turboverdichters unverzüglich aus dem Bordnetz bereitgestellt werden, ohne hierzu zuvor die Leistungsaufnahme anderer Verbraucher reduzieren zu müssen.
  • 7 zeigt eine Möglichkeit zur Reduzierung der für den Turboverdichter reservierten Leistung Pp.. Es ergibt sich eine vergrößerte erfindungsgemäß freigegebene Leistung Ptraktzus gegenüber der im Stand der Technik bereitgehaltenen maximalen Leistungsaufnahme PTVmax des Turboverdichters.
  • 8 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Schritt 100 wird das Leistungsaufnahmeverhalten eines Turboverdichters zu einem ersten Zeitpunkt ermittelt. Dies kann beispielsweise durch Messung eines Stroms durch den Turboverdichter in Kenntnis der Bordnetzspannung/Inselnetzspannung geschehen. In Schritt 200 wird überprüft, ob der Leistungsgradient der Leistung des Turboverdichters kleiner als 0 ist. Ist dies der Fall (Y), wird in Schritt 300 die Leistung des Turboverdichters durch einen Filter mit einer Zeitkonstante t1 geglättet, um einen Basiswert zu erstellen beziehungsweise zu korrigieren. Ist der Leistungsgradient nicht kleiner als 0 (N), wird in Schritt 400 ein Filter mit einer Zeitkonstante t2 zur Glättung der Leistung des Turboverdichters verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel ist t1 < t2. In Schritt 500 wird anschließend überprüft, ob die aufgenommene elektrische Leistung des Turboverdichters stationär ist. Ist dies der Fall (Y), wird in Schritt 600 der Leistungsvorhalt Pres reduziert und Bordnetzleistung für anderweitige Verbraucher (z. B. eine Traktionsmaschine) mobilisiert. Ist die Leistung jedoch nicht stationär (N), wird in Schritt 700 der Leistungsvorhalt Pres auf einen zuvor definierten Maximalwert (oder Normalwert bzw. Defaultwert) erhöht und hierzu gegebenenfalls die Leistungsaufnahme übriger Verbraucher im Bordnetz reduziert. In Schritt 800 wird anschließend der Puffer entsprechend festgelegt. Beispielsweise wird auf den in den Schritten 300 und 400 ermittelten Basiswerten ein zuvor in den Schritten 600 bzw. 700 ermittelter statischer Offset addiert, um den Leistungsvorhalt über der Zeit zu definieren.
  • In Schritt 900 wird überprüft, ob die aktuelle Leistungsaufnahme des Turboverdichters größer als die für den Turboverdichter reservierte elektrische Leistung ist. Mit anderen Worten wird überprüft, ob die für eine Soll-Ausgangsleistung des Turboverdichters erforderliche elektrische Leistung an dessen Klemmen bereitgestellt wird. Ist dies nicht der Fall, wird in Schritt 1000 der in Schritt 800 festgelegte Leistungsvorhalt korrigiert.
  • Hierbei kann der in den Schritten 300 bzw. 400 festgelegte Basiswert an Zeitpunkten unzureichender Leistungsreserve derart erhöht werden, dass er sich aus dem Leistungswert des Turboverdichters vermindert um den statischen Offset ergibt. Mit anderen Worten wird der Leistungsvorhalt automatisch auf einen der aktuellen elektrischen Leistungsaufnahme des Turboverdichters entsprechenden Wert erhöht. Wird in Schritt 900 hingegen ermittelt, dass die vorgehaltene Leistung gleich oder größer als der aktuelle Leistungsbedarf des Turboverdichters ist, endet das Verfahren in Schritt 1100.
  • Um der Dynamik des Turboverdichters zum Betrieb einer Brennstoffzelle Rechnung zu tragen, ist ein Puffer vorgesehen. In diesem Zusammenhang haben die Erfinder festgestellt, dass ein statischer Puffer zwar helfen kann, den Leistungsbedarf des Turboverdichters zuverlässig zu stillen. Auf der anderen Seite wurde jedoch auch erkannt, dass ein derart ausgestaltetes Bordnetz hinter den theoretischen Möglichkeiten (beispielsweise zum Batterieboosten des Fahrzeuges) zurückbleibt. Daher findet erfindungsgemäß der Vorhalt bevorzugt nur dann statt, wenn die maximale Leitung der Brennstoffzelle noch nicht erreicht ist. Erst bei maximaler Leistung sind keine dynamischen Vorgänge durch den Turboverdichter mehr abzusehen und der Leistungsvorhalt kann reduziert werden. Wird von der Brennstoffzelle zu einem späteren Zeitpunkt weniger Leistung als die Maximalleistung gefordert, kann zur Vorbereitung etwaiger dynamischer Vorgänge der Leistungsvorhalt wieder erhöht werden.
  • Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzelle
    2
    Turboverdichter
    3
    Batterie
    4
    Elektrische Leitungen
    5
    Traktionsmaschine
    6
    Heizung
    7
    Klimaanlage
    8, 9
    Problematische Leistungsbereiche
    10
    Bordnetz
    100–1100
    Verfahrensschritte
    Pres
    Leistungsreserve für dynamische Vorgänge des Turboverdichters
    Pp
    Für den Turboverdichter vorgehaltene Leistung
    PTVmax
    Maximale Leistungsaufnahme des Turboverdichters
    Ptraktzus
    Zusätzliche für die Traktionsmaschine zur Verfügung stehende Leistung Drehzahl
    nTV
    Drehzahl des Turboverdichters
    PB
    Bordnetzleistung
    Ptrakt
    Leistung der Traktionsmaschine
    Pbas1,2
    Basiswerte, Basiswertfunktionen
    Poff
    Leistungsoffset
    td
    Vordefinierte Zeitverzögerung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • DE 10160480 A1 [0005]

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Inselnetzes, insbesondere eines Bordnetzes (10) eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels umfassend die Schritte: – Ermitteln (100) einer aktuellen elektrischen Leistungsaufnahme einer Komponente (2) mit dynamischem Leistungsaufnahmeverhalten zu einem ersten Zeitpunkt, – Bereitstellen (300, 400) eines Basiswertes durch Glätten des Leistungsaufnahmeverhaltens über der Zeit, – Definieren (800) einer Leistungsreserve (Pres) für die Komponente durch Addieren eines statischen Leistungsoffsets zu dem Basiswert, und – Begrenzen (1000) einer für eine zweite Komponente, insbesondere eine Traktionsmaschine des Fortbewegungsmittels, verfügbaren Bordnetzleistung zum Bereitstellen der definierten Leistungsreserve für die Komponente (2).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend – Erkennen, dass die aktuelle elektrische Leistungsaufnahme der Komponente (2) zu einem zweiten Zeitpunkt größer ist als die Leistungsreserve, und im Ansprechen darauf – Erhöhen (1100) der Leistungsreserve mindestens auf einen Wert entsprechend der aktuellen elektrischen Leistungsaufnahme der Komponente (2) zu dem zweiten Zeitpunkt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, weiter umfassend – Korrigieren des Basiswertes an denjenigen Punkten, an welchen die aktuelle elektrische Leistungsaufnahme der Komponente zu dem zweiten Zeitpunkt größer ist als die Leistungsreserve.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, weiter umfassend – Verwenden des korrigierten Basiswertes in einem späteren dritten Zeitpunkt als Basiswert.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend – Erkennen (500) eines stationären Betriebszustandes der Komponente (2), in welchem die Komponente eine maximale elektrische Leistung aufnimmt, und im Ansprechen darauf – Reduzieren der Leistungsreserve (600), insbesondere auf die aktuell von der Komponente aufgenommene elektrische Leistung.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Reduzieren der Leistungsreserve schrittweise über der Zeit erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Reduzieren der Leistungsreserve nach einer vordefinierten Zeitdauer (td) seit dem Erkennen des stationären Betriebszustandes erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, wobei das Reduzieren der Leistungsreserve kontinuierlich erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Komponente (2) aus der folgenden Liste ausgewählt ist: – Klimakompressor, – Turboverdichter, – Schraubenverdichter, – Hydraulik-Aggregat, – (PTC-)Heizung, – Elektromotor, – Leistungselektronik, – Ladegerät.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – das Inselnetz durch eine Brennstoffzelle (1) mit elektrischer Energie versorgt wird, und – die elektrische Komponente (2) ein Nebenaggregat der Brennstoffzelle (1), insbesondere in Form eines Turboverdichters, umfasst.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Glätten Flankensteilheiten des Leistungsaufnahmeverhaltens über der Zeit reduziert werden und insbesondere Abschnitte mit positivem Gradienten weniger stark geglättet werden als Abschnitte mit negativem Gradienten.
  12. Inselnetzanordnung für ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel umfassend: – eine Komponente (2) mit dynamischem Leistungsaufnahmeverhalten, – eine elektrische Energiequelle (1) zur Versorgung des Inselnetzes (10), – eine Verarbeitungseinheit, und – eine Erfassungseinheit, wobei die Inselnetzanordnung eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  13. Elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel, insbesondere ein Fahrzeug, bevorzugt ein PKW oder ein Transporter oder ein LKW, umfassend eine Inselnetzanordnung nach Anspruch 12.
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