DE102016007545A1

DE102016007545A1 - Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102016007545A1
Application number: DE102016007545.7A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dietzel; Robert Beyer; Isabel Beyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-18
Also published as: DE102016007545B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Fahrzeugs (10), mit den Schritten: Bereitstellen von elektrischer Energie für einen oder mehrere Elektromotoren (12) des Fahrzeugs (10) durch einen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher (14), Ermitteln eines zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs (10) und Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher (14) durch eine Brennstoffzelle (16), wenn der zu erwartende Energiebedarf des Fahrzeugs (10) einen Energiebedarfsgrenzwert überschreitet. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug (10), welches dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren auszuführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Fahrzeugs und ein Fahrzeug.
Zur Reduzierung der von einem Fahrzeug verursachten Kohlenstoffdioxid-Emissionen sowie zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs eines Fahrzeugs sind im Stand der Technik bereits verschiedene Antriebskonzepte bekannt.
Neben Hybridfahrzeugen, welche sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen oder mehrere Elektromotoren zum Antreiben des Fahrzeugs aufweisen, sind ebenfalls Fahrzeugkonzepte bekannt, welche auf den Einsatz eines Verbrennungsmotors verzichten.
Bei Fahrzeugen ohne Verbrennungsmotor werden zur Bereitstellung von elektrischer Energie zum Antreiben des Fahrzeugs insbesondere zwei Konzepte verfolgt.
Bei einem ersten Konzept werden ausschließlich wiederaufladbare elektrische Energiespeicher als Energiequelle verwendet. Dieses Konzept hat jedoch den Nachteil, dass die maximale Reichweite des Fahrzeugs maßgeblich von der Energiespeicherkapazität des verwendeten wiederaufladbaren Energiespeichers abhängt. Die Steigerung der Energiespeicherkapazität geht jedoch mit einer Steigerung des Speichergewichts sowie dessen Bauvolumen einher. Ein hohes Speichergewicht wirkt sich wiederum negativ auf die Reichweite eines Fahrzeugs aus. Ferner ist der zur Verfügung stehende Bauraum in einem Fahrzeug begrenzt.
In einem zweiten Konzept wird eine Brennstoffzelle als Energiequelle eingesetzt. Bei bekannten Lösungen dient die Brennstoffzelle als primäre Energiequelle für den einen oder die mehreren Elektromotoren des Fahrzeugs. Üblicherweise wird die Brennstoffzelle mit einem elektrischen Energiespeicher mit einer geringen Energiespeicherkapazität kombiniert. Der elektrische Energiespeicher dient bei den bekannten Lösungen jedoch lediglich als Puffer zwischen der Brennstoffzelle und dem einen oder den mehreren Elektromotoren des Fahrzeugs.
Bei diesem Konzept kommt es bei den einzelnen Komponenten jedoch zu einer erheblichen Wärmeentwicklung. Um dieser Wärmeentwicklung zur Vermeidung von Beschädigungen und Leistungsverlusten entgegenzuwirken, sind beispielsweise große Lufteinlässe zur Umsetzung einer Kühlwirkung notwendig. Diese führen jedoch zu einem erhöhten Luftwiderstand des Fahrzeug und sind aus diesem Grund zur Optimierung des Energiebedarfs zu vermeiden. Außerdem ist die Fertigung solcher Antriebseinheiten aufwändig und führt letztendlich zu einem hohen Fahrzeugpreis, wodurch die Attraktivität des Fahrzeugs aus Sicht vieler Kaufinteressenten erheblich gesenkt wird.
Außerdem unterliegen moderne Fahrzeuge, beispielsweise aufgrund der Fahrtstrecke oder des Fahrverhalten des Fahrzeugführers, erheblichen Energiebedarfsschwankungen. Diese Energiebedarfsschwankungen können bei den bekannten Lösungen durch den als Puffer eingesetzten elektrischen Energiespeicher nicht aufgefangen werden, sodass es während des Fahrbetriebs zu einer stark schwankenden Beanspruchung der Brennstoffzelle kommt. Solche schwankenden Beanspruchungen begünstigen den Alterungsprozess des Anodenmaterials und führen zu Leistungsbeeinträchtigungen.
Darüber hinaus besteht das Problem, dass die maximale Reichweite der oben beschriebenen Fahrzeuge aufgrund der begrenzten Anzahl von geeigneten Aufladestationen eine hohe Sorgfalt bei der Streckenplanung erfordert. Der Fahrzeugführer wird somit in seiner Unabhängigkeit bei der Streckenwahl erheblich eingeschränkt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe liegt somit in der Bereitstellung einer Möglichkeit, die Reichweite eines emissionslosen Fahrzeugs zu steigern, sodass die Abhängigkeit des Fahrzeugführers von dem Netz der vorhandenen Aufladestationen reduziert wird.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, wobei das Verfahren das Bereitstellen von elektrischer Energie für einen oder mehrere Elektromotoren des Fahrzeugs durch einen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher, das Ermitteln eines zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs und das Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher durch eine Brennstoffzelle, wenn der zu erwartende Energiebedarf des Fahrzeugs einen Energiebedarfsgrenzwert überschreitet, umfasst.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass eine erhebliche Steigerung der Reichweite dadurch erreicht werden kann, dass ein wiederaufladbarer elektrischer Energiespeicher mit einer relativ hohen Energiespeicherkapazität als Primärenergiequelle für den einen oder die mehreren Elektromotoren des Fahrzeugs genutzt wird und gleichzeitig eine Brennstoffzelle mit einer vergleichsweise geringen Ladeleistung zur Reichweitensteigerung zum Einsatz kommt. Durch die vergleichsweise geringe Ladeleistung der Brennstoffzelle wird eine übermäßige Wärmeentwicklung vermieden. Die Ermittlung des zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs erlaubt außerdem eine reichweitenoptimierte Nutzung der Brennstoffzelle. Der dem elektrischen Energiespeicher von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellte Ladestrom kann somit innerhalb eines Bereichs betrieben werden, in welchem die Brennstoffzelle einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Somit ist die Beanspruchung der Brennstoffzelle auch nicht mehr von der Fahrtstrecke oder dem Fahrverhalten des Fahrzeugführers abhängig, wodurch eine Beeinträchtigung der Lebensdauer und der Leistung der Brennstoffzelle durch schwankende Beanspruchungen vermieden wird. Durch eine geeignete Auswahl des elektrischen Energiespeichers und der Brennstoffzelle können beispielsweise Reichweiten von mehr 1000 km erreicht werden.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle als Wasserstoff-Brennstoffzelle ausgeführt. Alternativ können jedoch auch Kohlenwasserstoffe, wie Methanol oder Ethanol, verwendet werden, welche den für den Betrieb der Brennstoffzelle notwendigen Wasserstoff durch eine chemische Reaktion zur Verfügung stellen. Es soll verstanden werden, dass der Energiebedarfsgrenzwert ein statischer oder ein dynamischer Wert sein kann. Grundsätzlich kann die Anpassung des Energiebedarfsgrenzwertes auch während der Fahrt und in Abhängigkeit der Fahrsituation und/oder der Betriebszustände einzelner Fahrzeugkomponenten erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs das Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des einen oder der mehreren Elektromotoren des Fahrzeugs und/oder das Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs einzelner oder sämtlicher Verbraucher von elektrischer Energie des Fahrzeugs. Der Energiebedarf des Fahrzeugs ist maßgeblich von dem Energiebedarf des einen oder der mehreren Elektromotoren abhängig. Jedoch kann sich eine nicht unerhebliche Steigerung des Energiebedarfs durch zusätzliche Verbraucher, wie der Klimaanlage, dem Infotainment-System, der Lichtanlage oder elektrischen Geräten zur Steigerung des Fahrkomforts, ergeben. Damit eine situationsadäquate und zugleich reichweitenoptimierte Aufladung des elektrischen Energiespeichers erfolgen kann, sind vorzugsweise sowohl der eine oder die mehreren Elektromotoren als auch andere Verbraucher elektrischer Energie des Fahrzeugs bei der Ermittlung des voraussichtlichen Energiebedarfs des Fahrzeugs zu berücksichtigen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird ferner dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass das Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher durch die Brennstoffzelle das Bereitstellen eines Ladestroms für den elektrischen Energiespeicher durch die Brennstoffzelle umfasst, wobei der Ladestrom einen Ladestromgrenzwert nicht überschreitet. Der Ladestromgrenzwert ist vorzugsweise an die Leistungscharakteristik der Brennstoffzelle und/oder des elektrischen Energiespeichers angepasst. Der Ladestromgrenzwert kann, analog zu dem Energiebedarfsgrenzwert, ein statischer oder ein dynamischer Wert sein. Grundsätzlich kann die Anpassung des Ladestromgrenzwertes auch während der Fahrt in Abhängigkeit der Fahrsituation und/oder der Betriebszustände einzelner Fahrzeugkomponenten erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Energieerzeugung über die Brennstoffzelle quasistatisch, sodass die dynamischen Beanspruchungen des elektrischen Energiespeichers den Ladevorgang durch die Brennstoffzelle nicht beeinflussen. Dies minimiert Alterungsprozesse in der Brennstoffzelle und führt gleichzeitig zu einer geringeren Wärmeentwicklung.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Ermitteln einer zu erwartenden Fahrtroute, wobei das Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs auf Grundlage der ermittelten Fahrtoute erfolgt. Das Ermitteln der zu erwartenden Fahrtroute erfolgt vorzugsweise über das Abrufen von Informationen von einem Navigationsgerät, wobei das Navigationsgerät ein fahrzeuginternes Navigationsgerät oder ein mobiles Endgerät, beispielsweise ein Smartphone oder Tablet, sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann die zu erwartende Fahrtroute auch aus den Fahrgewohnheiten abgeleitet werden und insbesondere das aktuelle Datum, die aktuelle Uhrzeit und/oder die aktuelle Fahrzeugposition berücksichtigen. Hierdurch können insbesondere regelmäßig gefahrene Fahrtrouten, wie beispielsweise die Fahrtroute zum Arbeitsplatz, ermittelt und bei der Ermittlung des zu erwartenden Energiebedarfs berücksichtigt werden.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren den Schritt des Ermittelns der Topographie der ermittelten Fahrtroute, wobei das Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs auf Grundlage der Topographie der ermittelten Fahrtroute erfolgt. Vorzugsweise werden zur Ermittlung der Topographie der ermittelten Fahrtroute zur Verfügung stehende Topographieinformationen verwendet, welche beispielsweise auf einem fahrzeuginternen Speicher gespeichert sind oder von einem Online-Dienst zur Verfügung gestellt werden. Die auf der Fahrtroute zu bewältigenden Steigungen können den Energiebedarf während der Fahrt erheblich beeinflussen, sodass die Berücksichtigung der Topographie der ermittelten Fahrtroute die Genauigkeit der Energiebedarfsermittlung beträchtlich steigern kann.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren den Schritt des Ermittelns der zulässigen Höchstgeschwindigkeiten auf der ermittelten Fahrtroute, wobei das Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs auf Grundlage der zulässigen Höchstgeschwindigkeiten auf der ermittelten Fahrtroute erfolgt. Vorzugsweise werden zur Ermittlung der zulässigen Höchstgeschwindigkeiten auf der ermittelten Fahrtroute zur Verfügung stehende Informationen über zu berücksichtigende Verkehrsregeln auf einer ausgewählten Fahrtroute verwendet, welche beispielsweise auf einem fahrzeuginternen Speicher gespeichert sind oder von einem Online-Dienst zur Verfügung gestellt werden. Mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit steigt der Energiebedarf des Fahrzeugs, sodass die zulässigen Höchstgeschwindigkeiten auf der ermittelten Fahrtroute einen Rückschluss auf den zu erwartenden Gesamtenergiebedarf erlauben.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren den Schritt des Ermittelns der zu erwartenden Fahrgeschwindigkeiten auf der ermittelten Fahrtroute, wobei das Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs auf Grundlage der zu erwartenden Fahrgeschwindigkeiten auf der ermittelten Fahrtroute erfolgt. Die zu erwartenden Fahrgeschwindigkeiten können aufgrund des persönlichen Fahrverhaltens des Fahrzeugführers, aufgrund von Umgebungsbedingungen, wie Regen, Schnee oder Außentemperatur, und/oder aufgrund von Verkehrsbehinderungen von den zulässigen Höchstgeschwindigkeiten abweichen. Die zu berücksichtigenden Verkehrsbehinderungen können beispielsweise durch einen Online Dienst abgerufen werden. Auf Grundlage der zu erwartenden Fahrgeschwindigkeiten kann somit der zu erwartende Energiebedarf mit einer höheren Präzision ermittelt werden.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren den Schritt des Ermittelns einer zu erwartenden Fahrdauer und/oder einer zu erwartenden Fahrdistanz, wobei das Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs auf Grundlage der zu erwartenden Fahrdauer und/oder der zu erwartenden Fahrdistanz erfolgt. Die Fahrdauer und/oder die Fahrdistanz können als Referenzwert für die Beanspruchungsdauer des elektrischen Energiespeichers und/oder der Brennstoffzelle dienen. Auf diese Weise können Ladezustände des elektrischen Energiespeichers und/oder der Brennstoffzelle bei Erreichen des Fahrtziels prognostiziert werden, wobei diese Prognose bei dem Aufladen des elektrischen Energiespeichers durch die Brennstoffzelle berücksichtigt werden kann.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Identifizieren des Fahrzeugführers, das Ermitteln des Fahrverhaltens des Fahrzeugführers und/oder das Bewerten der Energieeffizienz des Fahrverhaltens des Fahrzeugführers, wobei das Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs auf Grundlage des identifizierten Fahrzeugführers, des Fahrverhaltens des Fahrzeugführers und/oder der Energieeffizienz des Fahrverhaltens des Fahrzeugführers erfolgt. Das persönliche Fahrverhalten, insbesondere das Beschleunigungs- und Bremsverhalten sowie die bevorzugte Fahrgeschwindigkeit, hat einen erheblichen Einfluss auf den Energiebedarf des Fahrzeugs. Die Identifizierung des Fahrzeugführers kann beispielsweise über ein Benutzerkonto erfolgen, auf welches der Fahrzeugführer während der Fahrt zugreift. Alternativ oder zusätzlich kann die Identifikation des Fahrzeugführers auch über die Identifikation und Zuordnung eines mobilen Endgeräts erfolgen, welches der Fahrzeugführer mit sich führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in einer anderen Ausführungsform das Ermitteln des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers, das Ermitteln des Ladezustands eines Tanks der Brennstoffzelle und/oder das Anpassen des Energiebedarfsgrenzwerts. Vorzugsweise erfolgt die Anpassung des Energiebedarfsgrenzwerts auf Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers und/oder des Tanks der Brennstoffzelle. Der Tank der Brennstoffzelle kann mehrere Tankeinheiten umfassen, beispielsweise eine erste Tankeinheit zum Speichern von gasförmigem Wasserstoff und eine zweite Tankeinheit zum Speichern von flüssigem Wasserstoff. Die Ermittlung des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers und/der des Tanks der Brennstoffzelle ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine präzise Angabe über den zu erwartenden Energiebedarf des Fahrzeugs vorliegt. Die Ladezustände können somit mit dem zu erwartenden Energiebedarf abgeglichen werden, um die Betriebsparameter reichweitenoptimiert einzustellen.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dem elektrischen Energiespeicher durch eine oder mehrere fahrzeugeigene Energierückgewinnungseinrichtungen elektrische Energie bereitgestellt. Die eine oder die mehreren Energierückgewinnungseinrichtungen können beispielsweise eine oder mehrere Rekuperationsbremsen und/oder eine oder mehrere thermoelektrische Generatoren, welche dazu eingerichtet sind, aus der Abwärme des Fahrzeugs elektrische Energie zu gewinnen, umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann dem elektrischen Energiespeicher durch eine oder mehrere fahrzeugeigene Solarzellen elektrische Energie bereitgestellt werden. Die eine oder die mehreren Solarzellen können beispielsweise auf dem Fahrzeugdach abgeordnet sein. Ferner wird das erfindungsgemäße Verfahren durch das Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher durch einen oder mehrere fahrzeugeigene Strömungsenergiewandler weitergebildet. Insbesondere umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher durch eine fahrzeugexterne elektrische Energiequelle.
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der elektrische Energiespeicher einen oder mehrere Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Lithium-Schwefel-Akkumulatoren und/oder Natrium-Schwefel-Akkumulatoren. Die bezeichneten Akkumulatoren weisen eine besonders hohe Energiedichte auf und eigenen sich daher in besonderem Maße zur Bereitstellung eines elektrischen Energiespeichers mit einer hohen Energiespeicherkapazität und einem vergleichsweise geringen Gewicht. Darüber hinaus verfügen die bezeichneten Akkumulatoren über einen überdurchschnittlichen Ladewirkungsgrad, welcher letztendlich auch zu einer gesteigerten Reichweite führt. Vorzugsweise weist der elektrische Energiespeicher einen modularen Aufbau auf.
Das Verfahren wir außerdem dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass der elektrische Energiespeicher eine Energiespeicherkapazität von mehr als 75 Kilowattstunden, vorzugsweise mehr als 100 Kilowattstunden, aufweist und/oder die Brennstoffzelle einen Tank umfasst, welcher die Aufnahme von 4 bis 6 Kilogramm Wasserstoff, vorzugsweise etwa 5 Kilogramm Wasserstoff ermöglicht. Vorzugsweise verfügt die Brennstoffzelle über eine Ladeleistung in einem Bereich von 10 bis 20 Kilowatt. Bei dem Einsatz derartiger Komponenten können bereits Reichweiten von mehr als 1000 Kilometer realisiert werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem durch ein Fahrzeug gelöst, wobei das erfindungsgemäße Fahrzeug einen oder mehrere Elektromotoren, einen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher, eine Brennstoffzelle und eine Steuerungseinrichtung umfasst. Der eine oder die mehreren Elektromotoren sind dazu eingerichtet, das Fahrzeug anzutreiben. Der wiederaufladbare elektrische Energiespeicher ist dazu eingerichtet, dem einen oder den mehreren Elektromotoren elektrische Energie bereitzustellen. Die Brennstoffzelle ist dazu eingerichtet, dem elektrischen Energiespeicher elektrische Energie bereitzustellen. Die Steuerungseinrichtung ist dazu eingerichtet, den zu erwartenden Energiebedarf des Fahrzeugs zu ermitteln. Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist dazu eingerichtet, das Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Fahrzeugs gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.
Hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Fahrzeugs wird auf die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:
1: ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fahrzeugs in einer schematischen Darstellung; und
2: ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockdiagramm.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10. Das Fahrzeug umfasst einen Elektromotor 12, einen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher 14, eine Brennstoffzelle 16, eine Steuerungseinrichtung 20, eine Energierückgewinnungseinrichtung 22, Solarzellen 24 und einen Strömungsenergiewandler 26.
Der Elektromotor 12, der wiederaufladbare elektrische Energiespeicher 14, die Brennstoffzelle 16, die Energierückgewinnungseinrichtung 22, die Solarzellen 24 und die Strömungsenergiewandler 26 sind signalleitend mit der Steuerungseinrichtung 20 verbunden. Darüber hinaus sind der Elektromotor 12, die Brennstoffzelle 16, die Energierückgewinnungseinrichtung 22, die Solarzellen 24 und der Strömungsenergiewandler 26 sind elektrisch leitend mit dem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher 14 verbunden.
Der Elektromotor 12 ist dazu eingerichtet, die Räder der Hinterachse des Fahrzeugs 10 anzutreiben. Grundsätzlich kann der Elektromotor 12 des Fahrzeugs 10 jedoch auch dazu eingerichtet sein, die Räder der Vorderachse des Fahrzeugs 10 anzutreiben. Außerdem kann das Fahrzeug 10 jeweils separate Elektromotoren zum Antreiben der Räder der Vorderachse und zum Antreiben der Räder der Hinterachse aufweisen. Ferner kann das Fahrzeug 10 über separate Elektromotoren zum Antreiben der einzelnen Räder verfügen.
Der wiederaufladbare elektrische Energiespeicher 14 ist dazu eingerichtet, dem Elektromotor 12 elektrische Energie bereitzustellen. Außerdem umfasst der wiederaufladbare elektrische Energiespeicher 14 mehrere Lithium-Ionen-Akkumulatoren und weist eine Energiespeicherkapazität von mehr als 75 Kilowattstunden, vorzugsweise mehr als 100 Kilowattstunden, auf. Der wiederaufladbare elektrische Energiespeicher kann jedoch auch einen oder mehrere Lithium-Schwefel-Akkumulatoren und/oder Natrium-Schwefel-Akkumulatoren umfassen.
Die Brennstoffzelle 16 weist einen Wasserstoff-Tank 18 auf, welcher die Aufnahme von 4 bis 6 Kilogramm Wasserstoff, vorzugsweise etwa 5 Kilogramm Wasserstoff ermöglicht. Außerdem ist die Brennstoffzelle 16 dazu eingerichtet, dem elektrischen Energiespeicher 14 elektrische Energie bereitzustellen.
Die Steuerungseinrichtung 20 ist dazu eingerichtet, den zu erwartenden Energiebedarf des Fahrzeugs 10 zu ermitteln. Das Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher 14 durch eine Brennstoffzelle 16 erfolgt, wenn der zu erwartende Energiebedarf des Fahrzeugs 10 einen Energiebedarfsgrenzwert überschreitet. Bei der Ermittlung des zu erwartenden Energiebedarfs werden der zu erwartende Energiebedarf des Elektromotors 12 sowie der zu erwartende Energiebedarf der restlichen Verbraucher von elektrischer Energie des Fahrzeugs 10 berücksichtigt. Das Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher 14 durch die Brennstoffzelle 16 erfolgt durch das Bereitstellen eines Ladestroms für den elektrischen Energiespeicher 14 durch die Brennstoffzelle 16, wobei der Ladestrom einen Ladestromgrenzwert nicht überschreitet. Der Ladestrom sowie der Energiebedarfsgrenzwert sind dynamische Werte, welche durch die Steuerungseinrichtung unter Berücksichtigung des momentanen Fahrzeugzustands, beispielsweise des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers 14 und/oder des Tanks 18 der Brennstoffzelle 16 und/oder des zu erwartenden Energiebedarfs situationsadäquat angepasst werden können, um eine Reichweitenoptimierung zu erzielen.
Die fahrzeugeigene Energierückgewinnungseinrichtung 22, die auf dem Fahrzeugdach angeordneten fahrzeugeigenen Solarzellen 24 und der fahrzeugeigene Strömungsenergiewandler 26 sind jeweils dazu eingerichtet, dem elektrischen Energiespeicher 14 elektrische Energie bereitzustellen.
Der elektrische Energiespeicher 14 ist außerdem dazu eingerichtet, über eine fahrzeugexterne elektrische Energiequelle 28 wiederaufgeladen zu werden. Der Wasserstoff-Tank 18 der Brennstoffzelle 16 ist dazu eingerichtet, über eine fahrzeugexterne Wasserstoffquelle 30 wiederaufgefüllt zu werden. Beispielsweise gehören die fahrzeugexterne elektrische Energiequelle 28 und/oder die fahrzeugexterne Wasserstoffquelle 30 zu einer Aufladestation. Die Aufladestation kann beispielsweise eine Tankstelle sein. Die fahrzeugexterne elektrische Energiequelle 28 ist dazu eingerichtet, dem elektrischen Energiespeicher 14 elektrische Energie bereitzustellen. Die fahrzeugexterne Wasserstoffquelle 30 ist dazu eingerichtet dem Wasserstoff-Tank 18 der Brennstoffzelle 16 gasförmigen oder flüssigen Wasserstoff bereitzustellen.
2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Fahrzeugs, beispielsweise den des Fahrzeugs aus 1. Damit die Räder des Fahrzeugs 10 angetrieben werden, umfasst das Verfahren den folgenden Schritt:
100) Bereitstellen von elektrischer Energie für einen Elektromotor 12 des Fahrzeugs 10 durch einen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher 14.
Das dargestellte Verfahren umfasst ein reichweitenoptimiertes Energiemanagement. Dieses Energiemanagement berücksichtigt unter anderem den zukünftig zu erwartenden Energiebedarf des Fahrzeugs, sodass das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:
102) Ermitteln eines zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs 10.
Die von dem Fahrzeug 10 während der Fahrt benötigte Energie wird nicht ausschließlich zum Antreiben der Räder des Fahrzeugs 10 benötigt. Bei der Energiebedarfsermittlung sind außerdem andere Verbraucher von elektrischer Energie zu berücksichtigen, sodass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
104) Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des Elektromotors 12 des Fahrzeugs 10;
120) Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs der Klimaanlage des Fahrzeugs 10; und
126) Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des Infotainment-Systems des Fahrzeugs 10.
Damit der zu erwartende Energiebedarf des Elektromotors 12 des Fahrzeugs 10 möglichst präzise ermittelt werden kann, sollte das Fahrverhalten des Fahrzeugführers bekannt sein, sodass das Verfahren die folgende Schritte umfasst:
106) Identifizieren des Fahrzeugführers;
108) Ermitteln des Fahrverhaltens des Fahrzeugführers; und
110) Bewerten der Energieeffizienz des Fahrverhaltens des Fahrzeugführers.
Neben dem Fahrverhalten des Fahrzeugführers, beeinflusst die Fahrtroute den Energiebedarf des Elektromotors in erheblichem Maße, sodass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
112) Ermitteln einer zu erwartenden Fahrtroute;
114) Ermitteln der Topographie der ermittelten Fahrtroute; und
116) Ermitteln der zulässigen Höchstgeschwindigkeiten auf der ermittelten Fahrtroute.
Da nunmehr die Energieeffizienz des Fahrverhaltens des Fahrzeugführers sowie Details zu der zu erwartenden Fahrtroute bekannt sind, kann der folgende Schritt ausgeführt werden:
118) Ermitteln der zu erwartenden Fahrgeschwindigkeiten auf der ermittelten Fahrtroute.
Somit erfolgt das Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs 10 auf Grundlage der zu erwartenden Fahrgeschwindigkeiten auf der ermittelten Fahrtroute und der ermittelten Energieeffizienz des Fahrverhaltens des Fahrzeugführers.
Damit der zu erwartende Energiebedarf der Klimaanlage des Fahrzeugs 10 präzise ermittelt werden kann, ist es notwendig die Klimatisierungsgewohnheiten des Fahrzeugführers zu kennen. Hierzu umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
122) Identifizieren des Fahrzeugführers; und
124) Ermitteln der Klimatisierungsgewohnheiten des Fahrzeugführers.
Damit der zu erwartende Energiebedarfs des Infotainment-Systems des Fahrzeugs 10 präzise ermittelt werden kann, ist es notwendig, die infotainmentbezogenen Einstellungsgewohnheiten des Fahrzeugführers zu kennen. Hierzu umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
128) Identifizieren des Fahrzeugführers; und
130) Ermitteln der infotainmentbezogenen Einstellungsgewohnheiten des Fahrzeugführers.
Nachdem der zu erwartende Energiebedarf des Fahrzeugs 10 ermittelt wurde, kann der folgende Schritt ausgeführt werden:
132) Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher 14 durch eine Brennstoffzelle 16, wenn der zu erwartende Energiebedarf des Fahrzeugs 10 einen Energiebedarfsgrenzwert überschreitet.
Das Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher 14 durch eine Brennstoffzelle 16 erfolgt derart, dass die Brennstoffzelle 16 geschont wird und in einem effektiven Betriebsbereich arbeiten kann, sodass das Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher 14 durch eine Brennstoffzelle 16 den folgenden Schritt umfasst:
134) Bereitstellen eines Ladestroms für den elektrischen Energiespeicher 14 durch die Brennstoffzelle 16, wobei der Ladestrom einen Ladestromgrenzwert nicht überschreitet.
Der Ladestrom sowie der Energiebedarfsgrenzwert sind dynamische Werte, welche während der Ausführung des Verfahrens situationsadäquat angepasst werden können, um eine Reichweitenoptimierung zu erzielen. Somit umfasst das Verfahren den folgenden Schritt:
136) Anpassen des Energiebedarfsgrenzwerts.
Das Anpassen des Energiebedarfsgrenzwerts erfolgt, unter anderem, auf Grundlage des Zustands des elektrischen Energiespeichers 14 und des Tanks 18 der Brennstoffzelle 16, sodass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
138) Ermitteln des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers 14;
140) Ermitteln des Ladezustands eines Tanks 18 der Brennstoffzelle 16;
Neben der von der Brennstoffzelle 16 erzeugten elektrischen Energie wird dem elektrischen Energiespeicher 14 ebenfalls elektrische Energie von weiteren Komponenten des Fahrzeugs 10 bereitgestellt. Hierzu umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
142) Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher 14 durch eine fahrzeugeigene Energierückgewinnungseinrichtung 22;
144) Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher 14 durch mehrere fahrzeugeigene Solarzellen 24;
146) Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher 14 durch einen fahrzeugeigenen Strömungsenergiewandler 26.
Außerdem kann das Laden des elektrischen Energiespeichers 14 und das Auffüllen des Tanks 18 der Brennstoffzelle 16 auch durch eine fahrzeugexterne elektrische Energiequelle 28 beziehungsweise durch eine fahrzeugexterne Wasserstoffquelle 30 erfolgen. Hierzu umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
148) Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher 14 durch eine fahrzeugexterne elektrische Energiequelle 28.
150) Bereitstellen von flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff für den Tank 18 der Brennstoffzelle 16 durch eine fahrzeugexterne Wasserstoffquelle 30.
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeug
12: Elektromotor
14: elektrischer Energiespeicher
16: Brennstoffzelle
18: Tank
20: Steuerungseinrichtung
22: Energierückgewinnungseinrichtung
24: Solarzellen
26: Strömungsenergiewandler
28: fahrzeugexterne elektrische Energiequelle
30: fahrzeugexterne Wasserstoffquelle
100–150: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Fahrzeugs (10), mit den Schritten: – Bereitstellen von elektrischer Energie für einen oder mehrere Elektromotoren (12) des Fahrzeugs (10) durch einen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher (14); – Ermitteln eines zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs (10); und – Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher (14) durch eine Brennstoffzelle (16), wenn der zu erwartende Energiebedarf des Fahrzeugs (10) einen Energiebedarfsgrenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs (10) zumindest einen der folgenden Schritte umfasst: – Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des einen oder der mehreren Elektromotoren (12) des Fahrzeugs (10); – Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs einzelner oder sämtlicher Verbraucher von elektrischer Energie des Fahrzeugs (10).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher (14) durch die Brennstoffzelle (16) den folgenden Schritt umfasst: – Bereitstellen eines Ladestroms für den elektrischen Energiespeicher (14) durch die Brennstoffzelle (16), wobei der Ladestrom einen Ladestromgrenzwert nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem, mehreren oder sämtlichen der folgenden Schritte: – Ermitteln einer zu erwartenden Fahrtroute; – Ermitteln der Topographie der ermittelten Fahrtroute; – Ermitteln der zulässigen Höchstgeschwindigkeiten auf der ermittelten Fahrtroute; – Ermitteln der zu erwartenden Fahrgeschwindigkeiten auf der ermittelten Fahrtroute; – Ermitteln einer zu erwartenden Fahrdauer; – Ermitteln einer zu erwartenden Fahrdistanz; wobei das Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs (10) auf Grundlage der ermittelten Fahrtoute, der Topographie der ermittelten Fahrtroute, der zulässigen Höchstgeschwindigkeiten auf der ermittelten Fahrtroute, der zu erwartenden Fahrgeschwindigkeiten auf der ermittelten Fahrtroute, der zu erwartenden Fahrdauer und/oder der zu erwartenden Fahrdistanz erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem, mehreren oder sämtlichen der folgenden Schritte: – Identifizieren des Fahrzeugführers; – Ermitteln des Fahrverhaltens des Fahrzeugführers; – Bewerten der Energieeffizienz des Fahrverhaltens des Fahrzeugführers; wobei das Ermitteln des zu erwartenden Energiebedarfs des Fahrzeugs (10) auf Grundlage des identifizierten Fahrzeugführers, des Fahrverhaltens des Fahrzeugführers und/oder der Energieeffizienz des Fahrverhaltens des Fahrzeugführers erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem, mehreren oder sämtlichen der folgenden Schritte: – Ermitteln des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers (14); – Ermitteln des Ladezustands eines Tanks (18) der Brennstoffzelle (16); – Anpassen des Energiebedarfsgrenzwerts; wobei die Anpassung des Energiebedarfsgrenzwerts vorzugsweise auf Grundlage des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers (14) und/oder des Tanks (18) der Brennstoffzelle (16) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem, mehreren oder sämtlichen der folgenden Schritte: – Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher (14) durch eine oder mehrere fahrzeugeigene Energierückgewinnungseinrichtungen (22), – Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher (14) durch eine oder mehrere fahrzeugeigene Solarzellen (24), – Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher (14) durch einen oder mehrere fahrzeugeigene Strömungsenergiewandler (26); – Bereitstellen von elektrischer Energie für den elektrischen Energiespeicher (14) durch eine fahrzeugexterne elektrische Energiequelle (28).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der elektrische Energiespeicher (14) einen oder mehrere Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Lithium-Schwefel-Akkumulatoren und/oder Natrium-Schwefel-Akkumulatoren umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der elektrische Energiespeicher (14) eine Energiespeicherkapazität von mehr als 75 Kilowattstunden, vorzugsweise mehr als 100 Kilowattstunden, aufweist und/oder die Brennstoffzelle (16) einen Tank (18) umfasst, welcher die Aufnahme von 4 bis 6 Kilogramm Wasserstoff, vorzugsweise etwa 5 Kilogramm Wasserstoff, ermöglicht.
Fahrzeug (10), mit – einem oder mehreren Elektromotoren (12) zum Antreiben des Fahrzeugs (10); – einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher (14), welcher dazu eingerichtet ist, dem einen oder den mehreren Elektromotoren (12) elektrische Energie bereitzustellen; – einer Brennstoffzelle (16), welche dazu eingerichtet ist, dem elektrischen Energiespeicher (14) elektrische Energie bereitzustellen; und – einer Steuerungseinrichtung (20), welche dazu eingerichtet ist, den zu erwartenden Energiebedarf des Fahrzeugs (10) zu ermitteln; dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (10) dazu eingerichtet ist, das Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Fahrzeugs (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.