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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Planung einer Fahrzeugnutzung eines Fahrzeugs nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie ein Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 8 näher definierten Art.
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Mit einem steigenden Umweltbewusstsein und damit einhergehenden strengeren Umweltrichtlinien nimmt die Bedeutung alternativer Antriebe für Fahrzeug zu. Neben Hybridfahrzeugen und rein batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind auch Fahrzeuge mit einem Brennstoffzellensystem bekannt, mit dessen Hilfe elektrische Antriebsenergie durch Reagieren eines Kraftstoffgases, meist Wasserstoff, mit einem Oxidationsmittel, meist Sauerstoff, gewonnen wird. Das Speichern des Kraftstoffgases stellt dabei höhere Ansprüche an einen Tank als das Speichern flüssigen Kraftstoffs wie Benzin. So wird das Kraftstoffgas typischerweise unter vergleichsweise hohem Druck und/oder tiefen Temperaturen im Tank gespeichert, um eine ausreichende Kraftstoffreserve mit dem Fahrzeug mitführen zu können. Ein entsprechender Kraftstofftank wird daher dickwandig ausgeführt und/oder wird thermisch isoliert. Die thermische Isolierung verhindert, dass sich der Kraftstofftank zu schnell aufheizt, was dazu führt, dass flüssiges Kraftstoffgas verdampft und hierdurch ein Tankinnendruck zu schnell ansteigt.
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Typischerweise wird Wasserstoff in einem solchen Tank bei ungefähr -250° in flüssiger Form gespeichert. Wird ein Fahrzeug mit einem solchen Tank für längere Zeit abgestellt, wärmt sich der Tank langsam auf, wodurch flüssiger Wasserstoff verdampft und zu einem Druckanstieg im Tank führt. Steigt der Innendruck im Tank auf einen kritischen Wert an, so muss Wasserstoff aus dem Tank entnommen werden, um den Druck im Tank wieder abzusenken. Der entnommene Wasserstoff kann ggf. über einen katalytischen Konverter an die Umgebung abgelassen werden oder in einem Brennstoffzellensystem des Fahrzeugs zu Wasser reagiert werden, wobei elektrische Energie gewonnen wird. Ein solcher, zu einem thermisch bedingten Druckanstieg führender Prozess wird auch als Boil-Off bezeichnet.
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Bei tiefen Umgebungstemperaturen kann es zudem passieren, dass im Brennstoffzellensystem befindliche Feuchtigkeit gefriert, was dazu führt, dass das Brennstoffzellensystem nicht richtig arbeiten kann. In diesem Falle muss dem Brennstoffzellensystem Wärme zugeführt werden, um das gefrorene Wasser wieder aufzutauen. Hierzu wird Energie zur Erzeugung der Wärme benötigt.
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Ein Kryotanksystem für kryogen gespeicherten Kraftstoff ist beispielsweise aus der
DE 103 04 165 A1 bekannt. Im Boil-Off-Fall aus dem Kryotanksystem abzulassendes Kraftstoffgas wird mit Hilfe von zwei Verwertern, auch als Boil-Off-Management-System bezeichnet, reagiert und in elektrische Energie gewandelt. Bei einem solchen Verwerter kann es sich beispielsweise um einen Brenner, einen katalytischen Brenner, eine Brennstoffzelle oder auch einen Verbrennungsmotor handeln. Aus Sicherheitsgründen weist das Kryotanksystem wenigstens zwei solcher Verwerter auf, welche über eine gemeinsame Versorgungsleitung an das Kryotanksystem angeschlossen sind. In der Versorgungsleitung ist ein Umschaltventil vorgesehen, welches ohne Hilfsenergie schaltet, um das aus dem Kryotanksystem abgelassene Kraftstoffgas zwischen den Verwertern aufzuteilen. Fällt einer der Verwerter aus, so ist ein sicheres und zuverlässiges Umschalten gewährleistet, sodass das zu verwertende Kraftstoffgas dem verbleibenden Verwerter zugeführt werden kann.
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Ferner offenbart die
US 2018/0334170 A1 ein Verfahren zur Vorkonditionierung eines hybridelektrischen Fahrzeugs. Ein solches hybridelektrisches Fahrzeug umfasst neben einem Verbrennungsmotor auch zumindest eine Traktionsbatterie. Gemäß des in der Druckschrift offenbarten Verfahrens wird der Traktionsbatterie, dem Verbrennungsmotor, einer Abgasnachbehandlungsanlage und/oder einer Fahrzeugkabine des Fahrzeugs Wärme zugeführt, um die entsprechenden Komponenten auf eine Betriebstemperatur aufzuwärmen. Eine auf Betriebstemperatur aufgeheizte Traktionsbatterie arbeitet besonders energieeffizient. Ein auf Betriebstemperatur aufgewärmter Verbrennungsmotor und/oder Abgasnachbehandlungsanlage sind in einem besonders emissionsarmen Betriebsmodus betreibbar. Eine aufgewärmte Fahrerkabine sorgt bei kalten Umgebungsbedingungen für einen hohen thermischen Komfort einer fahrzeugführenden Person. Die Wärme wird den entsprechenden Komponenten dabei kurz vor Starten und Losfahren des Fahrzeugs zugeführt. Der Moment, zu dem das Fahrzeug seine Fahrt beginnt, wird dabei durch Analyse eines Nutzerverhaltens und/oder Auswerten von Sensordaten bestimmt. Die zur Produktion der Wärme erforderliche Energie wird in Form von elektrischer Energie aus einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs und/oder einer per Kabel an das Fahrzeug angeschlossenen Ladesäule entnommen. Ist keine Ladesäule an das Fahrzeug angeschlossen und weist die Traktionsbatterie nur einen vergleichsweise geringen Ladestand auf, so erfolgt eine Priorisierung, welche der Fahrzeugkomponenten aufgewärmt werden sollen und welche keine Temperierung erfahren. Somit besteht die Gefahr, dass einzelne Fahrzeugkomponenten in bestimmten Situationen nicht ausreichend aufgewärmt werden können. Das Fahrzeug kann gemäß der Druckschrift auch ein Brennstoffzellensystem umfassen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Planung einer Fahrzeugnutzung eines Fahrzeugs anzugeben, mit dessen Hilfe ein Energieverlust beim Abstellen eines von einem Brennstoffzellensystem mit elektrischer Antriebsenergie versorgten Fahrzeugs minimiert wird und das Fahrzeug zuverlässig bei um den Gefrierpunkt liegenden Umgebungstemperaturen gestartet werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Planung einer Fahrzeugnutzung eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
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Bei einem Verfahren zur Planung einer Fahrzeugnutzung eines Fahrzeugs der eingangs genannten Art wird während der Fahrzeugnutzung wenigstens eine Fahrzeugkomponente vorkonditioniert. Erfindungsgemäß wird dabei ein Zeitpunkt, eine Zeitdauer und/oder eine Anzahl während einer Fahrzeugnutzung durchzuführender Fahrzeugstillstandzeiten so gewählt, dass wenigstens eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit einen innerhalb eines festgelegten Ladezustandbereich liegenden Ladezustand aufweist, so dass eine während der Fahrzeugstillstandzeit von einem Boil-Off-Management-System bereitgestellte elektrische Energiemenge vollständig in der Traktionsbatterie gespeichert werden oder teilweise in der Traktionsbatterie gespeichert und durch einen Drittverbraucher während der Fahrzeugstillstandzeit vollständig verbraucht wird, und eine zu Beginn der Fahrzeugstillstandzeit in der Traktionsbatterie vorrätige elektrische Energiemenge zum ausreichenden Erwärmen eines Brennstoffzellensystems des Fahrzeugs auf eine Betriebstemperatur zum Ende der Fahrzeugstillstandzeit ausreicht.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein besonders energieeffizienter und zuverlässiger Betrieb des Fahrzeugs möglich. Kommt es zu einem Boil-Off-Fall so kann sämtlicher aus einem Wasserstofftank des Fahrzeugs entnommener Wasserstoff im Brennstoffzellensystem in elektrische Energie gewandelt und in der Traktionsbatterie gespeichert oder durch einen Drittverbraucher genutzt werden. Hierdurch wird verhindert, dass Wasserstoff ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden muss. Zudem wird gewährleistet, dass am Ende einer Fahrzeugstillstandzeit ausreichend elektrische Energie in der Traktionsbatterie des Fahrzeugs vorgehalten wird, um ein zugefrorenes Brennstoffzellensystem aufzutauen und/oder auf Betriebstemperatur aufzuheizen. Dieser energieeffiziente und zuverlässige Betrieb ist möglich dank des festgelegten Ladezustandbereichs der Traktionsbatterie. So wird der Ladezustand der Traktionsbatterie gemäß dem Ladezustandbereich mit den während der Fahrzeugnutzung durchzuführenden Fahrzeugstillstandzeiten so koordiniert, dass eine ausreichende Ladereserve zur Aufnahme elektrischer Energie bzw. zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems vorrätig ist.
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Mit steigender Kapazität der Traktionsbatterie nimmt auch eine Größe des Ladezustandbereichs zu. Hierdurch wird mehr Flexibilität in der Planung der Fahrzeugnutzung ermöglicht, da mehr Fahrzeugstillstandzeiten durchgeführt werden können, eine Fahrzeugstillstandzeit zudem länger dauern kann und zudem die Fahrzeugstillstandzeiten kürzer aufeinander folgend oder auch in größeren Zeitabständen durchgeführt werden können.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass zur Planung der Fahrzeugnutzung zumindest einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird:
- • eine für einen aktuellen und/oder künftigen Aufenthaltsort des Fahrzeugs gültige Wettervorhersage;
- • eine aktuelle und/oder künftige Fahrzeugbeladung;
- • einen für wenigstens für einen Abschnitt einer mit dem Fahrzeug zu befahrenden Route geltende Verkehrsprognose;
- • ein aktueller und/oder künftiger Tankinnendruck eines Kryotanks des Fahrzeugs;
- • eine aktuelle und/oder künftige Kryotanktemperatur;
- • eine aktuelle und/oder künftige Füllmenge eines Kraftstoffgases, mit dem der Kryotank gefüllt ist; und/oder
- • eine während einer Fahrzeugstillstandzeit von einem Drittverbraucher benötigte elektrische Energiemenge.
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Durch das Berücksichtigen der aufgezählten Parameter lässt sich der Ladezustandbereich sowie der während einer Fahrzeugstillstandzeit vorliegende Ladezustand der Traktionsbatterie noch genauer vorhersagen. Unter Berücksichtigung der für einen Aufenthaltsort des Fahrzeugs gültigen Wettervorhersage kann eine Umgebungstemperatur um das Fahrzeug ermittelt werden. Handelt es sich dabei um eine vergleichsweise hohe Umgebungstemperatur, so heizt sich auch der Kryotank schneller auf, was zu einem schnelleren Anstieg des Tankinnendrucks führt. Somit muss das Boil-Off-Management-System auch früher aktiviert werden, um aus dem Kryotank entnommenes Kraftstoffgas, insbesondere Wasserstoff mit dem Brennstoffzellensystem in elektrische Energie zu wandeln und diese in der Traktionsbatterie des Fahrzeugs zu speichern. Handelt es sich hingegen um eine vergleichsweise tiefe Umgebungstemperatur, so wird der Boil-Off auch zeitlich nach hinten verschoben.
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Transportiert das Fahrzeug vergleichsweise viel und damit schwere Ladung, so steigt auch ein Verbrauch des Fahrzeugs. Damit nimmt der Ladestand der Traktionsbatterie des Fahrzeugs beim Befahren einer festgelegten Wegstrecke schneller ab, was dazu führt, dass auch ein unteres Ende des Ladezustandbereichs schneller erreicht wird.
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Analog steigt ein Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs im Falle von Verkehrsbehinderungen wie Stau oder stockendem Verkehr.
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Durch Überwachung des aktuellen und/oder künftigen Tankinnendrucks des Kryotanks lässt sich ein Zeitpunkt, an dem ein Boil-Off-Fall eintritt, und somit Kraftstoffgas aus dem Kryotank zu entnehmen ist, zuverlässiger vorhersagen. Liegt der Tankinnendruck des Kryotanks zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit beispielsweise näher an seiner oberen Belastungsgrenze, so ist auch früher Kraftstoffgas aus dem Kryotank zu entnehmen. Ist der Tankinnendruck hingegen vergleichsweise niedrig, so verschiebt sich der Boil-Off-Fall auch nach hinten.
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Unter Berücksichtigung der aufgezählten Parameter können auch Fahrzeugstillstandzeiten geplant werden, bei denen kein Boil-Off-Fall stattfindet.
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Da der Tankinnendruck auch von der Füllmenge mit Kraftstoffgas sowie der Kryotanktemperatur abhängt, lässt sich durch Überwachung der Kryotanktemperatur und der Füllmenge des Kryotanks der Zeitpunkt, zu dem ein Boil-Off-Fall eintritt, noch zuverlässiger bestimmen.
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Ist damit zu rechnen, dass während einer Fahrzeugstillstandzeit ein Drittverbraucher mit elektrischer Energiemenge versorgt werden muss, beispielsweise ein Kranwagen, eine Müllpresse, ein Kühlaufbau, ein Betonmischer oder dergleichen, so kann vom Boil-Off-Management-System bereitgestellte elektrische Energie nicht nur in der Traktionsbatterie gespeichert sondern auch durch den Drittverbraucher verbraucht werden. Somit nimmt eine Zeitdauer, bis die Traktionsbatterie ab einem festgelegten Ladestand vollgeladen ist, im Vergleich zum Laden der Traktionsbatterie ohne den Drittverbraucher zu. Mit anderen Worten lässt sich durch gleichzeitigen Betrieb eines Drittverbrauchers eine obere Grenze des Ladezustandbereichs nach oben in Richtung einer vollgeladenen Traktionsbatterie verschieben.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Fahrzeugnutzung so geplant, dass der Ladezustand der wenigstens einen Traktionsbatterie zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit mit einer oberen oder einer unteren Grenze des Ladezustandbereichs zusammenfällt. Um zu gewährleisten, dass der Ladezustand der Traktionsbatterie zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit innerhalb des Ladezustandbereichs liegt, muss gegebenenfalls rechtzeitig vor Erreichen der Fahrzeugstillstandzeit die Betriebsweise des Fahrzeugs angepasst werden. Wird der Ladezustand dabei so eingestellt, dass er zu Beginn der Fahrzeugstillstandzeit auf einer oberen oder einer unteren Grenze des Ladezustandbereichs zum Liegen kommt, so lässt sich ein Zeitpunkt zudem die Betriebsweise des Fahrzeugs angepasst werden muss zeitlich nach hinten hinauszögern. Somit kann die Betriebsweise des Fahrzeugs während der Fahrt möglichst lange unter Berücksichtigung anderer Optimierungsparameter erfolgen.
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So kann das Fahrzeug während der Fahrt besonders verbrauchsarm, kostenoptimal, lebensdaueroptimal, leistungsoptimal oder unter einem weiteren Gesichtspunkt optimal betrieben werden. Somit können mehr Freiheitsgrade in der Wahl einer Betriebsstrategie des Fahrzeugs, und damit auch des Brennstoffzellensystems des Fahrzeugs während der Fahrt genutzt werden.
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Zum Anpassen der Betriebsweise des Fahrzeugs, sodass der Ladezustand der Traktionsbatterie zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit innerhalb des Ladezustandbereichs liegt wird:
- - bei einem zu geringen Ladezustand der Traktionsbatterie eine vom Brennstoffzellensystem abgegebene Leistung erhöht und/oder in während der Fahrt auftretenden Rekuperationsphasen rückgewonnene elektrische Energie vermehrt in der Traktionsbatterie gespeichert. Ein positiver Nebeneffekt einer erhöhten Brennstoffzellensystemleistung ist eine Absenkung des Tankinnendrucks des Kryotanks;
- - bei einem zu hohen Ladezustand die Brennstoffzellensystemleistung gedrosselt, und zum Antreiben des Fahrzeugs und/oder eines Drittverbrauchers erforderliche Energie aus der Traktionsbatterie entnommen. Zusätzlich kann eine Kühlleistung des Kryotanks erhöht bzw. eine dem Kryotank zugeführte Wärmeleistung reduziert werden, um ein zu schnelles Aufheizen des Kryotanks zu verhindern. Wird der Kryotank aktiv gekühlt, kann durch ein entsprechendes Kühlaggregat zusätzlich überschüssige elektrische Energie verbraucht werden;
- - bei einem zu hohen Tankinnendruck die Wärmezufuhr zum Kryotank reduziert, die Kühlleistung des Kryotanks erhöht und/oder die Brennstoffzellensystemleistung erhöht;
- - bei einem vergleichsweise hohen erwarteten elektrischen Energiebedarf eines Drittverbrauchers während einer Fahrzeugstillstandzeit ein vergleichsweiser hoher Ladezustand der Traktionsbatterie und/oder einer vergleichsweise hoher Tankinnendruck eingestellt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht ferner vor, dass die Planung der Fahrzeugnutzung fahrzeugintern oder fahrzeugextern erfolgt. Zur Planung der Fahrzeugnutzung kann eine autorisierte Person, beispielsweise eine fahrzeugführende Person oder auch ein Koordinator einer Fahrzeugflotte eine entsprechende mit dem Fahrzeug durchzuführende Fahrt in eine Recheneinheit zur Auswertung eingeben. Auf der Recheneinheit kann ein zur Auswertung der Fahrt bzw. zur Planung der Fahrzeugnutzung geeignetes Programm ausgeführt werden. Bei der Recheneinheit kann es sich beispielsweise um eine fahrzeuginterne oder fahrzeugexterne Recheneinheit handeln. Bei einer fahrzeuginternen Recheneinheit kann es sich beispielsweise um einen zentralen Bordcomputer, eine Telematikeinheit, ein Steuergerät eines Fahrzeuguntersystems oder dergleichen handeln. Auch kann als fahrzeuginterne Recheneinheit ein mit dem Fahrzeug transportiertes mobiles Endgerät wie ein Laptop, Tabletcomputer, Smartphone oder dergleichen verstanden werden. Als fahrzeugexterne Recheneinheit kann beispielsweise ein Cloudserver bzw. Backend verwendet werden. Dabei werden neben einer geplanten Fahrtroute auch etwaige durchzuführende Pausen sowie Standzeiten berücksichtigt.
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Hierdurch lässt sich vorhersagen, wieviel Kraftstoff das Fahrzeug während der Fahrt verbraucht und damit welche Füllmenge der Kryotank zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit aufweist. Unter gleichzeitiger Berücksichtigung des sich dabei einstellenden Tankinnendrucks sowie der Temperatur des Kryotanks lässt sich somit ein Zeitpunkt zu dem ein Boil-Off-Fall stattfindet, besonders genau vorhersagen. Zudem lässt sich ein Zeitpunkt zu dem die Betriebsstrategie des Fahrzeugs gewechselt wird so planen, dass der Ladestand der Traktionsbatterie zu Beginn einer entsprechenden Fahrzeugstillstandzeit besonders zuverlässig innerhalb des Ladezustandsbereichs liegt.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die fahrzeugexterne Planung der Fahrzeugnutzung von einem Dienstleistungsanbieter. Bei dem Dienstleistungsanbieter kann es sich beispielsweise um einen Fahrzeughersteller, eine Spedition, ein Bauunternehmen, eine Behörde oder dergleichen handeln. Insbesondere koordiniert der Dienstleistungsanbieter zentral eine Fahrzeugflotte. Hierbei stehen entsprechende Flottenfahrzeuge über eine drahtlose Kommunikationsverbindung, beispielsweise per Mobilfunk, WiFi, Bluetooth, NFC oder dergleichen mit einem Fahrzeugkontrollzentrum in Kommunikationsverbindung. Dabei kann eine Kommunikation zumindest abschnittsweise auch über das Internet erfolgen. Dabei können auch einzelne Abschnitte einer mit einem Fahrzeug durchzuführenden Fahrt im Fahrzeug selbst geplant und analysiert werden und andere Abschnitte fahrzeugextern vom Dienstleistungsanbieter geplant und analysiert werden.
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Insbesondere kann der Dienstleistungsanbieter mit der Fahrzeugflotte gewonnene Daten auswerten, und somit eine Genauigkeit zur Vorhersage abgeschätzter Werte wie ein Kraftstoffverbrauch, ein zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit vorliegender Tankinnendruck, ein Ladezustand der Traktionsbatterie oder dergleichen verbessern.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahren sieht ferner vor, dass vor dem Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit ein Kraftstoffgas-Verbrauch gegenüber einem Normalbetriebsmodus erhöht wird und/oder eine Heizleistung zum thermischen Konditionieren des Kryotanks gegenüber dem Normalbetriebsmodus reduziert oder eine Kühlleistung zum thermischen Konditionieren des Kryotanks gegenüber dem Normalbetriebsmodus erhöht wird, um den Tankinnendruck des Kryotanks auf einen niedrigsten einstellbaren Druck einzustellen. Durch das Minimieren des Tankinnendrucks zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit wird eine Zeitdauer bis ein Boil-Off-Fall eintritt, erhöht. So lässt sich der Tankinnendruck reduzieren, indem besonders viel Kraftstoffgas aus dem Kryotank entnommen wird, und/oder der Kryotank abgekühlt wird. Das Abkühlen des Kryotanks kann durch aktives Kühlen des Kryotanks oder Reduzieren einer Heizleistung zum Beheizen des Kryotanks erfolgen. Bevorzugt wird eine Leistung des Brennstoffzellensystems vor Erreichen einer Fahrzeugstillstandzeit erhöht und die hierdurch gewonnene elektrische Energie zum aktiven Kühlen des Kryotanks genutzt. Hierdurch lässt sich der Tankinnendruck des Kryotanks besonders schnell absenken.
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Bevorzugt wird eine obere und/oder untere Grenze des Ladezustandsbereichs und/oder der Zeitpunkt, die Zeitdauer und/oder die Anzahl der Fahrzeugstillstandzeiten wenigstens einmal während der Fahrzeugnutzung neu ermittelt. Während der Fahrzeugnutzung können unvorhergesehene Geschehnisse eintreffen, welche sich nachteilig auf die Planung der Fahrzeugstrategie auswirken, so dass ggf. beim Erreichen einer Fahrzeugstillstandzeit der Ladezustand der Traktionsbatterie nicht mehr innerhalb des festgelegten Ladezustandsbereichs eingehalten werden kann. Durch das Neuberechnen zumindest einer der genannten Größen kann die Fahrzeugnutzung zumindest für einen Abschnitt der Fahrzeugnutzung neu geplant werden, wodurch das Einhalten des Ladezustands der Traktionsbatterie innerhalb des festgelegten Ladezustandsbereichs wieder ermöglicht wird. Beispielsweise können hierzu Fahrzeugstillstandzeiten zeitlich nach vorne oder hinten verschoben werden, ihre Anzahl erhöht oder verringert werden, eine Dauer einer Fahrzeugstillstandzeit verkürzt oder verlängert werden und/oder auch der Ladezustandsbereich selbst angepasst werden, beispielsweise weil während einer Fahrzeugstillstandzeit von einem Drittverbraucher eine größere oder kleinere Energiemenge verbraucht wurde oder wird als vorher eingeplant.
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Bei einem Fahrzeug mit wenigstens einer Traktionsbatterie, einem Brennstoffzellensystem, einem Kryotank, einer elektrischen Antriebsmaschine und einer Recheneinheit sind erfindungsgemäße die Traktionsbatterie, das Brennstoffzellensystem, der Kryotank, die elektrische Antriebsmaschine und die Recheneinheit zur Durchführung eines im vorigen beschriebenen Verfahrens eingerichtet. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein beliebiges Fahrzeug wie einen PKW, LKW, Transporter, Bus oder auch eine Baumaschine wie einen Kran, Bagger, Betonmischer oder dergleichen handeln. Bei dem Brennstoffzellensystem handelt es sich insbesondere um ein PEM-Brennstoffzellensystem.
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Das Fahrzeug ist bevorzugt als Nutzfahrzeug ausgeführt. Nutzfahrzeuge zeichnen sich durch vergleichsweise große Dimensionen und eine hohe transportierbare Zuladung aus. Ferner müssen Nutzfahrzeuge oftmals große Distanzen zurücklegen, was mit einem rein batterieelektrisch antreibbaren Fahrzeug nur schwer möglich ist, da somit vergleichsweise viele Ladestops eingelegt werden müssen. Somit eigenen sich Nutzfahrzeuge besonders zum vorsehen eines Brennstoffzellesystems zur Bereitstellung elektrischer Antriebsenergie. Damit ist ein erfindungsgemäßes Verfahren besonders vorteilhaft bei einem Nutzfahrzeug einsetzbar.
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Weiterhin weist ein solches Fahrzeug bevorzugt eine zumindest teilautomatisierte Steuerung auf. Ganz besonders vorteilhaft ist das Fahrzeug vollautomatisiert steuerbar, was den Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer autonom gesteuerten Fahrzeugflotte ermöglicht. Somit lässt sich beispielsweise der Einsatz eines in einem Hub-to-Hub Betriebsmodus betriebenen autonomen LKW noch umweltfreundlicher und zuverlässiger planen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Fahrzeugs ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
- 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs;
- 2 zwei Ladezustandsdiagramme einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs; und
- 3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 1. Bei dem Fahrzeug 1 kann es sich beispielsweise um einen PKW, LKW, Bus, eine Baumaschine oder dergleichen handeln. Das Fahrzeug 1 verfügt über wenigstens eine elektrische Antriebsmaschine 7 zum Antreiben eines Antriebsstrangs 24, wobei in der Ausführung in 1 das Fahrzeug 1 zwei elektrische Antriebsmaschinen 7 aufweist. Zur Versorgung der elektrischen Antriebsmaschinen 7 mit Energie weist das Fahrzeug 1 wenigstens eine Traktionsbatterie 2 sowie ein Brennstoffzellensystem 5, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem auf. Die Traktionsbatterie 2, das Brennstoffzellensystem 5 sowie die elektrische Antriebsmaschine 7 sind an ein gemeinsames Hochvoltnetz 9 des Fahrzeugs 1 angeschlossen. Die Traktionsbatterie 2 kann im Stand des Fahrzeugs 1 über eine Ladeschnittstelle 10 Strom von einer Ladesäule 11 beziehen. Das Fahrzeug 1 kann zudem weitere Komponenten wie einen Retarder 12 und/oder einen Bremschopper 13 aufweisen.
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Das Fahrzeug 1 umfasst ferner wenigstens eine Recheneinheit 8, beispielsweise einen zentralen Bordcomputer. Zur Steuerung und/oder Regelung einzelner Fahrzeugkomponenten sind die Fahrzeugkomponenten über einzelne Steuergeräte 14 über einen Datenbus 15 an die Recheneinheit 8 angeschlossen.
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Ferner umfasst das Fahrzeug 1 eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 16, über die das Fahrzeug 1 Daten mit einer fahrzeugexternen Recheneinheit 17, beispielsweise einem Cloudserver austauschen kann. Beispielsweise kann das Fahrzeug 1 Steuerungsbefehle von einem Fahrzeugkontrollzentrum empfangen und/oder ein mit dem Fahrzeug 1 geplanter Einsatz kommuniziert werden.
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Zur Versorgung des Brennstoffzellensystems 5 mit Kraftstoff ist das Brennstoffzellensystem 5 an einen Kryotank 6 angeschlossen. In dem Kryotank 6 wird ein Kraftstoffgas, beispielsweise Wasserstoff, bei einer vergleichsweise tiefen Temperatur und unter Druck in flüssiger Form gespeichert. Der Kryotank 6 ist gegenüber der Umgebung thermisch isoliert. Da eine solche Isolation den Kryotank 6 gegenüber der Umgebung jedoch nicht vollständig adiabat abschließen kann, heizt sich der Kryotank 6 beim Abstellen des Fahrzeugs 1 langsam auf. Dies führt dazu, dass flüssiges Kraftstoffgas mit der Zeit verdampft, wodurch der Tankinnendruck im Kryotank 6 ebenfalls langsam ansteigt. Übersteigt der Tankinnendruck einen kritischen Wert, so besteht die Gefahr, dass der Kryotank 6 berstet. Um dies zu verhindern, wird Kraftstoffgas aus dem Kryotank 6 entnommen und an die Umgebung abgelassen oder vom Brennstoffzellensystem 5 reagiert, wodurch Energie gewonnen wird.
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Um zu gewährleisten, dass während einer Stillstandzeit des Fahrzeugs 1 so gewonnene Energie vollständig in der Traktionsbatterie 2 gespeichert werden kann, ist ein Ladezustand der Traktionsbatterie 2 bei Beginn einer Stillstandzeit so niedrig zu wählen, dass genug Puffer zur Aufnahme der vom Brennstoffzellensystem 5 im Stand des Fahrzeugs 1 abgegebenen elektrischen Energie in der Traktionsbatterie 2 gespeichert werden kann. Hierzu erfolgt eine Planung einer vorgesehenen Fahrzeugnutzung des Fahrzeugs 1 vor Fahrtantritt. Die Planung kann von der fahrzeuginternen Recheneinheit 8 oder auch von der fahrzeugexternen Recheneinheit 17 vorgenommen werden. Hierzu kann eine autorisierte Person entsprechende Informationen in die jeweiligen Recheneinheiten 8, 17 eingeben. Hierzu kann das Fahrzeug 1 zudem nicht dargestellte Eingabemittel wie einen Touchscreen oder dergleichen oder auch eine Schnittstelle zur Datenkommunikation mit einem mobilen Endgerät wie einem Laptop, Tabletcomputer oder Smartphone umfassen. Ein solches mobiles Endgerät kann mit dem Fahrzeug 1 kabelgebunden oder auch drahtlos, beispielsweise über WiFi, Bluetooth oder NFC kommunizieren. Ferner wird bei der Planung der Fahrzeugnutzung der Ladezustand der Traktionsbatterie 2 so eingestellt, dass am Ende einer Fahrzeugstillstandzeit noch genug elektrische Energie in der Traktionsbatterie 2 vorhanden ist, um ein Heizsystem des Brennstoffzellensystems 5 (nicht dargestellt) für eine ausreichende Zeitdauer zu betreiben, um ein eingefrorenes Brennstoffzellensystem 5 aufzutauen und/oder dieses auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen.
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Ferner kann das Fahrzeug 1 wenigstens einen Drittverbraucher 4, beispielsweise einen Betonmischer, einen Kran, ein Kühlaggregat oder dergleichen aufweisen. Die Fahrzeugnutzung kann so geplant werden, dass überschüssige vom Brennstoffzellensystem 5 in einem sogenannten Boil-Off-Fall erzeugte elektrische Energie nicht nur in der Traktionsbatterie 2 gespeichert wird, sondern auch zum Betreiben des wenigstens einen Drittverbrauchers 4 genutzt wird. Dabei kann auch wenigstens eine der elektrischen Antriebsmaschinen 7 zur Gewinnung von Wellenleistung betrieben werden. Es kann auch sämtliche vom Brennstoffzellensystem 5 erzeugte elektrische Energie zum Betreiben des Drittverbrauchers 4 genutzt werden.
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2 zeigt zwei Ladezustandsdiagramme 18 der Traktionsbatterie 2 in einer qualitativen Darstellung. Ein oberes Ende eines Ladezustandsdiagramms 18 entspricht einer vollgeladenen Traktionsbatterie 2, angedeutet durch einen Ladezustand von 100%. Ein unteres Ende eines Ladezustandsdiagramms 18 entspricht einer erschöpften Traktionsbatterie 2, angedeutet durch einen Ladezustand von 0%.
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2a) zeigt ein Ladezustandsdiagramm 18 während einer Fahrt mit dem Fahrzeug 1. Das Ladezustandsdiagramm 18 weist zwei dunkel schraffierte Bereiche 19 auf, welche eine Ladungsreserve zum Komponentenschutz darstellen. Ein heller Bereich 20 dient zur Symbolisierung eines zulässigen Bereichs in dem sich der Ladezustand der Traktionsbatterie 2 während der Fahrt bewegen darf. Der Bereich 20 ist vergleichsweise groß, wodurch vergleichsweise viele Freiheitsgrade zum Anpassen einer Betriebsstrategie des Fahrzeugs 1 an verschiedene Betriebssituationen unter Berücksichtigung verschiedener Optimierungsziele gegeben sind. Beispielsweise kann während der Fahrt das Fahrzeug 1 besonders verbrauchsoptimal, kostenoptimal, lebensdauerschonend oder dergleichen betrieben werden.
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2b) zeigt ein weiteres Ladezustandsdiagramm 18 zur Symbolisierung eines zulässigen Ladezustandsbereichs 3 während einer Fahrzeugstillstandzeit. Dabei wird eine auf dem in 2b) gezeigten Ladezustandsdiagramm 18 basierende Betriebsstrategie des Fahrzeugs 1 zur Gewährleistung des Einhaltens des Ladezustands der Traktionsbatterie 2 zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit innerhalb des Ladezustandsbereichs 3 bereits kurz vor Erreichen einer Fahrzeugstillstandzeit gefahren. Der zulässige Ladezustandsbereich 3 ist gegenüber einer Reserve für Heizvorgänge 21 durch eine untere Grenze 3.U und gegenüber einer Reserve zur Speicherung überschüssiger elektrischer Energie 22 durch eine obere Grenze 3.0 abgegrenzt.
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Idealerweise wird das Fahrzeug 1 so spät wie möglich vor Erreichen einer Fahrzeugstillstandzeit gemäß der auf dem in 2b) gezeigten Ladezustandsdiagramm 18 basierenden Betriebsstrategie betrieben. Dies führt dazu, dass der Ladezustand der Traktionsbatterie 2 zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit mit der oberen oder unteren Grenze 3.0, 3.U zusammenfällt. Dies erlaubt einen möglichst langen Betrieb des Fahrzeugs 1 gemäß einer auf dem in 2a) gezeigten Ladezustandsdiagramm 18 basierenden Betriebsstrategie.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem Verfahrensschritt 301 wird eine mit dem Fahrzeug 1 durchzuführende Fahrt inklusive dazugehöriger erwarteter Fahrzeugstillstandzeiten ermittelt. Als Eingangsgröße werden hierzu Planungsdaten 310 verwendet. Zu den Planungsdaten 310 zählen beispielsweise eine mit dem Fahrzeug 1 zu befahrende Fahrtroute, ein Startzeitpunkt, ein Ankunftszeitpunkt, eine Anzahl planmäßiger Fahrzeugstillstandzeiten sowie ihre Dauer oder dergleichen.
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In einem sich hieran anschließenden Verfahrensschritt 302 werden die obere und die untere Grenz 3.0, 3.U des Ladezustandsbereichs 3 festgelegt, um den zulässigen Ladezustandsbereich 3 zu definieren. Analog wird ein Zeitpunkt und/oder Ort festgelegt, an dem vor dem Erreichen einer jeweiligen Fahrzeugstillstandzeit der Betriebsmodus des Fahrzeugs 1 angepasst werden muss, um den Ladezustand der Traktionsbatterie 2 in den Ladezustandsbereich 3 zu überführen. Als Eingangsgröße werden hierbei Prognosedaten 320 verwendet. Zu den Prognosedaten 320 zählen beispielsweise ein aktueller Tankinhalt des Kyotanks 6, ein Ladezustand der Traktionsbatterie 2, eine Beladung des Fahrzeugs 1, ein Wetterbericht, Verkehrsprognosedaten oder dergleichen.
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Im Verfahrensschritt 303 wird geprüft, ob der Zeitpunkt bzw. der Ort erreicht wurde, an dem das Fahrzeug 1 des Betriebsmodus so anpasst, dass der Ladezustand der Traktionsbatterie 2 zum Erreichen der nächsten Fahrzeugstillstandzeit dem Ladezustandsbereich 3 entspricht. Ist dies der Fall, erfolgen im Verfahrensschritt 304 die Einregelung der genannten Zielwerte bis zum Stand des Fahrzeugs 1. Ist dies hingegen nicht der Fall, werden ggf. durch das erneute Durchführen des Verfahrensschritts 302 einzelne Zielwerte erneut berechnet. Im Verfahrensschritt 305 werden im Falle eines Boil-Offs angemessene Maßnahmen getroffen, wie das Aktivieren des Brennstoffzellensystems 5, das Zuschalten eines Drittverbrauchers 4, eine Vorheizung des Brennstoffzellensystems 5, ein Temperieren des Kryotanks 6 oder dergleichen. Gemäß eines dargestellten Pfeils 23 können für die Verfahrensschritte 304 und 305 festgelegte Strategien bzw. Zielwerte durch das erneute Durchführen des Verfahrensschritts 302 angepasst werden.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich verhindern, dass während einer Fahrzeugstillstandzeit Kraftstoffgas ungenutzt verschwendet wird, um den Tankinnendruck des Kryotanks 6 innerhalb zulässiger Grenzen zu halten. Außerdem wird eine Zuverlässigkeit einer Einsatzbereitschaft des Fahrzeugs 1 verbessert. So lässt sich gewährleisten, dass bei einem abgestellten Fahrzeug 1 ausreichend Batteriekapazität am Ende einer Fahrzeugstillstandzeit vorhanden ist, um ein zugefrorenes Brennstoffzellensystem 5 aufzutauen und/oder auf Betriebstemperatur aufzuheizen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10304165 A1 [0005]
- US 20180334170 A1 [0006]
