DE102020125849A1 - Verfahren zum Austauschen von Energie, Verarbeitungseinheit und Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austauschen von elektrischer Energie (E) zwischen einem Energiespeicher (7) in einem Fahrzeug (1) eines Fahrzeugbetreibers (2) und einem Energie-Anwender (EA), wobei der Energiespeicher (7) ausgebildet ist, elektrische Energie (E) dauerhaft zu speichern, und eine elektrische Verbindung zwischen dem Energiespeicher (7) und dem Energie-Anwender (EA) ausgebildet werden kann, um Energie (E) auszutauschen.Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Austausch von Energie (E) von dem Energie-Anwender (EA) in den Energiespeicher (7) des Fahrzeuges (1) in eine erste Energie-Übertragungsrichtung (R1), oder aus dem Energiespeicher (7) des Fahrzeuges (1) zu dem Energie-Anwender (EA) in eine zweite Energie-Übertragungsrichtung (R2) erfolgt, um durch den Fahrzeugbetreiber (2) eine Energie-Dienstleistung (DL) zu erbringen, wobei der Austausch von Energie (E) in Abhängigkeit eines von dem Fahrzeugbetreiber (2) festgelegten Energie-Preises für die Energie-Dienstleistung (DL) erfolgt, wobei der Energie-Preis in Abhängigkeit eines Speicherstatus des mindestens einen Energie-Speichers (7) ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austauschen von Energie zwischen mindestens einem Energiespeicher in einem Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, und einem fahrzeugexternen Energie-Anwender, eine Verarbeitungseinheit und ein Fahrzeug mit einer derartigen Verarbeitungseinheit zur Durchführung des Verfahrens.
  • Es ist bekannt, Fahrzeuge, insbesondere Nutzfahrzeuge, über stationäre Oberleitungen, die oberhalb einer Fahrbahn angeordnet sind, mit Energie zu versorgen. Die Oberleitungen sind dabei Teil eines Energie-Netzwerkes, in dem über Netz-Verteiler Energie mit einer bestimmten Netz-Spannung und einer bestimmten Netz-Frequenz bereitgestellt wird. Fahrzeuge können über Energieabnehmer an die Oberleitungen gleitend ankoppeln, um Energie aus dem Energie-Netzwerk zu entnehmen. Mit der Energie kann der elektrische Antrieb des Fahrzeuges versorgt werden, beispielsweise dann, wenn ein Energiespeicher im Fahrzeug geschont werden soll oder aber ein Ladezustand des Energiespeichers zu niedrig ist. Beispielhaft ist dies in DE 10 2016 208 878 A1 , DE 10 2018 206 957 A1 oder DE 10 2004 028 243 A1 gezeigt. Weiterhin kann ein Aufladen der Energiespeicher erfolgen, um oberleitungsfreie Strecken zu überbrücken. Weiterhin ist bekannt, die Energiespeicher in elektrisch betriebenen Fahrzeugen über Ladestationen, die mit dem Energie-Netzwerk verbunden sind, oder durch eine direkte elektrische Verbindung mit anderen Fahrzeugen beispielsweise über ein Ladekabel aufzuladen.
  • Das Problem, das bei der elektrischen Versorgung von Fahrzeugen mittels einer Oberleitung oder über eine Ladestation besteht, ist die Netz-Spannung sowie die Netz-Frequenz des Energie-Netzwerks, die stabil zu halten sind, um einen Zusammenbruch der Energieversorgung zu vermeiden und damit eine beständige Energieversorgung für alle angekoppelten Fahrzeuge sicherzustellen. Dies sollte unabhängig von der Anzahl an Fahrzeugen sein, die dem Energie-Netz über die Oberleitung Energie entziehen. Je mehr Fahrzeuge sich jedoch an die Oberleitungen ankoppeln und darüber Energie entziehen, desto mehr sinkt z.B. die Netz-Frequenz, wodurch das Energie-Netzwerk ab einem bestimmten Zeitpunkt überlastet werden und zumindest zeitweise auch ausfallen kann.
  • Dieses Problem resultiert daraus, dass die Netz-Verteiler aktuell nicht darauf ausgelegt sind, ausreichend Energie für den steigenden Leistungsbedarf bereitzustellen. Sollte sich die Elektromobilität flächendeckend durchsetzen, ist daher die Auslegung der Netz-Verteiler entscheidend, um genügend Energie für eine hohe Auslastung bereitstellen zu können. Stellt man sich einen Autobahnparkplatz vor, an dem mehrere Schnelladesäulen installiert sind, um zunächst nur Personenkraftwagen zu laden, kommt es bei einem vorhandenen Netz-Verteiler schnell zu Problemen, wenn plötzlich auch Nutzfahrzeuge geladen werden sollen. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn viele Fahrzeuge gleichzeitig geladen werden. Dies ist entsprechend auch auf das Laden von Fahrzeugen über die Oberleitungen übertragbar. Ein weiteres Problem bei der Energieversorgung ist die zunehmende volatile Bereitstellung von erneuerbaren Energien, was sich hauptsächlich auf das Verteilernetz auswirkt, über das die Energie für die Oberleitungen bereitgestellt wird.
  • Um auf diese Nachteile zu reagieren, ist für eine Anwendung in einer Mine in US 2011/0094841 A1 oder US 2015/0090554 A1 vorgesehen, Bremsenergie, die beim Bremsen des Minenfahrzeuges erzeugt wird, direkt über die Oberleitungen in das mineninterne Energie-Netzwerk einzuspeisen, wodurch eine hohe Auslastung des Energie-Netzwerkes zumindest zeitweise kompensiert werden kann. Nachteilig hierbei ist, dass eine Kompensation der Netzauslastung lediglich dann erfolgen kann, wenn genügend Fahrzeuge bremsen.
  • In DE 11 2012 005 255 T5 ist weiterhin beschrieben, einen Bremsvorgang für ein Minenfahrzeug gezielt anzuweisen, um Bremsenergie in das Energie-Netzwerk einzuspeisen, wenn ein anderes Minenfahrzeug gerade Energie benötigt. Hierbei ist nachteilig, dass das Fahrzeug in seinem normalen Fahrbetrieb durch die Bremsanweisung gestört wird.
  • Für derartige Lösungen, bei denen ein Energiespeicher in einem Fahrzeug zum Erbringen einer fahrzeugexternen Energie-Dienstleistung bereitgestellt wird, ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt, wie ein bidirektionaler Energieaustausch, d.h. ein Abgeben oder auch das Aufnehmen von Energie, kostentechnisch geregelt werden kann, um den Energieaustausch für den Fahrzeugbetreiber ökonomisch sinnvoll zu gestalten.
  • Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Austauschen von Energie zwischen mindestens einem Energiespeicher in einem Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, und einem fahrzeugexternen Energie-Anwender anzugeben, das eine ökonomisch sinnvolle Fremd-Nutzung des Energiespeichers im Fahrzeug ermöglicht. Aufgabe ist weiterhin eine Verarbeitungseinheit und ein Fahrzeug anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, eine Verarbeitungseinheit sowie ein Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen an.
  • Erfindungsgemäß ist demnach ein Verfahren zum Austauschen von elektrischer Energie zwischen mindestens einem Energiespeicher in einem Fahrzeug eines Fahrzeugbetreibers und einem Energie-Anwender, wobei der mindestens eine Energiespeicher ausgebildet ist, elektrische Energie dauerhaft zu speichern, und eine elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen Energiespeicher und dem Energie-Anwender ausgebildet werden kann, um Energie auszutauschen, wobei ein Austausch von Energie von dem Energie-Anwender in den mindestens einen Energiespeicher des Fahrzeuges in eine erste Energie-Übertragungsrichtung, oder aus dem mindestens einen Energiespeicher des Fahrzeuges zu dem Energie-Anwender in eine zweite Energie-Übertragungsrichtung erfolgt, um durch den Fahrzeugbetreiber eine bestimmte Energie-Dienstleistung zu erbringen, wobei der Austausch von Energie in Abhängigkeit eines von dem Fahrzeugbetreiber festgelegten Energie-Preises für die Energie-Dienstleistung erfolgt, wobei der Energie-Preis in Abhängigkeit eines Speicherstatus des mindestens einen Energie-Speichers ermittelt wird.
  • Vorteilhafterweise wird also durch den Fahrzeugbetreiber selbst festgelegt, zu welchen ökonomischen Konditionen bzw. bei welchem Zustand seines Energiespeichers eine Energie-Dienstleistung erbracht wird, wenn ein Energie-Anwender in beliebiger Weise eine Anfrage zum Erbringen einer Energie-Dienstleistung stellt. Dabei wird berücksichtigt, dass es aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht immer sinnvoll ist, Energie zu demselben Preis aufzunehmen oder abzugeben, um die jeweilige Energie-Dienstleistung zu erbringen, da je nach Zustand des Energiespeichers unterschiedliche Annahmen zu treffen sind. Vorzugsweise wird der Speicherstatus und/oder der Energie-Preis für die Energie-Dienstleistung dabei dynamisch bestimmt, um auf Änderungen reagieren zu können. Grundsätzlich kann aber zumindest der Energie-Preis auch statisch vom Fahrzeugbetreiber festgelegt werden.
  • Als Energie-Dienstleistung kann dabei jegliche Dienstleistung verstanden werden, für die der Fahrzeugbetreiber seine Energiespeicher temporär auf Anfrage zur Verfügung stellen kann. Dies kann sowohl eine Aufnahme von Energie als auch eine Abgabe von Energie beinhalten, wobei die Energie in beiden Fällen im Rahmen der Energie-Dienstleistung nicht für den Eigenbedarf vorgesehen ist. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn für die energie-Dienstleistung Energie im eigenen Energiespeicher aufgenommen oder von dem eigenen Energiespeicher abgegeben wird, um eine hohe oder niedrige Auslastung eines Energie-Netzwerkes als Energie-Anwender zu kompensieren und/oder um Energie zur (Antriebs-)Unterstützung eines weiteren Fahrzeuges als Energie-Anwender bereitzustellen und/oder um überschüssige Energie eines Energie-Anwenders temporär aufzubewahren. Eine hohe oder niedrige Auslastung des Energie-Netzwerkes kann dabei durch einen Vergleich einer Netz-Frequenz des Energie-Netzwerkes mit einer Mittenfrequenz erfolgen, wobei die Netzfrequenz des Energie-Netzwerks beispielsweise vom Fahrzeug aus gemessen wird und/oder drahtlos oder drahtgebunden, z.B. per Power Line Communication (PLC) über einen Schleifkontakt an der stationären Oberleitung oder über eine Kommunikationsleitung im Ladekabel, auf das Fahrzeug übermittelt wird.
  • So kann die Integration einer stationären Energiebereitstellungsvorrichtungen (Oberleitung, Fahrbahnleitung, Ladestation) in die vorhandene Netzinfrastruktur verbessert werden. Selbst wenn also über die Netz-Verteiler der tatsächliche schwankende Leistungsbedarf des Energie-Netzwerks, d.h. eine Überlastung oder eine Unterlastung des Energie-Netzwerkes, nicht ausgeregelt wird oder werden kann, kann bei entsprechend ausgehandeltem Energie-Preis über den Rückgriff auf die ankoppelbaren Energiespeicher in den Fahrzeugen gezielt versucht werden, ein Gleichgewicht in der Auslastung des Energie-Netzwerks einzustellen. Je mehr Fahrzeuge daran teilhaben, desto besser kann das Energie-Netzwerk beispielsweise bei den entsprechenden Freigaben des Netzbetreibers und des Fahrzeugbetreibers bei einer Überlastung oder Unterlastung stabilisiert werden.
  • Werden Oberleitungen beispielsweise auf bergigen Fahrbahnen installiert, können so die Fahrzeuge die bergab fahren und/oder die über einen entsprechenden Energiestatus verfügen und genügend Speicherkapazitäten aufweisen, die bergauf fahrenden Fahrzeuge antreiben, die einen erhöhten Leistungsbedarf aufweisen. Hierfür kann gezielt die bereits mitgeführte Energie aus dem Energiespeicher so genutzt werden, dass sich der Fahrzustand des Fahrzeuges beim Erbringen der Energie-Dienstleistung nicht verändert. Dabei ist durchaus denkbar, dass die Einspeisung von Energie zu einem Zeitpunkt erfolgen kann, zu dem das Fahrzeug keine Antriebsunterstützung benötigt, die Batterien aber vollgeladen sind. Diese überschüssige Energie kann dann für die Energie-Dienstleistung freigegeben werden. Grundsätzlich kann dies auch im Stillstand des Fahrzeuges erfolgen, insofern ein entsprechender Ladezustand vorliegt und der Status-Faktor bzw. der Energie-Preis dies zulässt.
  • Die Energie-Dienstleistung zur Stabilisierung des Energie-Netzwerkes kann also grundsätzlich in jedem beliebigen Fahrzustand des Fahrzeuges erbracht werden, insofern der Fahrzustand durch die Energie-Dienstleistung nicht beeinträchtigt wird. Wenn das Fahrzeug elektrisch durch die Energiespeicher angetrieben wird, kann der Energiespeicher also unabhängig vom Antriebszustand Energie aus dem Energie-Netzwerk aufnehmen oder überschüssige Energie in das Energie-Netzwerk abgeben, um die Energie-Dienstleistung zu erbringen, ohne dass der Fahrbetrieb dadurch beeinträchtigt wird. Wird das Fahrzeug abgebremst und ist dadurch Rekuperationsleistung vorhanden, kann der Energiespeicher diese vollständig Energie aufnehmen oder der Energiespeicher nur einen Teil aufnehmen und den Rest in das Energie-Netzwerk abgeben oder die gesamte durch Rekuperation umgewandelte Energie in das Energie-Netzwerk abgegeben werden. Ergänzend kann in dem Fall zusätzlich gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher in das Energie-Netzwerk abgegeben werden.
  • Für eine derartige Energie-Dienstleistung kann vorzugsweise berücksichtigt werden, dass der Energie-Preis in Abhängigkeit davon festgelegt wird, ob die Energie zum Erbringen der Energie-Dienstleistung in die erste Energie-Übertragungsrichtung, oder in die zweite Energie-Übertragungsrichtung übertragen wird. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass der Energiespeicher beim Abgeben von Energie anders belastet bzw. verwendet wird als bei einem Aufnehmen von Energie.
  • Beispielsweise kann der Energie-Preis für die Energie-Dienstleistung dazu einen Aufnahme-Energie-Preis und/oder einen Abgabe-Energie-Preis beinhalten, wobei der Aufnahme-Energie-Preis den Energie-Preis für die Übertragung von Energie in die erste Energie-Übertragungsrichtung angibt, und
    • - der Abgabe-Energie-Preis den Energie-Preis für die Übertragung von Energie in die zweite Energie-Übertragungsrichtung. Dadurch kann vorteilhafterweise festgelegt werden, dass das Bereitstellen von gespeicherter Energie anders entschädigt wird als das „Aufbewahren“ von Energie.
  • Dies spiegelt sich beispielsweise dadurch wieder, dass der Energie-Preis für die Energie-Dienstleistung vorzugsweise abhängig ist von einem Status-Faktor und/oder einem Einkaufspreis für Energie, wobei für den Aufnahme-Energie-Preis vorzugsweise gilt: Aufnahme-Energie-Preis = Einkaufspreis x (1 - Status-Faktor) und für den Abgabe-Energie-Preis vorzugsweise gilt: Abgabe-Energie-Preis = Einkaufspreis x (1 + Status-Faktor), wobei der Status-Faktor den aktuellen Speicherstatus des jeweiligen Energiespeichers charakterisiert. Der aktuelle Speicherstatus senkt oder erhöht damit den Einkaufspreis, je nachdem, ob Energie bereitgestellt oder „aufbewahrt“ werden soll, um die jeweilige Energie-Dienstleistung zu erbringen.
  • Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Status-Faktor in Abhängigkeit eines Degenerationszustandes des mindestens einen Energiespeichers und/oder eines Ladezustandes des mindestens einen Energiespeichers gebildet wird, wobei der Degenerationszustand und der Ladezustand gewichtet werden zum Ermitteln des Status-Faktors und zumindest der Ladezustand abhängig von der Energie-Übertragungsrichtung ist.
  • Dadurch wird vorteilhafterweise berücksichtigt, dass das Entnehmen oder Aufnehmen von Energie aus dem Energiespeicher abhängig von einem Degenerationszustand sowie auch von dem Ladezustand gemacht werden kann, da sich dies auf die Wirtschaftlichkeit der Energie-Dienstleistung auswirkt. So ist ein stark degenerierter Energiespeicher anders zu bewerten als ein neuwertiger Energiespeicher, was sich auch im Energiepreis widerspiegeln soll. Ergänzend kann auch eine Abschreibung des Energiespeichers bei der Ermittlung des Energiepreises berücksichtigt werden. Auch der Ladezustand ist entscheidend dafür, ob ein Energiespeicher für eine Energie-Dienstleistung angeboten werden kann. Dabei kann vorzugsweise berücksichtigt werden, dass der Degenerationszustand und der Ladezustand gewichtet werden zum Ermitteln des Status-Faktors, wobei je nach Typ des Energiespeichers beispielsweise eine gleichwertige Gewichtung vorgesehen sein kann.
  • Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass der Degenerationszustand des mindestens einen Energiespeichers ermittelt wird in Abhängigkeit mindestens einer Größe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Speichertemperatur, einem Lade- und Endladeverhalten, einer Zyklenfestigkeit, einem Speicheralter, einer Umgebungstemperatur, einer Zugfahrzeug-Spannung, einer Anhänger-Spannung, wobei diese Größen in Abhängigkeit des verwendeten Energiespeichers unterschiedlich gewichtet werden zum Ermitteln des Degenerationszustandes. Es können also eine Reihe von Größen ermittelt oder eingelesen werden, die bei der Ermittlung des Degenerationszustandes und damit bei der Ermittlung des Status-Faktors bzw. des Energie-Preises berücksichtigt werden können, um eine fundierte Entscheidung über die Wirtschaftlichkeit bzw. den exakten Energie-Preis treffen zu können. Die jeweiligen Größen können dabei beispielsweise von einem Zustandswächter im Fahrzeug ermittelt und an eine externe oder fahrzeuginterne Verarbeitungseinheit übertragen werden, die daraus den Status-Faktor sowie beispielsweise in einem Kostenkalkulationsmodul den Energie-Preis nach Vorgaben des Fahrzeugbetreibers ermittelt.
  • Um dies für das gesamte Fahrzeug zuverlässig durchführen zu können, ist vorzugsweise jedem Energiespeicher ein eigener Speicherstatus bzw. Status-Faktor und/oder ein eigener Energie-Preis zugeordnet, so dass ggf. auch speicherselektiv, d.h. nur für bestimmte Energiespeicher im Fahrzeug, eine elektrische Verbindung aufgebaut werden kann. Es kann also ergänzend gezielt auf den Energiestatus des jeweiligen Energiespeichers im Fahrzeug reagiert werden und ggf. auch darauf, wie hoch der Energieaufnahme- und Energieabgabe-Bedarf von extern tatsächlich ist. Dadurch kann auch geplant werden, ob das Fahrzeug selbst noch Energie aus einem der Energiespeicher benötigt, den anderen Energiespeicher aber für die Energie-Dienstleistung freigeben kann. So kann in dem Fall z.B. nur einer der Energiespeicher für die jeweilige Energie-Dienstleistung belastet werden.
  • Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass in Abhängigkeit des dem mindestens einen Energiespeicher zugeordneten Speicherstatus bzw. Status-Faktors und/oder des von dem Fahrzeugbetreiber festgelegten Energie-Preises für die Energie-Dienstleistung ein Kopplungs-Signal erzeugt und ausgegeben wird, wobei in Abhängigkeit des Kopplungs-Signals eine elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen Energiespeicher und einem mit dem Energie-Anwender verbundenen Energieabnehmer am Fahrzeug ausgebildet wird, wobei dazu vorzugsweise eine Schaltvorrichtung im Fahrzeug elektrisch mit dem erzeugten und ausgegebenen Kopplungs-Signal angesteuert wird.
  • Dies vereinfacht vorteilhafterweise den Kopplungsprozess, wobei vorzugsweise ein mechanischer oder induktiver Kontakt zwischen dem mit den Energiespeichern verbindbaren Energieabnehmern am Fahrzeug und dem Energie-Anwender vorliegt, um eine elektrische Verbindung beispielsweise bewirkt durch einen Pantographen/eine Gleitschiene an einer Oberleitung oder durch einen induktiven Energieabnehmer an einer Fahrbahnleitung oder durch ein mit einer Ladestation oder einem anderen Fahrzeug verbundenen Ladekabel, o.ä. herstellen zu können. Durch ein elektrisches Umschalten in Abhängigkeit des Kopplungs-Signals kann daher schnell auf eine angeforderte Energie-Dienstleistung reagiert werden.
  • Das Kopplungs-Signal kann dabei vorzugsweise im Fahrzeug, beispielsweise durch eine fahrzeuginterne Verarbeitungseinheit, oder außerhalb des Fahrzeuges, beispielsweise durch eine externe Verarbeitungseinheit, erzeugt und drahtlos oder drahtgebunden auf das Fahrzeug übertragen werden. Dadurch kann eine zentrale oder eine dezentrale Möglichkeit geschaffen werden, um das Erbringen der Energie-Dienstleistung zu steuern. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die externe Verarbeitungseinheit Bestandteil einer Cloud-Infrastruktur, z.B. Software-as-a-Service, ist, auf der ein Unterprogramm zum Erzeugen des Kopplungs-Signals in Abhängigkeit des Energie-Preises und/oder des Speicherstatus bzw. des Status-Faktors läuft. In Abhängigkeit davon kann dann im Fahrzeug die Schaltvorrichtung angesteuert werden, um bei einer entsprechenden Freigabe die Energie-Dienstleistung erbringen zu können.
  • Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass ergänzend ermittelt wird, ob eine Freigabe durch den Energie-Anwender vorliegt, wobei die Freigabe angibt, ob der jeweilige Energie-Anwender zum Erbringen der Energie-Dienstleistung erlaubt, wahlweise Energie in die erste Energie-Übertragungsrichtung und/oder die zweite Energie-Übertragungsrichtung zu übertragen, wobei die Freigabe durch den Energie-Anwender in Abhängigkeit mindestens einer Eigenschaft erteilt wird, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
    • einer Fahrzeugart des Fahrzeuges, einer Auslastung des Energie-Anwenders, des dem jeweiligen Energiespeicher zugeordneten Speicherstatus und/oder des von dem Fahrzeugbetreiber festgelegten Energie-Preises für die Energie-Dienstleistung.
  • Demnach können also gezielt Freigaben erteilt werden, da ggf. nicht jedes Fahrzeug berechtigt oder in der Lage ist, eine erfindungsgemäße Energie-Dienstleistung für den Energie-Anwender zu erbringen und/oder der Energie-Anwender nicht mit dem festgelegten Energie-Preis einverstanden ist. Es ist also insbesondere vorgesehen, dass die Freigabe erteilt wird, wenn der Energie-Anwender, d.h. das Energie-Netzwerk oder ein weiteres Fahrzeug, dem vom Fahrzeugbetreiber für die Energie-Dienstleistung festgelegten Energie-Preis zustimmt. Dadurch ist der Fahrzeugbetreiber in der Lage, einen Energie-Preis vorzugeben, der eine voranschreitende Degeneration des Energiespeichers aufgrund der Energie-Dienstleistung kompensieren kann und für den der Fahrzeugbetreiber auch selbst bereit ist eine Freigabe zu erteilen. Die Energie-Dienstleistung soll also aus ökonomischer Sicht sinnvoll für den Fahrzeugbetreiber sein.
  • Dabei kann bei einer Energie-Dienstleistung zum Stabilisieren des Energie-Netzwerkes vorzugsweise vorgesehen sein, dass bei einer hohen Auslastung des Energie-Netzwerks eine Netzbetreiber-Freigabe in die zweite Energie-Übertragungsrichtung erteilt wird und bei einer geringen Auslastung des Energie-Netzwerks eine Netzbetreiber-Freigabe in die erste Energie-Übertragungsrichtung erteilt wird, insofern der Energie-Preis vom Netzbetreiber angenommen wird. Dadurch sind Fahrzeuge normalerweise nur noch in der Lage eine Energie-Dienstleistung zu erbringen, mit der eine zu geringe oder eine zu hohe Last kompensiert wird. Die Freigaben werden in dem Fall also in Abhängigkeit der aktuellen Auslastung (Überlastung/Unterlastung) erteilt.
  • Weiterhin kann die Netzbetreiber-Freigabe zunächst nur auf Hybridfahrzeuge wirken, d.h. eine Netzbetreiber-Freigabe kann für Hybridfahrzeuge in ein oder beide Energie-Übertragungsrichtungen selektiv verweigert (oder erteilt) werden, da diese Hybridfahrzeuge auch ohne eine Energieversorgung angetrieben werden können. Dabei kann zur Erteilung der Netzbetreiber-Freigabe als Bedingung beispielsweise festgelegt werden, dass das Hybridfahrzeug lediglich über den nicht-elektrischen Teil des Antriebs, z.B. den Verbrennungsmotor, anzutreiben ist, um die Energie aus dem Energiespeicher vollständig für die Stabilisierung des Energie-Netzwerkes nutzen zu können. Die Netzbetreiber-Freigabe wird also nur für eine Energie-Übertragungsrichtung erteilt, wobei mit dem Verbrennungsmotor über den Energiespeicher auch Energie in das Energie-Netzwerk eingespeist werden kann.
  • Ist z.B. eine Auslastung des Energie-Netzwerks dann noch immer zu hoch oder zu niedrig, kann die Netzbetreiber-Freigabe auch auf rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge wirken, d.h. eine Netzbetreiber-Freigabe kann auch für rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge in ein oder beide Energie-Übertragungsrichtungen selektiv verweigert (oder erteilt) werden, um ein Zusammenbrechen des Energie-Netzwerks durch Überlastung oder Unterlastung zu vermeiden. Eine Übertragung von Energie in die jeweils andere Energie-Übertragungsrichtung, die die Auslastung wieder ins Gleichgewicht bringen würde, ist dann vorzugsweise weiterhin für jede Fahrzeugart gestattet. Das Abkoppeln von rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen kann vorzugsweise auch von einem Ladezustand des Energiespeichers und/oder von der noch zu fahrenden Strecke bis zur nächsten Ladestation abhängig gemacht werden, so dass die Netzbetreiber-Freigabe nur auf rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge wirkt, deren Ladezustand höher ist als ein Grenz-Ladezustand, z.B. 40%, und/oder die in der Lage sind, auch bei einer Einspeisung von Energie in das Energie-Netzwerk noch die nächste Ladestation zu erreichen.
  • Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass die Netzbetreiber-Freigabe und/oder die Fahrzeugbetreiber-Freigabe und/oder eine Anwender-Freigabe vom Betreiber des weiteren Fahrzeuges drahtlos zwischen dem Fahrzeug und dem Energie-Netzwerk und/oder dem Netzbetreiber bzw. dem Fahrzeugbetreiber des weiteren Fahrzeuges übertragen werden. Dadurch können eine zuverlässige und schnelle Kommunikation und eine schnelle Reaktion darauf erfolgen.
  • Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Verarbeitungseinheit vorgesehen, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, wobei die Verarbeitungseinheit ausgebildet ist, ein Kopplungs-Signal derartig zu erzeugen und auszugeben, dass eine elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen Energiespeicher in dem Fahrzeug und dem Energie-Anwender ausgebildet werden kann, um einen Austausch von Energie in eine erste Energie-Übertragungsrichtung, oder in eine zweite Energie-Übertragungsrichtung zum Erbringen einer Energie-Dienstleistung durch den Fahrzeugbetreiber zu ermöglichen,
    wobei die Verarbeitungseinheit ausgebildet ist, das Kopplungs-Signal in Abhängigkeit eines für die Energie-Dienstleistung festgelegten Energie-Preises zu erzeugen, wobei die Verarbeitungseinheit dazu ein Kostenkalkulationsmodul aufweist, wobei das Kostenkalkulationsmodul ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Speicherstatus des mindestens einen Energiespeichers einen Energie-Preis für die Energie-Dienstleistung zu ermitteln.
  • Um eine zuverlässige Abstimmung zu ermöglichen ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die Verarbeitungseinheit eine Kommunikationseinheit aufweist, wobei die Verarbeitungseinheit den Energie-Preis über die Kommunikationseinheit drahtlos oder drahtgebunden an den mindestens einen Energie-Anwender übertragen kann und/oder der Energie-Anwender der Verarbeitungseinheit über die Kommunikationseinheit übermitteln kann, ob eine Freigabe durch den Energie-Anwender erteilt ist, wobei die Freigabe angibt, ob der jeweilige Energie-Anwender zum Erbringen der Energie-Dienstleistung erlaubt, wahlweise Energie insbesondere zu dem festgelegten Energie-Preis in die erste Energie-Übertragungsrichtung und/oder die zweite Energie-Übertragungsrichtung zu übertragen
  • Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, vorzugsweise ein Hybridfahrzeug oder ein vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug, weist mindestens eine elektrische Schaltvorrichtung, mindestens einen Energiespeicher sowie mindestens einen damit verbindbaren Energieabnehmer auf, wobei der Energieabnehmer ausgebildet ist, im Rahmen der Erbringung einer Energie-Dienstleistung mit einem Energie-Anwender gekoppelt zu werden, wobei der Energiespeicher ausgebildet ist, elektrische Energie dauerhaft zu speichern, und
    wobei die elektrische Schaltvorrichtung ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines von einer erfindungsgemäßen Verarbeitungseinheit ausgegebenen Kopplungs-Signals eine elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen Energiespeicher und dem Energieabnehmer auszubilden, um einen Austausch von Energie zwischen dem mindestens einen Energiespeicher und dem ankoppelbaren Energie-Anwender in Abhängigkeit eines von dem Fahrzeugbetreiber festgelegten Energie-Preises für die Energie-Dienstleistung zu ermöglichen, wobei der Energie-Preis in Abhängigkeit eines Speicherstatus des mindestens einen Energie-Speichers festgelegt ist.
  • Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass das Kopplungs-Signal von einer fahrzeuginternen Verarbeitungseinheit erzeugbar und ausgebbar ist oder von einer externen Verarbeitungseinheit drahtlos oder drahtgebunden auf das Fahrzeug übertragbar ist. Damit kann die Kalkulation des Energie-Preises bzw. die Ermittlung des Status-Faktors fahrzeugintern oder extern erfolgen, indem die jeweiligen Signale und Daten zur Berechnung von einem Zustandswächter drahtlos oder drahtgebunden übertragen werden. Bei einer externen Lösung, beispielsweise über eine Cloud-Infrastruktur, ist weniger Rechenleistung im Fahrzeug selbst nötig, während bei einer fahrzeuginternen Lösung eine schnellere Übertragung, beispielsweise unter Verwendung des jeweils genutzten fahrzeuginternen Datenbus, ohne eine Verbindung nach außen möglich ist.
  • Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass das Fahrzeug aus einem Zugfahrzeug und mindestens einem Anhänger besteht, wobei im Zugfahrzeug ein Zugfahrzeug-Energiespeicher und/oder im Anhänger ein Anhänger-Energiespeicher angeordnet ist/sind, wobei der Zugfahrzeug-Energiespeicher und/oder der Anhänger-Energiespeicher vorzugsweise selektiv mit dem Energie-Anwender in Abhängigkeit des Kopplungs-Signals verbindbar sind, beispielsweise über eine stationäre Energiebereitstellungsvorrichtung und/oder ein Ladekabel. Damit kann ein flexibler Energieaustausch erfolgen und ein Rückgriff auf unterschiedliche Energiespeicher, die im Fahrzeug für die Versorgung unterschiedlicher Fahrzeugteile vorhanden sind. Durch eine selektive Freigabe kann auch berücksichtigt werden, wieviel Energie aus welchem Energiespeicher im Fahrzeug selbst in Zukunft voraussichtlich benötigt wird.
  • Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass zwischen dem mindestens einen Energiespeicher und dem Energieabnehmer eine Wandler-Einrichtung angeordnet ist zum Transformieren einer Netz-Spannung und/oder einer Netz-Frequenz des Energie-Netzwerks. Dadurch kann eine Spannungs- bzw. Frequenzangleichung an die Spannung bzw. die Frequenz erfolgen, die im Energie-Netzwerk verwendet wird. Wird im Energie-Netzwerk Gleichstrom verwendet, kann in der Wandler-Einrichtung eine Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom bzw. umgedreht (je nach Energie-Übertragungsrichtung) entfallen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
    • 1, 2 jeweils eine schematische Ansicht eines Fahrzeuges, das an ein Energie-Netzwerk angekoppelt ist; und
    • 3 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In 1 ist schematisch ein Fahrzeug 1, insbesondere ein Nutzfahrzeug, aus einem Zugfahrzeug 1a und einem Anhänger 1b dargestellt, das auch für den öffentlichen Verkehrsraum vorgesehen ist und sich daher auch auf Autobahnen, Highways, Landstraßen, etc. bewegen kann. Das Fahrzeug 1 kann ein vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug 1E oder ein zumindest teilelektrisch angetriebenes Hybridfahrzeug 1H sein.
  • Das Fahrzeug 1 weist ein Energie-Übertragungssystem 3 auf, über das elektrische Energie E zwischen dem Fahrzeug 1 und einem externen Energie-Netzwerk 30 als Energie-Anwender EA auch während der Fahrt ausgetauscht werden kann. Innerhalb des Energie-Netzwerkes 30 sind Netz-Verteiler 31 vorgesehen, die elektrische Energie E bereitstellen, die über stationäre Oberleitungen 32 als stationäre Energiebereitstellungsvorrichtungen EV übertragen wird. Die Oberleitungen 32 sind oberhalb einer Fahrbahn 4, auf der sich das Fahrzeug 1 bewegt, stationär angeordnet. Gleichwirkend können statt der stationären Oberleitungen 32 oberhalb der Fahrbahn 4 auch stationäre Fahrbahnleitungen 34, z.B. Induktionsschleifen, als stationäre Energiebereitstellungsvorrichtungen EV in der Fahrbahn 4 vorgesehen sein, über die induktiv ebenfalls elektrische Energie E zwischen dem Fahrzeug 1 und dem externen Energie-Netzwerk 30 während der Fahrt ausgetauscht werden kann. Weiterhin können Ladestationen 36 (schematisch in 2) als stationäre Energiebereitstellungsvorrichtungen EV vorgesehen sein, die auch im Stillstand des Fahrzeuges 1, beispielsweise auf einer Raststätte oder auf einem Betriebshof, einen Austausch von elektrischer Energie E zwischen dem Fahrzeug 1 und dem externen Energie-Netzwerk 30 ermöglichen.
  • Ergänzend können auch weitere Fahrzeuge 100 (schematisch in 2) von weiteren Fahrzeugbetreibern 101 als Energie-Anwender EA an die Ladestationen 36 des Energie-Netzwerkes 30 angekoppelt werden, so dass auch diese weiteren Fahrzeuge 100 auf elektrische Energie E aus dem Energie-Netzwerk 30 zugreifen können. Gemäß einer Ausführung kann vorgesehen sein, dass die weiteren Fahrzeuge 100 als Energie-Anwender EA auch direkt mit dem Fahrzeug 1 elektrisch verbunden werden können, so dass elektrische Energie E unmittelbar zwischen den beiden Fahrzeugen 1, 100 ausgetauscht werden kann. Daher kann allgemein zwischen dem Fahrzeug 1 und einem bestimmten Energie-Anwender EA (Energie-Netzwerk 30, weiteres Fahrzeug 100, etc.) durch eine mittelbare oder unmittelbare elektrische Verbindung Energie E ausgetauscht werden, wobei dies insbesondere im Rahmen einer Energie-Dienstleistung DL erfolgt, wie später noch näher erläutert.
  • Die elektrische Energie E wird im Energie-Netzwerk 30 in Form einer vorgegebenen Netz-Spannung U30 mit einer bestimmten Netz-Frequenz f30 über die Oberleitungen 32 oder die Fahrbahnleitungen 34 übertragen bzw. an den Ladestationen 36 bereitgestellt. Die Netz-Frequenz f30 liegt je nach Auslastung L des Energie-Netzwerkes 30 innerhalb eines Frequenzbandes fB, beispielsweise zwischen 49,8 Hz und 50,2 Hz um eine Mittenfrequenz fM von 50 Hz.
  • Das Fahrzeug 1 kann über mindestens einen Energieabnehmer 5 an die Oberleitungen 32 bzw. an die Ladestation 36 bzw. an das weitere Fahrzeug 100 mechanisch bzw. an die Fahrbahnleitungen 34 induktiv ankoppeln. Als Energieabnehmer 5 wird dabei eine mechanisch oder induktiv ankoppelbare Vorrichtung verstanden, über die Energie E in beide Richtungen abgenommen werden kann, so dass ein Austausch von Energie E erfolgen kann. Gemäß der gezeigten Ausführungsform weist das Zugfahrzeug 1a dazu eine Zugfahrzeug-Gleitschiene 5a als Energieabnehmer 5 für die Oberleitungen 32 und der Anhänger 1b eine Anhänger-Gleitschiene 5b als Energieabnehmer 5 für die Oberleitungen 32 auf, die jeweils während der Fahrt gleitend an der Oberleitung 32 anliegen können, um eine Energieübertragung bzw. eine Energieabnahme zu ermöglichen. Für die mechanische Kopplung kann beispielsweise ein Pantograph sorgen.
  • Es kann aber auch vorgesehen sein, dass lediglich einer der beiden Fahrzeugteile 1a, 1b einen Energieabnehmer 5 in Form einer Gleitschiene aufweist, um eine Energieübertragung zu ermöglichen. Zudem können auch anders ausgeführte Energieabnehmer 5 vorgesehen sein, die ebenso eine Übertragung von elektrischer Energie E zwischen dem Fahrzeug 1 und der Oberleitung 32 während der Fahrt ermöglichen.
  • Wie in 1 beispielhaft für den Anhänger 1b dargestellt, kann als Energieabnehmer 5 für die Fahrbahnleitung 34 ein induktiver Energieabnehmer 5c vorgesehen sein, um eine berührungslose induktive Übertragung von Energie E zwischen dem Energie-Netzwerk 30 und dem Fahrzeug 1 zu ermöglichen. Dieser induktive Energieabnehmer 5c kann ergänzend oder alternativ auch im Zugfahrzeug 1a vorgesehen sein.
  • Wie in 2 dargestellt, kann zur mechanischen Ankopplung an eine Ladestation 36 bzw. an ein weiteres Fahrzeug 100 eine Kupplung 5d als Energieabnehmer 5 am Fahrzeug 1 (Zugfahrzeug 1a und/oder Anhänger 1b) angeordnet sein. Über die Kupplung 5d kann mit einem entsprechenden Ladekabel 5e eine elektrische Verbindung zum jeweiligen Energie-Anwender EA (30, 100) hergestellt werden, um eine Abnahme bzw. einen Austausch von Energie E in die jeweilige Richtung zu ermöglichen. Über eine Kommunikationsleitung im Ladekabel 5e können auch Signale, z.B. mit zusätzlichen Informationen, zwischen dem Fahrzeug 1 und dem jeweiligen Energie-Anwender EA übertragen werden.
  • Das elektrisch oder teilelektrisch betriebene Fahrzeug 1 weist mehrere Energiespeicher 7 auf, wobei gemäß der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform im Zugfahrzeug 1a ein Zugfahrzeug-Energiespeicher 7a und im Anhänger 1b ein Anhänger-Energiespeicher 7b angeordnet sind. Darüber können das Zugfahrzeug 1a und auch der Anhänger 1b während der Fahrt autark mit Energie E versorgt werden, insbesondere um das Fahrzeug 1 zumindest zeitweise elektrisch anzutreiben. Der Zugfahrzeug-Energiespeicher 7a stellt dabei elektrische Energie E mit einer Zugfahrzeug-Spannung U1a und der Anhänger-Energiespeicher 7b eine Anhänger-Spannung U1b bereit. Die Energiespeicher 7a, 7b können vor der Fahrt an der Ladestation 36 oder während der Fahrt durch die Aufnahme von Bremsenergie EB (Rekuperation) aufgeladen werden. Wie später noch näher erläutert, ist auch ein Aufladen über die Oberleitung 32 oder über die Fahrbahnleitung 34 während der Fahrt möglich.
  • Die Energiespeicher 7; 7a, 7b sind dazu in geeigneter Weise auch mit dem oder den Energieabnehmern 5 bzw. den Gleitschienen 5a, 5b bzw. dem induktiven Energieabnehmer 5c bzw. der Kupplung 5d im jeweiligen Fahrzeugteil 1a, 1b verbindbar. Dadurch ist ergänzend ein Austausch von Energie E zwischen einem oder beiden Energiespeichern 7a, 7b und dem Energie-Netzwerk 30 über die stationären Oberleitungen 32 bzw. die stationären Fahrbahnleitungen 34 bzw. die stationäre Ladestation 36 möglich. Dies beinhaltet sowohl eine Übertragung von Energie E (U1a, U1b) aus dem jeweiligen Energiespeicher 7; 7a, 7b in die Oberleitungen 32 bzw. die Fahrbahnleitung 34 bzw. die Ladestation 36, um Energie E (U1a; U1b) vom Fahrzeug 1 in das Energie-Netzwerk 30 einzuspeisen, als auch eine Übertragung von Energie E (U30, f30) von den Oberleitungen 32 bzw. den Fahrbahnleitungen 34 bzw. den Ladestationen 36 in den jeweiligen Energiespeicher 7; 7a, 7b, um diesen aus dem Energie-Netzwerk 30 aufzuladen. Entsprechendes gilt bei einer direkten elektrischen Verbindung mit einem weiteren Fahrzeug 100. Damit ist eine bidirektionale Energieübertragung vorgesehen, was durch die Infrastruktur im Fahrzeug 1 entsprechend gewährleistet werden kann.
  • Ergänzend können im Fahrzeug 1 Wandler-Einrichtungen 9 vorgesehen sein, wobei im Zugfahrzeug 1a eine Zugfahrzeug-Wandler-Einrichtung 9a und im Anhänger 1b eine Anhänger-Wandler-Einrichtung 9b vorgesehen ist, die zwischen dem jeweiligen Energiespeicher 7; 7a, 7b und der jeweiligen Gleitschiene 5a, 5b bzw. der Kupplung 5d als Energieabnehmer 5 angeordnet sind. In gleicher Weise kann dies auch für den induktiven Energieabnehmer 5c vorgesehen sein (nicht explizit dargestellt). Diese dienen dazu, die Zugfahrzeug-Spannung U1a bzw. die Anhänger-Spannung U1b auf die Netz-Spannung U30 zu transformieren oder umgekehrt. In gleicher Weise kann darüber die Zugfahrzeug-Spannung U1a bzw. die Anhänger-Spannung U1b, die in Form einer Gleichspannung in den Energiespeichern 7; 7a, 7b vorliegen, in eine Wechselspannung (Netz-Spannung U30) mit der Netz-Frequenz f30 umgewandelt werden, z.B. über einen Wechselrichter in der jeweiligen Wandler-Einrichtung 9. Umgekehrt kann darüber die Wechselspannung (Netz-Spannung U30) in eine entsprechende Gleichspannung (Zugfahrzeug-Spannung U1a bzw. die Anhänger-Spannung U1b) umgewandelt werden. Wird das Energie-Netzwerk 30 mit Gleichstrom betrieben, ist keine Umwandlung über einen Wechselrichter nötig, sondern allenfalls eine Anpassung des jeweiligen Spannungspegels U1a, U2b, U30.
  • Weiterhin sind im Fahrzeug 1 elektrische Schaltvorrichtungen 11 angeordnet, wobei im Zugfahrzeug 1a eine elektrische Zugfahrzeug-Schaltvorrichtung 11a und im Anhänger 1b eine elektrische Anhänger-Schaltvorrichtung 11b vorgesehen ist, die zwischen dem jeweiligen Energiespeicher 7; 7a, 7b und der jeweiligen Gleitschiene 5a, 5b (1) bzw. der Kupplung 5d (2) als Energieabnehmer 5 angeordnet sind. In gleicher Weise ist auch für den induktiven Energieabnehmer 5c vorgesehen, dass dieser mit einer derartigen elektrischen Schaltvorrichtung 11 verbunden ist (nicht explizit dargestellt). Die elektrischen Schaltvorrichtungen 11 dienen dazu, den jeweiligen Energiespeicher 7; 7a, 7b wahlweise mit der jeweiligen Gleitschiene 5a, 5b bzw. dem induktiven Energieabnehmer 5c bzw. der Kupplung 5d als Energieabnehmer 5 elektrisch zu verbinden bzw. von dieser elektrisch zu trennen. Dadurch kann je nach Schaltstellung der jeweiligen elektrischen Schaltvorrichtung 11; 11a, 11b eine Übertragung von Energie E aus den Energiespeichern 7; 7a, 7b über die jeweilige Gleitschiene 5a, 5b bzw. die Kupplung 5d bzw. den induktiven Energieabnehmer 5c als Energieabnehmer 5 in die Oberleitung 32 bzw. die Fahrbahnleitung 34 bzw. die Ladestation 36 bzw. das weitere Fahrzeug 100 oder umgekehrt ermöglicht oder unterbunden werden. Der mechanische Kontakt zwischen der jeweiligen Gleitschiene 5a, 5b und der Oberleitung 32 bzw. die Verbindung zwischen der Kupplung 5d und dem Energie-Anwender EA (30, 100) über das Ladekabel 5e bzw. die induktive Verbindung zwischen dem induktiven Energieabnehmer 5c und der Fahrbahnleitung 34 kann dabei unabhängig von der Schaltstellung erhalten bleiben, um einen schnellen Energieaustausch zu ermöglichen, sobald die elektrische Schaltvorrichtung 11; 11a, 11b entsprechend angesteuert wird.
  • Vorzugsweise wird die jeweilige elektrische Schaltvorrichtung 11; 11a, 11b mittelbar oder unmittelbar in Abhängigkeit eines Kopplungs-Signals SK, d.h. einem Zugfahrzeug-Kopplungs-Signal SKa bzw. einem Anhänger-Kopplungs-Signal SKb, elektrisch angesteuert. Das jeweilige Kopplungs-Signal SK; SKa, SKb überträgt dabei die Information, ob der jeweilige Energiespeicher 7; 7a, 7b mit der Oberleitung 32 bzw. der Fahrbahnleitung 34 bzw. der Ladestation 36 bzw. mit dem Energie-Netzwerk 30 oder dem weiteren Fahrzeug 100 elektrisch verbunden werden soll oder nicht. Entsprechend findet eine Umschaltung der elektrischen Schaltvorrichtung 11; 11a, 11b im Zugfahrzeug 1a und/oder im Anhänger 1b statt.
  • Das Kopplungs-Signal SK; SKa, SKb wird von einer Verarbeitungseinheit 13 erzeugt, die beispielsweise als eine zentral angeordnete fahrzeuginterne Verarbeitungseinheit 13Z im Fahrzeug 1, d.h. im Anhänger 1b und/oder im Zugfahrzeug 1a, oder als eine externe Verarbeitungseinheit 13E außerhalb des Fahrzeuges 1 ausgeführt sein kann. Das Erzeugen des Kopplungs-Signals SK; SKa, SKb erfolgt dabei über ein Programm bzw. eine Software S, die auf der jeweiligen Verarbeitungseinheit 13 installiert ist. Dies kann bei einer externen Verarbeitungseinheit 13E beispielsweise auch über eine Cloud-Infrastruktur erfolgen, über die z.B. per Software-as-a-Service (SaaS) auf eine gemeinsam nutzbare Software S ggf. mit Unterprogrammen zurückgegriffen werden kann, die das Erzeugen des Kopplungs-Signals SK; SKa, SKb übernimmt.
  • Das Erzeugen des Kopplungs-Signals SK; SKa, SKb ist abhängig von gewissen Regeln, die von einem Netzbetreiber 33 des Energie-Netzwerks 30 aber auch von einem Fahrzeugbetreiber 2 des Fahrzeuges 1 festgelegt werden können. So kann der Netzbetreiber 33 festlegen, unter welchen Bedingungen ein Übertragen von Energie E vom Energie-Netzwerk 30 in die Energiespeicher 7; 7a, 7b, d.h. in eine erste Energie-Übertragungsrichtung R1 (Auflade-Modus), oder ein Übertragen von Energie E aus den Energiespeichern 7; 7a, 7b in das Energie-Netzwerk 30, d.h. in eine zweite Energie-Übertragungsrichtung R2 (Einspeise-Modus), möglich ist. Gleichzeitig kann auch der Fahrzeugbetreiber 2 festlegen, unter welchen Bedingungen Energie E in die jeweilige Energie-Übertragungsrichtung R1, R2 ausgetauscht werden kann bzw. darf. Bedingungen können beispielsweise ein Speicherstatus S7 der Energiespeicher 7; 7a, 7b und/oder ein netzbetreiberseitig oder fahrzeugbetreiberseitig festgelegter Energie-Preis P oder eine Auslastung L des Energie-Netzwerks 30 sein, wie später noch erläutert.
  • In Abhängigkeit der aufgestellten Regeln bzw. der erfüllten oder nichterfüllten Bedingungen kann eine richtungsabhängige Freigabe FG, d.h. eine Netzbetreiber-Freigabe FG33 und/oder eine Fahrzeugbetreiber-Freigabe FG2 erteilt werden, die angibt, ob der jeweilige Betreiber 33, 2 einen Austausch von Energie E gestattet oder nicht und in welche Energie-Übertragungsrichtung R1, R2 ein solcher Austausch von Energie E erlaubt bzw. zugelassen sein soll. In Abhängigkeit der Freigabe FG; FG2, FG33 wird wiederum das jeweilige Kopplungs-Signal SK; SKa, SKb erzeugt und ausgegeben, so dass ein Umschalten der jeweiligen elektrischen Schaltvorrichtung 11; 11a, 11b erfolgen und damit ein Austausch von Energie E in die jeweilige Energie-Übertragungsrichtung R1, R2 ermöglicht bzw. zugelassen werden kann.
  • Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann diese beschriebene Infrastruktur dazu verwendet werden, gezielt für eine bestimmte Anwendung Energie E zwischen den Energiespeichern 7; 7a, 7b im Fahrzeug 1 und dem Energie-Netzwerk 30 und/oder einem weiteren Fahrzeug 100 über die stationäre Energiebereitstellungsvorrichtung EV, d.h. die Oberleitung 32 oder die Fahrbahnleitungen 34 oder die Ladestation 36, oder über eine direkte Verbindung auszutauschen. Dadurch kann vom Fahrzeugbetreiber 2, während der Fahrt oder im Stillstand, eine Energie-Dienstleistung DL erbracht werden.
  • Unter einer Energie-Dienstleistung DL wird dabei z.B. verstanden, dass das Fahrzeug 1 seine Energiespeicher 7; 7a, 7b bereitstellt, um Energie E von einem Energie-Anwender EA, z.B. aus dem Energie-Netzwerk 30 oder direkt von einem weiteren Fahrzeug 100, aufzunehmen oder Energie E an einen solchen Energie-Anwender EA abzugeben bzw. diesem Energie E bereitzustellen. Die bereitgestellte Energie E kann dann z.B. zum Laden eines anderen Fahrzeuges 100 über eine direkte Verbindung (Ladekabel 5e) oder mittelbar über die stationären Energiebereitstellungsvorrichtungen EV (32, 34, 36) verwendet werden, an die das weitere Fahrzeug 100 ebenfalls angekoppelt werden kann. Die bereitgestellte Energie E kann aber auch zur Stabilisierung des Energie-Netzwerkes 30 bei einer Überlastung infolge einer Vielzahl von weiteren Fahrzeugen 100, die dem Energie-Netzwerk 30 Energie E entziehen, vorgesehen sein.
  • Eine Aufnahme von Energie E durch die Energiespeicher 7; 7a, 7b im Fahrzeug 1 kann beispielsweise vorgesehen sein, wenn ein anderer Energie-Anwender EA überschüssige Energie E besitzt, die er selbst nicht ökonomisch sinnvoll einsetzen kann und die daher an einer anderen Stelle, z.B. in den Energiespeichern 7; 7a, 7b des Fahrzeuges 1, „aufbewahrt“ bzw. gespeichert werden soll. Dies beinhaltet beispielsweise auch, dass das Energie-Netzwerk 30 unterlastet ist, d.h. „zu viel“ Energie E vorhält, so dass durch eine Aufnahme von Energie E aus dem Energie-Netzwerk 30 Schwankungen in der Auslastung L des Energie-Netzwerkes 30 ausgeglichen und damit für ein stabiles, im Gleichgewicht befindliches Energie-Netzwerk 30 gesorgt werden kann.
  • Ergänzend zu diesen vom Fahrzeugbetreiber 2 erbringbaren Energie-Dienstleistungen DL kann der Netzbetreiber 33 seine stationären Energiebereitstellungsvorrichtungen EV aber auch bereitstellen, um im Bedarfsfall in einem Regelbetrieb des Fahrzeuges 1 Energie E für ein Aufladen der Energiespeicher 7; 7a, 7b oder für eine Antriebsunterstützung bereitzustellen. Dies stellt dann jedoch keine durch den Fahrzeugbetreiber 2 erbrachte Energie-Dienstleistung DL im Sinne der Erfindung dar, sondern eine davon unabhängige Energiebereitstellungs-Dienstleistung seitens des Netzbetreibers 33.
  • Die Energie-Dienstleistung DL kann dabei grundsätzlich in jedem beliebigen Fahrzustand des Fahrzeuges 1 erbracht werden, insofern die Energie-Dienstleistung DL den jeweiligen (aktuellen oder zukünftigen) Fahrzustand des Fahrzeugs 1 nicht beeinträchtigt. Wenn das Fahrzeug 1 also elektrisch durch die Energiespeicher 7; 7a, 7b angetrieben wird, kann der Energiespeicher 7; 7a, 7b unabhängig vom Antriebszustand des Fahrzeugs 1 Energie E aus dem Energie-Netzwerk 30 aufnehmen oder überschüssige Energie E zur Stabilisierung und/oder zur Bereitstellung von Energie E für andere am Energie-Netzwerk 30 angeschlossene Fahrzeuge 100 in das Energie-Netzwerk 30 abgeben, um die Energie-Dienstleistung DL zu erbringen, ohne dass der Fahrbetrieb dadurch beeinträchtigt wird.
  • Wird das Fahrzeug 1 abgebremst und ist dadurch Rekuperationsleistung bzw. Bremsenergie EB vorhanden, kann der jeweilige Energiespeicher 7; 7a, 7b diese Bremsenergie EB vollständig aufnehmen oder der jeweilige Energiespeicher 7; 7a, 7b nur einen Teil der Bremsenergie EB aufnehmen und den Rest in das Energie-Netzwerk 30 abgeben oder die gesamte durch Rekuperation umgewandelte Bremsenergie EB in das Energie-Netzwerk 30 abgeben. Ergänzend kann in dem Fall zusätzlich gespeicherte Energie E aus dem jeweiligen Energiespeicher 7; 7a, 7b in das Energie-Netzwerk 30 abgegeben werden.
  • Weiterhin kann im Stillstand des Fahrzeuges 1 bei überschüssig vorhandener Energie E, weil z.B. während der Fahrt genügend Bremsenergie EB aufgenommen wurde und ein voller Energiespeicher 7; 7a, 7b für eine zukünftige Weiterfahrt nicht zwingend nötig ist, Energie E über die jeweilige stationäre Energiebereitstellungsvorrichtung EV bzw. über eine direkte Verbindung an andere Energie-Anwender EA bereitgestellt werden. Dies sollte jedoch nur bis zu einer festgelegten Restlade-Kapazität KR von beispielsweise 20% erfolgen, um eine zuverlässige Weiterfahrt des Fahrzeuges 1 bis zur nächste Lademöglichkeit sicherstellen zu können.
  • Gemäß 3 kann das Erbringen der Energie-Dienstleistung DL durch die folgenden Schritte gewährleistet werden:
    • Zunächst wird in einem anfänglichen Schritt ST0 durch die Verarbeitungseinheit 13 eine Anfrage AF zum Erbringen einer Energie-Dienstleistung DL durch den Fahrzeugbetreiber 2 erkannt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass von einem Energie-Abnehmer EA aktiv ein Kontakt (mechanisch, induktiv) zu dem jeweiligen Energieabnehmer 5 im Fahrzeug 1 aufgebaut wird. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Anfrage-Signal SA drahtlos, beispielsweise per 5G oder WLAN, LoraWAN, etc., oder drahtgebunden, beispielsweise über PLC (Power-Line-Communication) oder über die Kommunikationsleitung im Ladekabel 5e, an die Verarbeitungseinheit 13 übermittelt werden. Das Anfrage-Signal SA enthält dann die entsprechende Anfrage AF zum Erbringen der Energie-Dienstleistung DL. Die Verarbeitungseinheit 13 weist dazu eine Kommunikationseinheit 15 auf, über die verschiedene Signale drahtlos oder drahtgebunden ausgetauscht werden können. Daraufhin wird in der Verarbeitungseinheit 13 wie folgt geprüft, ob ein Austausch von Energie E stattfinden kann oder nicht:
      • Zunächst wird in einem ersten Schritt ST1 geprüft, ob eine Freigabe FG erteilt wurde. Dies beinhaltet eine Netzbetreiber-Freigabe FG33 (ST1.1; ST1.3) und/oder eine Fahrzeugbetreiber-Freigabe FG2 (ST1.2), die beide in einer Wechselbeziehung zueinander stehen können. In Abhängigkeit davon wird in einem zweiten Schritt ST2 über die Verarbeitungseinheit 13, extern (13E) oder zentral im Fahrzeug 1 (13Z), ein Kopplung-Signal SK; SKa, SKb für das Zugfahrzeug 1a und/oder für den Anhänger 1b erzeugt und ausgegeben, um eine elektrische Verbindung herzustellen und damit einen Austausch von Energie E zu ermöglichen. Dies kann, je nach erteilter Freigabe FG; FG33, FG2 auch beinhalten, dass nur einer der beiden Energiespeicher 7a, 7b im Fahrzeug 1 mit dem Energie-Netzwerk 30 oder dem weiteren Fahrzeug 100 verbunden wird. In einem dritten Schritt ST3 findet anschließend der Energieaustausch statt, wobei je nach erteilter Freigabe FG; FG33, FG2 Energie E in die jeweilige Energie-Übertragungsrichtung R1, R2 übertragen wird, um die jeweilige Energie-Dienstleistung DL zu erbringen.
  • Die Schritte werden dabei fortlaufend durchlaufen, so dass der Energieaustausch bei einer zurückgenommenen oder bei einer geänderten Freigabe FG; FG33; FG2 auch angepasst werden kann, um beispielsweise auf Schwankungen in der Auslastung L des Energie-Netzwerks 30 und/oder auf Änderungen eines Speicherstatus S7 des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b und/oder auf einen geänderten Energie-Preis P zu reagieren.
  • Das Erteilen einer Netzbetreiber-Freigabe FG33 durch den Netzbetreiber 33 des Energie-Netzwerkes 30 kann, wie bereits angedeutet, gemäß einem ersten Unterschritt ST1.1 in Abhängigkeit der Auslastung L des Energie-Netzes 30 erfolgen. Ist das Energie-Netzwerk 30 stark ausgelastet bzw. weist eine hohe Auslastung Lh auf, weil viele Fahrzeuge über die Oberleitung 32 oder die Fahrbahnleitung 34 oder die Ladestation 36 Energie E aufnehmen, so hat dies eine sinkende Netz-Frequenz f30 zur Folge. Da die Netz-Frequenz f30 innerhalb des angegebenen Frequenzbandes fB liegen sollte, kann der Netzbetreiber 33 damit reagieren, dass eine Netzbetreiber-Freigabe FG33 im Rahmen der Energie-Dienstleistung DL zumindest für einige Fahrzeuge temporär nur noch für die zweite Energie-Übertragungsrichtung R2 erteilt wird. Auf der anderen Seite kann eine geringe Auslastung Lg des Energie-Netzwerkes 30 vorliegen, weil nur wenige Fahrzeuge Energie E aufnehmen und ggf. eine Vielzahl von Fahrzeugen Energie E in das Energie-Netzwerk 30 einspeisen. Dies hat zur Folge, dass die Netz-Frequenz f30 steigt. Um die Netz-Frequenz f30 auch hier innerhalb des vorgegebenen Frequenzbandes fB zu halten, kann der Netzbetreiber 33 damit reagieren, dass eine Netzbetreiber-Freigabe FG33 im Rahmen der Energie-Dienstleistung DL zumindest für einige Fahrzeuge temporär nur noch für die erste Energie-Übertragungsrichtung R1 erteilt wird.
  • Demnach kann über die Netzbetreiber-Freigabe FG33 festgelegt werden, dass das Fahrzeug 1 nur noch Energie E aus seinen Energiespeichern 7; 7a, 7b in das Energie-Netzwerk 30 einspeisen oder nur noch Energie E aus dem Energie-Netzwerk 30 zum Laden der Energiespeicher 7; 7a, 7b nutzen darf, um die hohe bzw. geringe Auslastung Lh, Lg des Energie-Netzwerkes 30 zu kompensieren. Dem Fahrzeug 1 bzw. dem Fahrzeugbetreiber 2 wird in diesem Fall also angeboten, eine entsprechende Energie-Dienstleistung DL zu erbringen, um für eine dauerhafte Stabilisierung des Energie-Netzwerks 30 zu sorgen. Dies ist zunächst unabhängig davon, ob im Fahrzeug 1 genügend Energie E zur Verfügung steht bzw. ob das Fahrzeug 1 tatsächlich Energie E benötigt. Ob die Energie-Dienstleistung DL erfüllt oder abgelehnt wird, kann der Fahrzeugbetreiber 2 nämlich anschließend selbst entscheiden, wie später noch näher erläutert (s. Unterschritt ST1.2). Ergänzend kann die im Rahmen dieser Energie-Dienstleistung DL in die Energiespeicher 7; 7a, 7b aufgenommene Energie E vom Fahrzeug 1 selbst auch im Regelbetrieb genutzt werden.
  • Die Netzbetreiber-Freigabe FG33, die in Abhängigkeit der Auslastung L in die jeweilige Energie-Übertragungsrichtung R1, R2 wirkt, kann hierbei über ein Freigabe-Signal SF, vorzugsweise drahtlos, beispielsweise per 5G oder WLAN, LoraWAN, etc., oder drahtgebunden, beispielsweise über PLC oder über die Kommunikationsleitung im Ladekabel 5e, an die Kommunikationseinheit 15 in der externen oder in der fahrzeuginternen Verarbeitungseinheit 13E; 13Z gemeldet werden. In Abhängigkeit davon kann die externe oder die fahrzeuginterne Verarbeitungseinheit 13E; 13Z anschließend entscheiden, ob in einem zweiten Schritt ST2 ein Kopplungs-Signal SK; SKa, SKb für die jeweilige elektrische Schaltvorrichtung 11; 11a, 11b im Zugfahrzeug 1a und/oder im Anhänger 1b erzeugt und ausgegeben wird, um die Energie-Dienstleistung DL erbringen zu können. Je nach Art der Netzbetreiber-Freigabe FG33 kann auch ein selektives Umschalten der jeweiligen elektrischen Schaltvorrichtung 11; 11a, 11b lediglich im Zugfahrzeug 1a oder im Anhänger 1b erfolgen.
  • Grundsätzlich kann das Fahrzeug 1 bzw. die externe oder fahrzeuginterne Verarbeitungseinheit 13E; 13Z aber auch selbstständig darauf schließen, ob eine Netzbetreiber-Freigabe FG33 vorliegt. Dazu kann vorgesehen sein, dass die Netz-Frequenz f30 vom Fahrzeug 1 z.B. über den jeweiligen Energieaufnehmer 5 (mechanisch, induktiv) fortlaufend gemessen wird. Andererseits könnte der Netzbetreiber 33 die Netz-Frequenz f30 auch fortlaufend an das Fahrzeug 1 übermitteln. Die jeweilige Verarbeitungseinheit 13E; 13Z kann anhand dessen feststellen, ob die Netz-Frequenz f30 ausgehend von der Mittenfrequenz fM von beispielsweise 50Hz nach oben oder nach unten hin abweicht und dabei innerhalb des Frequenzbandes fB liegt, wobei die Mittenfrequenz fM und das Frequenzband fB ebenfalls vom Netzbetreiber 33 mitgeteilt werden können. Daraus folgt wie bereits beschrieben unmittelbar die Auslastung L. In Abhängigkeit davon kann in der externen oder fahrzeuginternen Verarbeitungseinheit 13E; 13Z festgestellt werden, in welcher Energie-Übertragungsrichtung R1, R2 mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Netzbetreiber-Freigabe FG33 vorliegen sollte (Lh: fB<fM: Einspeise-Modus, Lg: fB>fM: Auflade-Modus). In Abhängigkeit davon kann die jeweilige Verarbeitungseinheit 13E; 13Z wiederum entscheiden, ob und welches Kopplungs-Signal SK; SKa, SKb im zweiten Schritt ST2 ausgegeben wird.
  • Das Erteilen einer Fahrzeugbetreiber-Freigabe FG2 durch den Fahrzeugbetreiber 2 des Fahrzeuges 1 erfolgt, wie bereits angedeutet, gemäß einem zweiten Unterschritt ST1.2 insbesondere in Abhängigkeit eines Energie-Preises P und/oder in Abhängigkeit eines Speicherstatus S7 der Energiespeicher 7; 7a, 7b. Der Speicherstatus S7 gibt dabei an, in welchem Zustand sich der jeweilige Energiespeicher 7; 7a, 7b befindet, während der Energie-Preis P die Kosten für eine bestimmte Energie-Dienstleistung DL widerspiegelt. Der Energie-Preis P wird dabei fahrzeugspezifisch bzw. speicherspezifisch in einem Kostenkalkulationsmodul 50 in der Verarbeitungseinheit 13 des jeweiligen Fahrzeuges 1 ermittelt. Das Kostenkalkulationsmodul 50 ist beispielsweise eine Untereinheit der jeweiligen Verarbeitungseinheit 13, beispielsweise ein Unterprogramm UP der Software S.
  • Über eine entsprechende Auslegung des Kostenkalkulationsmoduls 50 kann der Fahrzeugbetreiber 2 festlegen, unter welchen preislichen bzw. wirtschaftlichen Bedingungen er eine Energie-Dienstleistung DL durch Aufnehmen oder Abgeben von Energie E von einem bzw. an einen Energie-Anwender EA (30, 100) in bzw. aus dem jeweiligen Energiespeicher 7; 7a, 7b erbringen möchte und daher unter welchen wirtschaftlichen Bedingungen er letztlich eine Fahrzeugbetreiber-Freigabe FG2 erteilt. Dies gilt dabei für beide Energie-Übertragungsrichtungen R1, R2 wie folgt:
    • Zunächst kann zum Charakterisieren des Speicherstatus S7 für jeden Energiespeicher 7; 7a, 7b ein Statusfaktor F; Fa (Zugfahrzeug-Statusfaktor), Fb (Anhänger-Statusfaktor) ermittelt werden, der wie später erläutert abhängig davon ermittelt wird, ob der Einspeise-Modus oder der Auflade-Modus vorliegt, d.h. Energie E im Rahmen der Energie-Dienstleistung DL abgegeben oder aufgenommen werden soll. Aus diesem folgt zunächst, ob es ein Degenerationszustand DEG; DEGa (Zugfahrzeug-Degenerationszustand), DEGb (Anhänger-Degenerationszustand) und auch ein Ladezustand Z; Za, Zb des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b zulassen, dass Energie E im Einspeise-Modus z.B. in das Energie-Netz 30 abgegeben als auch im Auflade-Modus in den jeweiligen Energiespeicher 7; 7a, 7b aufgenommen werden kann. Der Statusfaktor F; Fa, Fb wird dabei wie folgt bestimmt:
      • Zunächst wird von einem Zustandswächter 17 im Fahrzeug 1 ein Ladezustand Z des Energiespeichers 7, d.h. ein Zugfahrzeug-Ladezustand Za des Zugfahrzeug-Energiespeichers 7a bzw. ein Anhänger-Ladezustand Zb des Anhänger-Energiespeichers 7b erfasst. Aus diesem kann ein Stromaufnahme-Ladezustands-Wert ZW1 ermittelt werden, der zwischen 0 (leer bzw. 0%) und 1 (voll bzw. 100%) liegen kann, und ein Stromabgabe-Ladezustands-Wert ZW2, der zwischen 0 (voll bzw. 100%) und 1 (leer bzw. 0%) liegen kann. Durch die Unterteilung in Stromaufnahme- und Stromabgabe-Ladezustands-Wert ZW1, ZW2 wird berücksichtigt, dass bei einer Stromaufnahme (erste Energie-Übertragungsrichtung R1, Auflade-Modus) ein voller Energiespeicher 7; 7a, 7b, insbesondere im Hinblick auf den daraus folgenden Energie-Preis P, anders zu bewerten ist als ein voller Energiespeicher 7; 7a, 7b bei einer Stromabgabe (zweite Energie-Übertragungsrichtung R2, Einspeise-Modus). Dies spiegelt sich durch die entsprechend umgekehrte Gewichtung wider.
  • Weiterhin wird vom Zustandswächter 17 eine Speichertemperatur T des Energiespeichers 7, d.h. eine Zugfahrzeug-Speichertemperatur Ta des Zugfahrzeug-Energiespeichers 7a und eine Anhänger-Speichertemperatur Tb des Anhänger-Energiespeichers 7b überwacht, insbesondere während der Lade- und Entladevorgänge. Daraus wird ein Temperaturzustands-Wert TW ermittelt, der einen Wert zwischen 0 (z.B. bei T= 30°C) und 1 (z.B. bei T>=80°C und T<-20°C) annehmen kann, wobei für T>80°C und T<-20°C angenommen wird, dass der jeweilige Energiespeicher 7; 7a, 7b nicht mehr optimal arbeitet (erhöhter Verschleiß und erhöhte Defektanfälligkeit) und dieser bei T=30°C optimal funktioniert.
  • Weiterhin wird vom Zustandswächter 17 ein Lade- und Endladeverhalten V des Energiespeichers 7, d.h. ein Zugfahrzeug-Lade- und Entladeverhalten Va des Zugfahrzeug-Energiespeichers 7a und ein Anhänger-Lade- und Entladeverhalten Vb des Anhänger-Energiespeichers 7b ermittelt, beispielsweise über die Strom-, Spannungs- oder Widerstandsänderung des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b beim Laden oder Entladen. Darüber lässt sich der Degenerationszustand DEG; DEGa, DEGb des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b angeben.
  • Der Zustandswächter 17 ist dabei in beliebiger Weise mit der Verarbeitungseinheit 13 verbunden, vorzugsweise über die Kommunikationseinheit 15, um die jeweils ermittelten Werte, die einen Einfluss auf den Degenerationszustand DEG; DEGa, DEGb haben, über ein Zustands-Signal SZ drahtlos, beispielsweise per 5G oder WLAN, LoraWAN, etc., oder drahtgebunden, beispielsweise über PLC oder über die Kommunikationsleitung im Ladekabel 5e, an die Verarbeitungseinheit 13 zur Weiterverarbeitung ausgeben zu können.
  • Weiterhin wird von der Verarbeitungseinheit 13 über das Zustands-Signal SZ eine Zyklenfestigkeit Y; Ya (Zugfahrzeug-Zyklenfestigkeit); Yb (Anhänger-Zyklenfestigkeit) des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b eingelesen, die angibt, wie häufig der jeweiligen Energiespeicher 7; 7a, 7b geladen und entladen werden kann, bevor eine Restkapazität einen Wert von 80% unterschreitet. Ein der Zyklenfestigkeit Y; Ya, Yb zugeordneter Zyklenfestigkeits-Wert YW kann zwischen 0 (hohe Zyklenfestigkeit, z.B. > 10'000 Lade-/Entladezyklen) und 1 (geringe Zyklenfestigkeit Y, z.B. <1'000 Lade-/Entladezyklen) liegen. Weiterhin kann über das Zustands-Signal SZ ein Speicheralter A des Energiespeichers 7, d.h. ein Zugfahrzeug-Speicheralter Aa des Zugfahrzeug-Energiespeichers 7a und ein Anhänger-Speicheralter Ab des Anhänger-Energiespeichers 7b eingelesen werden. Daraus kann abgeleitet werden, wie alt der jeweilige Energiespeicher 7; 7a, 7b bereits ist. Auch weitere Größen, die einen Einfluss auf den Speicherstatus S7 haben, können über das Zustands-Signal SZ von der Verarbeitungseinheit 13 über die Kommunikationseinheit 15 eingelesen werden, beispielsweise eine Umgebungstemperatur TU oder die Zugfahrzeug-Spannung U1a und/oder die Anhänger-Spannung U1b.
  • Der Statusfaktor F; Fa, Fb kann in der Verarbeitungseinheit 13 mit diesen Größen beispielsweise über die folgende Formel berechnet werden: F = ( w 1 * ( w 2 * YW + w 3 * TW + w4 * C ( V , A , U 1 a , U 2 a , TU ) ) + ( w 5 * ( ZW 1 ; ZW 2 ) ) ,
    Figure DE102020125849A1_0001
    wobei die Größen YW, TW und C den Degenerationszustand DEG; DEGa, DEGb des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b charakterisieren und in dem Wert „C“ verschiedene Einflussfaktoren V, A, U1a, U2a, TU gesammelt sind, die einen Einfluss auf den Degenerationszustand DEG; DEGa, DEGb haben können. Auch bei den Einflussfaktoren C kann berücksichtigt werden, ob ein Auflade-Modus oder ein Einspeise-Modus vorliegt, d.h. in welcher Energie-Übertragungsrichtung R1, R2 im Rahmen der Energie-Dienstleistung DL Energie E übertragen wird.
  • „w1“ stellt entsprechend eine Gewichtung für den Degenerationszustand DEG; DEGa, DEGb des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b und „w5“ eine Gewichtung für den Ladezustand Z; Za, Zb des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b, wobei je nach Energie-Übertragungsrichtung R1, R2 der Stromaufnahme- bzw. der Stromabgabe-Ladezustands-Wert ZW1, ZW2 des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b verwendet wird, dar, wobei „w1“ und „w5“ beispielsweise jeweils 0,5 sein können, so dass der Degenerationszustand DEG; DEGa, DEGb und der Ladezustand Z (ZW1 oder ZW2) denselben Einfluss auf den Statusfaktor F haben. „w2“ stellt entsprechend eine Gewichtung für die Zyklenfestigkeit Y; Ya, Yb des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b, „w3“ eine Gewichtung für die Speichertemperatur T; Ta, Tb des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b und „w4“ eine Gewichtung für die weiteren Einflussfaktoren „C“ dar.
  • Der Statusfaktor F; Fa, Fb kann für jeden Energiespeicher 7; 7a, 7b bestimmt werden, wobei die einzelnen Werte YW, TW, C abhängig vom Typ des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b spezifisch gewichtet werden, wobei gelten soll: w2 + w3 + w4 = 1 und w1 + w5 = 1.
  • Der derartig ermittelte Statusfaktor F; Fa, Fb kann einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen. Ein Statusfaktor F; Fa, Fb von 1 drückt hierbei im Einspeise-Modus (zweite Energie-Übertragungsrichtung R2, Stromabgabe-Ladezustands-Wert ZW2) aus, dass der jeweilige Energiespeicher 7; 7a, 7b nicht betriebsbereit ist (entladen und/oder degeneriert), während ein Statusfaktor F; Fa, Fb von 0 im Einspeise-Modus (zweite Energie-Übertragungsrichtung R2, Stromabgabe-Ladezustands-Wert ZW2) angibt, dass der jeweilige Energiespeicher 7; 7a, 7b neuwertig (nicht degeneriert) und 100% geladen und daher betriebsbereit ist. Zwischenwerte ergeben sich entsprechend aus einer teilweisen Entladung und/oder einer teilweisen Degeneration. In Abhängigkeit des Statusfaktors F; Fa, Fb, der den Speicherstatus S7 charakterisiert, kann von der Verarbeitungseinheit 13 für die Stromabgabe/Einspeisung bzw. den Stromabgabe-Ladezustands-Wert ZW2 beurteilt werden, ob ein Einspeisen von Energie E aus dem jeweiligen Energiespeicher 7; 7a, 7b in das Energie-Netzwerk 30 bzw. allgemein eine Abgabe von Energie E an den jeweiligen Energie-Anwender EA (30, 100) zum Erbringen der Energie-Dienstleistung DL sinnvoll ist.
  • Entsprechend drückt bei umgedrehter Gewichtung des Stromaufnahme-Ladezustands-Wertes ZW1 gegenüber dem Stromabgabe-Ladezustands-Wert ZW2 ein Statusfaktor F; Fa, Fb von 1 im Auflade-Modus (erste Energie-Übertragungsrichtung R1, Stromaufnahme-Ladezustands-Wert ZW1) aus, dass der jeweilige Energiespeicher 7; 7a, 7b nicht betriebsbereit ist (voll beladen und/oder degeneriert), und ein Statusfaktor F; Fa, Fb von 0 im Auflade-Modus (erste Energie-Übertragungsrichtung R1, Stromaufnahme-Ladezustands-Wert ZW1), dass der jeweilige Energiespeicher 7; 7a, 7b neuwertig (nicht degeneriert) und voll entladen und daher betriebsbereit ist. In Abhängigkeit des Statusfaktors F; Fa, Fb kann von der Verarbeitungseinheit 13 für die Stromaufnahme bzw. den Stromaufnahme-Ladezustands-Wert ZW1 beurteilt werden, ob ein Aufnehmen von Energie E aus dem Energie-Netzwerk 30 bzw. allgemein von dem jeweiligen Energie-Anwender EA (30, 100) in den jeweiligen Energiespeicher 7; 7a, 7b sinnvoll ist, um die jeweilige Energie-Dienstleistung DL zu erbringen.
  • Sind die Energiespeicher 7; 7a, 7b also beispielsweise bereits fast voll geladen, was einem hohen Statusfaktor F; Fa, Fb unter Berücksichtigung des Stromaufnahme-Ladezustands-Wertes ZW1 entspricht, ist ein Aufnehmen (Auflade-Modus) weiterer Energie E von einem Energie-Anwender EA (30, 100) nicht sinnvoll. Ebensowenig ist das Abgeben (Einspeise-Modus) von Energie E bei einem niedrig geladenen Energiespeicher 7; 7a, 7b, was einem hohen Status-Faktor F; Fa, Fb unter Berücksichtigung des Stromabgabe-Ladezustands-Wertes ZW2 entspricht, sinnvoll, wobei auch zu berücksichtigen ist, ob das Fahrzeug 1 ggf. selbst in naher Zukunft die Energie E benötigen könnte. Dementsprechend kann eine Fahrzeugbetreiber-Freigabe FG2 für eine Energieübertragung in Abhängigkeit des jeweiligen Status-Faktors F; Fa, Fb, der den jeweiligen Speicherstatus S7 charakterisiert, selektiv für einen oder beide Energiespeicher 7; 7a, 7b in die jeweilige Energie-Übertragungsrichtung R1, R2 erteilt werden oder nicht, um die jeweilige Energie-Dienstleistung DL zu erbringen oder eben nicht.
  • Aus dem Statusfaktor F; Fa, Fb mit ZW1 oder ZW2 wird neben der Bestimmung des Speicherstatus S7 in dem Kostenkalkulationsmodul 50 der Verarbeitungseinheit 13 auch abgeleitet, ob bzw. wann es aus ökonomischer Sicht gerechtfertigt ist, Energie E im Einspeise-Modus abzugeben bzw. im Auflade-Modus aufzunehmen. Bei dieser Betrachtung ist auch der Degenerationszustand DEG; DEGa, DEGb des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b entscheidend, der mit jedem Lade- und Entladevorgang voranschreitet, so dass sich der Geldwert des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b mindert. Zudem wirkt sich die Schnelligkeit eines Lade- und Entladevorganges auf den Degenerationszustand DEG; DEGa, DEGb des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b aus. Eine erbrachte Energie-Dienstleistung DL hat also selbst ohne, dass die Energie E zum Betreiben des Fahrzeuges 1 genutzt wird, einen Kostennachteil für den Fahrzeugbetreiber 2 aufgrund einer Wertminderung des Energiespeichers 7; 7a, 7b.
  • Um dies zu berücksichtigen, wird durch das Kostenkalkulationsmodul 50 ein Energie-Preis P angesetzt, den der Fahrzeugbetreiber 2 pro übertragene kWh (Kilowattstunde) mindestens verlangen sollte, damit sich die Energie-Dienstleistung DL (z.B. Kompensieren der Auslastung L des Energie-Netzwerkes 30 oder das Aufladen eines weiteren Fahrzeuges 100) für den Fahrzeugbetreiber 2 rechnet, wenn dieser diese Energie-Dienstleistung DL erbringt. In Abhängigkeit dieses Energie-Preises P kann der Fahrzeugbetreiber 2 dann eine Fahrzeugbetreiber-Freigabe FG2 erteilen, insofern der jeweiligen Energie-Anwender EA diesem Energie-Preis P durch eine entsprechende Freigabe FG33, FG101 zugestimmt hat.
  • Der Energie-Preis P kann sich dabei aus den Anschaffungskosten sowie der daraus verbundenen Abschreibung des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b zusammensetzen, wobei zur Abschätzung der Wertminderung ergänzend auch ein Degenerationszustand DEG; DEGa, DEGb des Energiespeichers 7; 7a, 7b berücksichtigt werden kann. Der Fahrzeugbetreiber 2 kann dabei direkt einen festen Energie-Preis P für ausgetauschte Energie E festlegen oder aber eine dynamische Anpassung des Energie-Preises P vornehmen.
  • Eine dynamische Anpassung lässt sich dabei aus dem Statusfaktor F; Fa, Fb mit ZW1 oder ZW2, je nach Energie-Übertragungsrichtung R1, R2, herleiten, da dieser über die Größen YW, TW, C, die den Degenerationszustand DEG; DEGa, DEGb angeben, auch ein Maß für die Wertminderung des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b enthält. Zudem ist auch der Ladezustand Z; Za, Zb für den angebotenen Energie-Preis P entscheidend, da aus Wertminderungsgründen und auch aus Gründen der Eigennutzung eine Entnahme aus einem vollen Energiespeicher 7; 7a, 7b günstiger ist als die Entnahme aus einem halbvollen Energiespeicher 7; 7a, 7b. Daher kann für den Energie-Preis P die folgende Formel angesetzt werden, die der Fahrzeugbetreiber 2 im Kostenkalkulationsmodul 50 hinterlegt: P 1 = PE × ( 1 − F ( ZW 1 ) ) bzw . P 2 = PE × ( 1 + F ( ZW 2 ) )
    Figure DE102020125849A1_0002
    wobei PE ein aktuell vorliegender Einkaufspreis für Energie E, z.B. 30 Cent für 1kWh, P1 ein Aufnahme-Energie-Preis und P2 ein Abgabe-Energie-Preis darstellt. Es wird also eine Unterscheidung getroffen, ob das Fahrzeug 1 Energie E vom jeweiligen Energie-Anwender EA (30, 100) aufnimmt (Aufnahme-Energie-Preis P1) oder aus seinen Energiespeichern 7; 7a, 7b an den jeweiligen Energie-Anwender EA (30, 100) abgibt (Abgabe-Energie-Preis P2). Über den jeweiligen Ladezustands-Wert ZW1, ZW2 wird dabei berücksichtigt, dass beispielsweise ein weiteres Aufnehmen von Energie E bei einem vollen Energiespeicher 7; 7a, 7a teurer ist als das Abgeben von Energie E bei einem vollen Energiespeicher 7; 7a, 7b. Der Fahrzeugbetreiber 2 des Fahrzeuges 1 kann auch weitere Parameter festlegen und damit den Einkaufspreis PE entsprechend gewichten, wobei dies durch eine entsprechende Anpassung der obigen Formel für den Energie-Preis P (P1, P2) im Kostenkalkulationsmodul 50 erfolgt.
  • Der Preisunterschied zwischen der Aufnahme und der Abgabe ergibt sich auch daraus, dass bei einer Übertragung von Energie E in das Energie-Netzwerk 30 aus den Energiespeichern 7; 7a, 7b zum einen Energie E bereitgestellt wird, die andere Fahrzeuge verwenden (können) und die diese Fahrzeuge entsprechend auch an den Netzbetreiber 33 bezahlen, und zum anderen auch eine Energie-Dienstleistung DL erbracht wird (z.B. Stabilisieren des Energie-Netzwerks 30, Einspeisen von zusätzlich benötigter Energie E). Bei einer Aufnahme von Energie E aus dem Energie-Netzwerk 30 oder von einem weiteren Fahrzeug 100 wird die Energie-Dienstleistung DL dem Einkaufspreis PE entsprechend gegengerechnet. Hierbei kann der Einfluss des Status-Faktors F; Fa, Fb auch entsprechend anders gewichtet werden.
  • Der Energie-Preis P kann dabei von dem Kostenkalkulationsmodul 50 fortlaufend anhand der von dem Zustandswächter 17 bzw. der über das Zustands-Signal SZ an die Verarbeitungseinheit 13 ausgegebenen Größen aktualisiert werden, z.B. anhand des Lade- und Entladeverhaltens V; Va, Vb. So wird sichergestellt, dass z.B. bei einem Schnellentladevorgang, z.B. größer 50 kW, der Energie-Preis P höher ist als bei einer langsamen Entladung, z.B. kleiner 50 kW, so dass verhindert wird, dass das Entladen des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b aufgrund eines schneller voranschreitenden Degenerationszustandes DEG; DEGa, DEGb des Energiespeichers 7; 7a, 7b teurer wird als durch die jeweilige Energie-Dienstleistung DL eingenommen wird. Weiterhin kann auch das Speicheralter A; Aa, Ab einen Einfluss auf den Energie-Preis P haben, wobei der Degenerationszustand DEG; DEGa, DEGb eines älteren, bereits abgeschriebenen Energie-Speichers 7; 7a, 7b keinen Einfluss mehr auf seine Wertminderung hat, so dass ein geringerer Energie-Preis P angesetzt werden kann.
  • Auch der Ladezustand Z; Za, Zb selbst kann einen Einfluss haben, da der Fahrzeugbetreiber 2 bei einer hohen Batterieladung eher bereit ist, Energie E abzugeben, als bei einer niedrigen Batterieladung, auch deshalb, weil der Ladezustand Z; Za, Zb des jeweiligen Energiespeichers 7; 7, 7b optimalerweise zwischen 40% und 80% gehalten werden sollte, um ein zu schnelles Fortschreiten des Degenerationszustandes DEG zu vermeiden. Zudem soll auch eine Restlade-Kapazität KR von beispielsweise 20% vorgehalten werden, um zukünftig selbst weiterfahren zu können. Entsprechend gilt dies in umgedrehter Weise für ein Aufnehmen von Energie E, wobei bei einer niedrigen Batterieladung, z.B. kleiner 40%, die Bereitschaft zum Aufnehmen höher ist als bei einer hohen Batterieladung, z.B. >80%, wobei sich die höhere/niedrigere Bereitschaft entsprechend in einem geringeren/höheren Energie-Preis P widerspiegelt. Über einen entsprechend höheren Energie-Preis P kann auch berücksichtigt werden, dass der Degenerationszustand DEG des Energiespeichers 7; 7a, 7b während eines Lade- oder Entladevorgangs bei einer hohen aktuellen Speichertemperatur T; Ta, Tb schneller beeinträchtigt wird.
  • Der Fahrzeugbetreiber 2 erteilt also eine entsprechenden Fahrzeugbetreiber-Freigabe FG2 zum Erfüllen der Energie-Dienstleistung DL zum jeweiligen Energie-Preis P, der in dem Kostenkalkulationsmodul 50 fortlaufend ermittelt wird. Der Energie-Preis P kann dazu über die Kommunikationseinheit 15 drahtlos, beispielsweise per 5G oder WLAN, LoraWAN, etc., oder drahtgebunden, beispielsweise über PLC oder über die Kommunikationsleitung im Ladekabel 5e, an den jeweiligen Energie-Anwender EA übermittelt werden. Ergänzend können dem Energie-Anwender EA auch einzelne Grö-ße, die in dem Zustands-Signal SZ enthalten sind, mitgeteilt werden, so dass dieser den Energie-Preis P ggf. selbst besser nachvollziehen kann.
  • Der jeweilige Energie-Anwender EA, z.B. der Netzbetreiber 33 kann dann in Abhängigkeit des übermittelten Energie-Preises P seine Netzbetreiber-Freigabe FG33 aufrecht erhalten oder auch wieder zurückziehen, wenn ihm der Energie-Preis P z.B. zu hoch ist. Auch der Fahrzeugbetreiber 101 des weiteren Fahrzeuges 100 als Energie-Anwender EA kann eine entsprechende Anwender-Freigabe FG101 erteilen oder verweigern, wenn dieser die Energie-Dienstleistung DL zum vorgegebenen Energie-Preis P in Anspruch nehmen möchte oder eben nicht. Anhand der jeweiligen preisabhängig erteilten Freigaben FG2, FG33, FG101 kann die Verarbeitungseinheit 13 dann in dem zweiten Schritt ST2 ein Kopplungs-Signal SK; SKa, SKb für die jeweilige elektrische Schaltvorrichtung 11; 11a, 11b im Zugfahrzeug 1a und/oder im Anhänger 1b erzeugen und drahtlos oder drahtgebunden an die Schaltvorrichtung 11; 11a, 11b ausgeben, so dass die Energie-Dienstleistung DL gegenüber dem jeweiligen Energie-Anwender EA (30, 100) erbracht werden kann.
  • In einem dritten Unterschritt ST1.3 kann parallel zu dem Erbringen der Energie-Dienstleistung DL oder stattdessen auch eine Netzbetreiber-Freigabe FG33 erteilt werden, die dazu dient, den jeweiligen Energiespeicher 7; 7a, 7b im Fahrzeug 1 aufzuladen, so dass vom Energie-Netzwerk 30 Energie E zum elektrischen Antreiben des Fahrzeuges 1 im Regelbetrieb bereitgestellt werden kann. Benötigt das Fahrzeug 1 Energie E aus der Oberleitung 32 bzw. der Fahrbahnleitung 34 bzw. den Ladestationen 36 bzw. allgemein dem Energie-Netzwerk 30, so kann es diese aus dem Energie-Netzwerk 30 entnehmen, wenn eine Netzbetreiber-Freigabe FG33 dafür vorliegt. Die Netzbetreiber-Freigabe FG33 kann dabei z.B. in Abhängigkeit der Auslastung L des Energie-Netzwerks 30 erteilt werden. Weiterhin kann die Netzbetreiber-Freigabe FG33 auch an den Energie-Preis P gekoppelt sein, den in dem Fall der Netzbetreiber 33 festlegt. Da der Fahrzeugbetreiber 2 aktiv Energie E anfordert und der Netzbetreiber 33 diese Energie E bereitstellt, spielt der Degenerationszustand DEG; DEGa, DEGb des jeweiligen Energiespeichers 7; 7a, 7b in dem Fall keine Rolle bei der Ermittlung des Energie-Preises P.
  • Bei der Erteilung der Netzbetreiber-Freigabe FG33 im Regelbetrieb kann in diesem Fall auch berücksichtigt werden, ob das Fahrzeug 1 selbst in der Vergangenheit Energie E aus dem jeweiligen Energiespeicher 7; 7a, 7b über die Oberleitungen 32 oder die Fahrbahnleitung 34 oder die Ladestation 36 in das Energie-Netzwerk 30 eingespeist und daher Energie E aus einem Speicher auch für andere Fahrzeuge bereitgestellt hat, um das Energie-Netzwerk 30 zu stabilisieren. So kann das Fahrzeug 1 durch die in der Vergangenheit erbrachte Energie-Dienstleistung DL quasi ein „Energie-Guthaben“ erhalten, das später im Regelbetrieb eingesetzt werden kann, um aus dem Energie-Netzwerk 30 Energie zum Antreiben zu erhalten. Das Erbringen der Energie-Dienstleistung DL durch den Fahrzeugbetreiber 2 und der Regelbetrieb des Fahrzeuges 1 laufen daher grundsätzlich getrennt voneinander, können jedoch zumindest zeitweise auch parallel zueinander verlaufen.
  • In einem dritten Schritt ST3 wird anschließend je nach insbesondere preisabhängig erteilter Freigabe FG; FG33, FG2, FG101 und damit je nach Einstellung der elektrischen Schaltvorrichtungen 11; 11a, 11b Energie E entweder aufgenommen oder abgegeben, um die jeweilige Energie-Dienstleistung DL zu erbringen und/oder im Regelbetrieb Energie E zum Antreiben des Fahrzeuges 1 zu erhalten. Dabei ist vor allem entscheidend, in welcher Energie-Übertragungsrichtung R1, R2 eine Freigabe FG; FG33, FG2; FG101 erteilt wurde.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also gewährleistet, freie Speicherkapazitäten im Fahrzeug 1, sei es Zugfahrzeug 1a oder Anhänger 1b oder beiden, dem Energie-Netzwerk 30 und/oder einem weiteren Fahrzeug 100 unter gewissen Bedingungen, insbesondere in Abhängigkeit des im Kostenkalkulationsmodel 50 festgelegten Energie-Preises P, als Puffer zur Verfügung zu stellen und damit eine Energie-Dienstleistung DL zu erbringen. So kann die Integration der stationären Energiebereitstellungsvorrichtungen EV, d.h. der Oberleitungen 32 bzw. der Fahrbahnleitungen 34 bzw. der Ladestationen 36, in die vorhandene Netzinfrastruktur verbessert und der Betrieb vereinfacht ermöglicht werden. Dabei kann nicht nur dann eine Einspeisung von Energie E in das Energie-Netzwerk 30 erfolgen, wenn das Fahrzeug 1 gerade bremst und dadurch überschüssige Bremsenergie EB erzeugt, sondern immer dann, wenn in den Energiespeichern 7; 7a, 7b im Fahrzeug 1 gerade genügend Energie E vorhanden ist und diese aus ökonomischer Sicht bereitgestellt werden kann. Werden beispielsweise Oberleitungen 32 oder Fahrbahnleitungen 34 auf bergigen Fahrbahnen 4 aufgestellt bzw. installiert, können die Fahrzeuge 1 mit überschüssiger Energie E in ihren Energiespeichern 7; 7a, 7b die bergauffahrenden Fahrzeuge 1 unterstützen, ohne dabei selbst bremsen zu müssen.
  • Hierfür kann die bereits mitgeführte Energie E aus den Energiespeichern 7; 7a, 7b und ergänzend auch die bei einer Bergabfahrt erzeugte Bremsenergie EB genutzt werden. Es ist nämlich durchaus denkbar, dass die Einspeisung in das Energie-Netzwerk 30 zu einem Zeitpunkt stattfinden kann, zu dem das Fahrzeug 1 keine Antriebsunterstützung über die Energiespeicher 7; 7a, 7b benötigt, die Energiespeicher 7; 7a, 7b aber voll aufgeladen sind, und daher auch zusätzlich erzeugte Bremsenergie EB nicht selbst genutzt werden kann. Diese überschüssige Energie E kann dem Energie-Netzwerk 30 entsprechend bereitgestellt werden. Aber auch im Stillstand des Fahrzeuges 1 kann die überschüssige Energie E anderen Fahrzeugen 100 bzw. dem Energie-Netzwerk 30 über eine direkte Verbindung bzw. über eine Ladestation 36 zur Verfügung gestellt werden.
  • Die beschriebenen Komponenten im Fahrzeug 1 sind dabei unabhängig von einer Antriebsart B (rein elektrisch 1E oder Hybrid 1H) des Fahrzeuges 1. Wird das Fahrzeug 1 beispielsweise rein elektrisch betrieben, sind die Energiespeicher 7; 7a, 7b aller Wahrscheinlichkeit nach wesentlich größer als z.B. bei Hybridfahrzeugen 1H. Bei Hybridfahrzeugen 1H ist es dabei zusätzlich möglich, dass in dem ersten Unterschritt ST1.1 oder dritten Unterschritt ST1.3 bei einer Überlastung des Energie-Netzwerks 30 (Netz-Frequenz f30 « Mittenfrequenz fM) aufgrund einer zu hohen Nachfrage die Netzbetreiber-Freigabe FG33 in die erste Energie-Übertragungsrichtung R1 (30 => 7) selektiv für diese Antriebsart B zurückgenommen wird. Auf diese Weise können einzelne Fahrzeuge 1 vom Energie-Netzwerk 30 wieder abgekoppelt werden, so dass diese mit dem konventionellen Antrieb weiterfahren müssen und/oder nur Energie E in das Energie-Netzwerk 30 einspeisen können. Dadurch kann das Energie-Netzwerk 30 wieder stabilisiert werden.
  • Ist eine Energie-Nachfrage nach dem Abkoppeln der Hybridfahrzeuge 1H auch weiterhin noch zu hoch, wird auch die Netzbetreiber-Freigabe FG33 in die erste Energie-Übertragungsrichtung R1 auch für rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge 1E zurückgenommen, deren Energiespeicher 7; 7a, 7b einen Ladezustand Z; Za, Zb aufweisen, der einen Grenz-Ladezustand ZT und/oder deren Statusfaktor F; Fa, Fb einen Grenz-Statusfaktor FT übersteigt. Diese Fahrzeuge 1 werden dann entsprechend vom Energie-Netzwerk 30 abgekoppelt, da diese auch allein in der Lage sind voranzukommen. Diese rein elektrisch betriebenen Fahrzeuge 1 können dann entscheiden, zur Stabilisierung des Energie-Netzwerkes 30 eine Energie-Dienstleistung DL zu erbringen und Energie E aus den Energiespeichern 7; 7a, 7b in die zweite Energie-Übertragungsrichtung R2 in das Energie-Netzwerk 30 einzuspeisen.
  • Damit kann die Netzbetreiber-Freigabe FG33 auch in Abhängigkeit der Antriebsart B und/oder in Abhängigkeit des Ladezustands Z; Za, Zb des jeweiligen Fahrzeuges 1 erteilt und ggf. nachträglich auch wieder zurückgenommen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fahrzeug
    1a
    Zugfahrzeug
    1b
    Anhänger
    1E
    vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug
    1H
    Hybridfahrzeug
    2
    Fahrzeugbetreiber
    3
    Energie-Übertragungssystem
    4
    Fahrbahn
    5
    Energieabnehmer
    5a
    Zugfahrzeug-Gleitschiene
    5b
    Anhänger-Gleitschiene
    5c
    induktiver Energieabnehmer
    5d
    Kupplung
    5e
    Ladekabel
    7
    Energiespeicher
    7a
    Zugfahrzeug-Energiespeicher
    7b
    Anhänger-Energiespeicher
    9
    Wandler-Einrichtung
    9a
    Zugfahrzeug-Wandler-Einrichtung
    9b
    Anhänger-Wandler-Einrichtung
    11
    elektrische Schaltvorrichtung
    11a
    elektrische Zugfahrzeug-Schaltvorrichtung
    11b
    elektrische Anhänger-Schaltvorrichtung
    13
    Verarbeitungseinheit
    13E
    externe Verarbeitungseinheit
    13Z
    zentrale Verarbeitungseinheit
    15
    Kommunikationseinheit
    17
    Zustandswächter
    30
    Energie-Netzwerk
    31
    Netz-Verteiler
    32
    Oberleitung
    33
    Netzbetreiber
    34
    Fahrbahnleitungen
    36
    Ladestation
    50
    Kostenkalkulationsmodul
    100
    weiteres Fahrzeug
    101
    weiterer Fahrzeugbetreiber
    A
    Speicheralter des Energiespeichers 7
    Aa
    Zugfahrzeug-Speicheralter
    Ab
    Anhänger-Speicheralter
    AF
    Anfrage zum Erbringen der Energie-Dienstleistung DL
    B
    Antriebsart
    C
    Einflussfaktoren
    DEG
    Degenerationszustand des Energiespeichers
    DEGa
    Zugfahrzeug-Degenerationszustand
    DEGb
    Anhänger-Degenerationszustand
    DL
    Energie-Dienstleistung
    E
    elektrische Energie
    EA
    Energie-Anwender
    EB
    Bremsenergie
    EV
    stationäre Energiebereitstellungsvorrichtung
    f30
    Netz-Frequenz
    fB
    Frequenz-Band
    fM
    Mittenfrequenz
    F
    Statusfaktor des Energiespeichers 7
    Fa
    Zugfahrzeug-Statusfaktor
    Fb
    Anhänger-Statusfaktor
    FG
    Freigabe
    FG2
    Fahrzeugbetreiber-Freigabe
    FG33
    Netzbetreiber-Freigabe
    FG101
    Anwender-Freigabe
    FT
    Grenz-Statusfaktor
    KR
    Restlade-Kapazität
    L
    Auslastung
    Lg
    geringe Auslastung
    Lh
    hohe Auslastung
    P
    Energie-Preis
    P1
    Aufnahme-Energie-Preis
    P2
    Abgabe-Energie-Preis
    PE
    Einkaufspreis
    R1
    erste Energie-Übertragungsrichtung
    R2
    zweite Energie-Übertragungsrichtung
    S
    Software
    S7
    Speicherstatus
    SA
    Anfrage-Signal
    SF
    Freigabe-Signal
    SK
    Kopplungs-Signal
    SKa
    Zugfahrzeug-Kopplungs-Signal
    SKb
    Anhänger-Kopplungs-Signal
    SZ
    Zustands-Signal
    T
    Speichertemperatur
    Ta
    Zugfahrzeug-Speichertemperatur
    Tb
    Anhänger-Speichertemperatur
    TU
    Umgebungstemperatur
    TW
    Temperaturzustands-Wert
    U1a
    Zugfahrzeug-Spannung
    U1b
    Anhänger-Spannung
    U30
    Netz-Spannung
    UP
    Unterprogramm
    V
    Lade- und Endladeverhalten des Energiespeichers 7
    Va
    Zugfahrzeug-Lade- und Entladeverhalten
    Vb
    Anhänger-Lade- und Entladeverhalten
    w1, w2, w3, w4, w5
    Wichtungsfaktoren
    Y
    Zyklenfestigkeit
    Ya
    Zugfahrzeug-Zyklenfestigkeit
    Yb
    Anhänger-Zyklenfestigkeit
    YW
    Zyklenfestigkeits-Wert
    Z
    Ladezustand des Energiespeichers 7
    Za
    Zugfahrzeug-Ladezustand
    Zb
    Anhänger-Ladezustand
    ZT
    Grenz-Ladezustand
    ZW1
    Stromaufnahme-Ladezustands-Wert
    ZW2
    Stromabgabe-Ladezustands-Wert
    ST0, ST1, ST1.1, ST1.2, ST1.3, ST2, ST3
    Schritte des Verfahrens
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016208878 A1 [0002]
    • DE 102018206957 A1 [0002]
    • DE 102004028243 A1 [0002]
    • US 2011/0094841 A1 [0005]
    • US 2015/0090554 A1 [0005]
    • DE 112012005255 T5 [0006]

Claims (20)

  1. Verfahren zum Austauschen von elektrischer Energie (E) zwischen mindestens einem Energiespeicher (7) in einem Fahrzeug (1) eines Fahrzeugbetreibers (2) und einem Energie-Anwender (EA), wobei der mindestens eine Energiespeicher (7) ausgebildet ist, elektrische Energie (E) dauerhaft zu speichern, und eine elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen Energiespeicher (7) und dem Energie-Anwender (EA) ausgebildet werden kann, um Energie (E) auszutauschen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Austausch von Energie (E) von dem Energie-Anwender (EA) in den mindestens einen Energiespeicher (7) des Fahrzeuges (1) in eine erste Energie-Übertragungsrichtung (R1), oder aus dem mindestens einen Energiespeicher (7) des Fahrzeuges (1) zu dem Energie-Anwender (EA) in eine zweite Energie-Übertragungsrichtung (R2) erfolgt, um durch den Fahrzeugbetreiber (2) eine Energie-Dienstleistung (DL) zu erbringen, wobei der Austausch von Energie (E) in Abhängigkeit eines von dem Fahrzeugbetreiber (2) festgelegten Energie-Preises (P) für die Energie-Dienstleistung (DL) erfolgt, wobei der Energie-Preis (P) in Abhängigkeit eines Speicherstatus (S7) des mindestens einen Energie-Speichers (7) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energie-Preis (P) in Abhängigkeit davon festgelegt wird, ob die Energie (E) zum Erbringen der Energie-Dienstleistung (DL) in die erste Energie-Übertragungsrichtung (R1), oder in die zweite Energie-Übertragungsrichtung (R2) übertragen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energie-Preis (P) für die Energie-Dienstleistung (DL) einen Aufnahme-Energie-Preis (P1) und/oder einen Abgabe-Energie-Preis (P2) beinhaltet, wobei - der Aufnahme-Energie-Preis (P1) den Energie-Preis (P) für die Übertragung von Energie (E) in die erste Energie-Übertragungsrichtung (R1) angibt, und - der Abgabe-Energie-Preis (P2) den Energie-Preis (P) für die Übertragung von Energie (E) in die zweite Energie-Übertragungsrichtung (R2).
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energie-Preis (P) für die Energie-Dienstleistung (DL) abhängig von einem Status-Faktor (F) und/oder einem Einkaufspreis (PE) für Energie (E) ist, wobei für den Aufnahme-Energie-Preis (P1) vorzugsweise gilt: P1 = PE x (1 - F) und für den Abgabe-Energie-Preis (P2) vorzugsweise gilt: P2 = PE x (1 + F), wobei der Status-Faktor (F) den aktuellen Speicherstatus (S7) des jeweiligen Energiespeichers (7) charakterisiert.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Status-Faktor (F) in Abhängigkeit eines Degenerationszustandes (DEG) des mindestens einen Energiespeichers (7) und/oder eines Ladezustandes (Z) des mindestens einen Energiespeichers (7) gebildet wird, wobei der Degenerationszustand (DEG) und der Ladezustand (Z) gewichtet werden zum Ermitteln des Status-Faktors (F) und der Ladezustand (Z) abhängig von der Energie-Übertragungsrichtung (R1, R2) ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Degenerationszustand (DEG) des mindestens einen Energiespeichers (7) ermittelt wird in Abhängigkeit mindestens einer Größe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Speichertemperatur (T), einem Lade- und Endladeverhalten (V), einer Zyklenfestigkeit (Y), einem Speicheralter (A), einer Umgebungstemperatur (TU), einer Zugfahrzeug-Spannung (U1a), einer Anhänger-Spannung (U1b), wobei diese Größen in Abhängigkeit des verwendeten Energiespeichers (7) unterschiedlich gewichtet werden zum Ermitteln des Degenerationszustandes (DEG).
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Energiespeicher (7; 7a, 7b) ein eigener Energie-Preis (P) und/oder Speicherstatus (S7) zugeordnet ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherstatus (S7) und/oder der Energie-Preis (P) für die Energie-Dienstleistung (DL) statisch oder dynamisch bestimmt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des dem mindestens einen Energiespeicher (7) zugeordneten Speicherstatus (S7) und/oder des von dem Fahrzeugbetreiber (2) festgelegten Energie-Preises (P) für die Energie-Dienstleistung (DL) ein Kopplungs-Signal (SK) erzeugt und ausgegeben wird, wobei in Abhängigkeit des Kopplungs-Signals (SK) eine elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen Energiespeicher (7) und einem mit dem Energie-Anwender (EA) verbundenen Energieabnehmer (5) am Fahrzeug (1) ausgebildet wird (ST2), vorzugsweise über eine Schaltvorrichtung (11) im Fahrzeug (1).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungs-Signal (SK) im Fahrzeug (1) erzeugt wird oder außerhalb des Fahrzeuges (1) erzeugt und drahtlos oder drahtgebunden auf das Fahrzeug (1) übertragen wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie (E) zwischen dem mindestens einen Energiespeicher (7) und dem Energie-Anwender (EA) bei ausgebildeter elektrischer Verbindung über eine Oberleitung (32) oder eine Fahrbahnleitung (34) oder eine Ladestation (36) oder ein Ladekabel (5e) ausgetauscht wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie-Dienstleistung (DL) ein Kompensieren einer Auslastung (L) eines Energie-Netzwerkes (30) als Energie-Anwender (EA) und/oder das Bereitstellen von Energie (E) zur Unterstützung eines weiteren Fahrzeuges (100) als Energie-Anwender (EA) und/oder das Aufbewahren von überschüssiger Energie (E) eines Energie-Anwenders (EA) beinhaltet.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslastung (L) des Energie-Netzwerkes (30) zwischen einer hohen Auslastung (Lh) und einer geringen Auslastung (Lg) liegen kann, wobei bei einer hohen Auslastung (Lh) des Energie-Netzwerks (30) ein Austausch von Energie (E) in die zweite Energie-Übertragungsrichtung (R2) und bei einer geringen Auslastung (Lg) des Energie-Netzwerks (30) ein Austausch von Energie (E) in die erste Energie-Übertragungsrichtung (R1) erfolgt, um die hohe Auslastung (Lh) oder die geringe Auslastung (Lg) des Energie-Netzwerks (30) zu kompensieren.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelt wird, ob eine Freigabe (FG) durch den Energie-Anwender (EA) vorliegt, wobei die Freigabe (FG) angibt, ob der jeweilige Energie-Anwender (EA) zum Erbringen der Energie-Dienstleistung (DL) erlaubt, wahlweise Energie (E) in die erste Energie-Übertragungsrichtung (R1) und/oder die zweite Energie-Übertragungsrichtung (R2) zu übertragen (ST1, ST1.1, ST1.3), wobei die Freigabe (FG) durch den Energie-Anwender (EA) in Abhängigkeit mindestens einer Eigenschaft erteilt wird, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einer Fahrzeugart (B) des Fahrzeuges (1), einer Auslastung (L) des Energie-Anwenders (EA), des dem jeweiligen Energiespeicher (7) zugeordneten Speicherstatus (S7) und/oder des von dem Fahrzeugbetreiber (2) festgelegten Energie-Preises (P) für die Energie-Dienstleistung (DL).
  15. Verarbeitungseinheit (13) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (13) ausgebildet ist, ein Kopplungs-Signal (SK) derartig zu erzeugen und auszugeben, dass eine elektrische Verbindung zwischen mindestens einem Energiespeicher (7) in einem Fahrzeug (1) und einem Energie-Anwender (EA) ausgebildet werden kann, um einen Austausch von Energie (E) von dem Energie-Anwender (EA) in den mindestens einen Energiespeicher (7) des Fahrzeuges (1) in eine erste Energie-Übertragungsrichtung (R1), oder aus dem mindestens einen Energiespeicher (7) des Fahrzeuges (1) zu dem Energie-Anwender (EA) in eine zweite Energie-Übertragungsrichtung (R2) zum Erbringen einer Energie-Dienstleistung (DL) durch den Fahrzeugbetreiber (2) zu ermöglichen, wobei die Verarbeitungseinheit (13) ausgebildet ist, das Kopplungs-Signal (SK) in Abhängigkeit eines für die Energie-Dienstleistung (DL) festgelegten Energie-Preises (P) zu erzeugen, wobei die Verarbeitungseinheit (13) dazu ein Kostenkalkulationsmodul (50) aufweist, wobei das Kostenkalkulationsmodul (50) ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Speicherstatus (S7) des mindestens einen Energiespeichers (7) einen Energie-Preis (P) für die Energie-Dienstleistung (DL) zu ermitteln.
  16. Verarbeitungseinheit (13) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (13) eine Kommunikationseinheit (15) aufweist, wobei die Verarbeitungseinheit (13) den Energie-Preis (P) über die Kommunikationseinheit (15) an den mindestens einen Energie-Anwender (EA) übertragen kann und/oder der Energie-Anwender (EA) der Verarbeitungseinheit (13) über die Kommunikationseinheit (15) übermitteln kann, ob eine Freigabe (FG) durch den Energie-Anwender (EA) erteilt ist, wobei die Freigabe (FG) angibt, ob der jeweilige Energie-Anwender (EA) zum Erbringen der Energie-Dienstleistung (DL) erlaubt, wahlweise Energie (E) zu dem festgelegten Energie-Preis (P) in die erste Energie-Übertragungsrichtung (R1) und/oder die zweite Energie-Übertragungsrichtung (R2) zu übertragen.
  17. Fahrzeug (1), insbesondere Nutzfahrzeug, wobei das Fahrzeug (1) mindestens eine elektrische Schaltvorrichtung (11), mindestens einen Energiespeicher (7) sowie mindestens einen damit verbindbaren Energieabnehmer (5) aufweist, wobei der Energieabnehmer (5) ausgebildet ist, im Rahmen der Erbringung einer Energie-Dienstleistung (DL) mit einem Energie-Anwender (EA) gekoppelt zu werden, wobei der Energiespeicher (7) ausgebildet ist, elektrische Energie (E) dauerhaft zu speichern, und wobei die elektrische Schaltvorrichtung (11) ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines von einer Verarbeitungseinheit (13) gemäß Anspruch 15 oder 16 ausgegebenen Kopplungs-Signals (SK) eine elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen Energiespeicher (7) und dem Energieabnehmer (5) auszubilden, um einen Austausch von Energie (E) zwischen dem mindestens einen Energiespeicher (7) und dem ankoppelbaren Energie-Anwender (EA) in Abhängigkeit eines von dem Fahrzeugbetreiber (2) festgelegten Energie-Preises (P) für die Energie-Dienstleistung (DL) zu ermöglichen, wobei der Energie-Preis (P) in Abhängigkeit eines Speicherstatus (S7) des mindestens einen Energie-Speichers (7) festgelegt ist.
  18. Fahrzeug (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungs-Signal (SK) von einer fahrzeuginternen Verarbeitungseinheit (13Z) erzeugbar und ausgebbar ist oder von einer externen Verarbeitungseinheit (13E) drahtlos oder drahtgebunden auf das Fahrzeug (1) übertragbar ist.
  19. Fahrzeug (1) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) aus einem Zugfahrzeug (1a) und mindestens einem Anhänger (1b) besteht, wobei im Zugfahrzeug (1a) ein Zugfahrzeug-Energiespeicher (7a) und/oder im Anhänger (1b) ein Anhänger-Energiespeicher (7b) angeordnet ist/sind, wobei der Zugfahrzeug-Energiespeicher (7a) und/oder der Anhänger-Energiespeicher (7b) vorzugsweise selektiv mit dem Energie-Anwender (EA) in Abhängigkeit des Kopplungs-Signals (SK) verbindbar sind.
  20. Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) ein Hybridfahrzeug (1H) oder ein vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug (1E) ist.
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