DE102021004759A1 - Verfahren zur Betriebsablaufsplanung einer wenigstens zwei Fahrzeuge umfassenden Fahrzeugflotte und Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebsablaufsplanung einer wenigstens zwei Fahrzeuge (1) umfassenden Fahrzeugflotte (2) durch eine zentrale Recheneinheit (3), wobei die einzelnen Fahrzeuge (1) jeweils einen elektrifizierten Antriebsstrang mit wenigstens einer Traktionsbatterie und einem Brennstoffzellensystem aufweisen, und wobei eine während des Betriebs der Fahrzeuge (1) von den jeweiligen Brennstoffzellensystemen abgegebene Leistung von der zentralen Recheneinheit (3) in Abhängigkeit von Betriebsablaufsinformationen gesteuert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die von den Brennstoffzellensystemen abgegebene Leistung so gesteuert wird, dass eine Menge des von den einzelnen Brennstoffzellensystemen verbrauchten Kraftstoffs für die gesamte Fahrzeugflotte (2) minimiert wird, wobei der Betriebsablauf für einen festgelegten Zeitraum das Durchführen einer festgelegten Anzahl an Fahrten vorsieht und für den Fall, dass zumindest ein Fahrzeug (1) zur Durchführung der ihm zugeordneten Fahrten ein maximales Kraftstofflimit zu übersteigen droht, wenigstens eine der dem Fahrzeug (1) zugeordneten Fahrt von einem Springer-Fahrzeug (4) durchgeführt wird, sodass der kombinierte Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs (1) und des Springer-Fahrzeugs (4) unterhalb des maximalen Kraftstofflimits liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebsablaufsplanung einer wenigstens zwei Fahrzeuge umfassenden Fahrzeugflotte nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art, sowie ein Fahrzeug einer solchen Fahrzeugflotte.
  • Unter anderem aufgrund von immer knapper werdenden natürlichen Ressourcen und Umweltschutzgründen werden zunehmend Fahrzeuge elektrifiziert. Zum Speichern einer ausreichenden Menge elektrischer Antriebsenergie in einer Traktionsbatterie zur Gewährleistung einer festgelegten Reichweite, sind jedoch vergleichsweise große und schwere Traktionsbatterien erforderlich. Insbesondere Nutzfahrzeuge wie Lkws und Busse werden daher oft auch als Seriell-Hybrid Fahrzeug ausgeführt, bei denen ein Brennstoffzellensystem vorgesehen ist, welches die Traktionsbatterie während des Betriebs des Fahrzeugs lädt. Ein solches Brennstoffzellensystem kann beispielsweise Wasserstoff als Kraftstoff einsetzen.
  • Zumindest bisher ist die Erzeugung von Wasserstoff jedoch mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden. Aus diesem Grund ist ein Fahrzeugflottenbetreiber daran interessiert, den Wasserstoffverbrauch des Brennstoffzellensystems im alltäglichen Betrieb zu senken. Mit anderen Worten sollte jedes Fahrzeug der Fahrzeugflotte eine möglichst weite Wegstrecke rein batterieelektrisch zurücklegen, denn reicht die in einer Traktionsbatterie gespeicherte elektrische Energiemenge für den Einsatz eines Fahrzeugs zwischen zwei Ladevorgängen aus, so kann auf den Betrieb des Brennstoffzellensystems gänzlich verzichtet werden.
  • Im täglichen Betriebsablauf eines Fahrzeugflottenbetreibers kommt es jedoch vergleichsweise häufig vor, dass Fahrzeuge aufgrund unvorhergesehener Ereignisse ihre geplante Fahrtroute ändern müssen oder ein erstes Fahrzeug eine einem zweiten Fahrzeug zugeteilte Fahrt übernehmen muss. Dies erschwert die Planung des Betriebsablaufs dahingehend, dass nicht für jedes Fahrzeug bzw. jede Fahrt gewährleistet werden kann, dass ein entsprechendes Brennstoffzellensystem nicht doch hinzugeschaltet werden muss.
  • Aus der US 2015/0298555 A1 ist eine Steuerung für einen Range Extender bekannt. Die Erfindung beschreibt ein als Seriell-Hybrid ausgeführtes Fahrzeug, dessen Traktionsbatterie im laufenden Betrieb von einem beispielsweise als Brennstoffzellensystem ausgeführten Range Extender geladen werden kann. Die vom Range Extender abgegebene Leistung wird dabei so gesteuert, dass der Range Extender während des Betriebs des Fahrzeugs für einen möglichst langen Zeitraum in seinem Effizienzpunkt betrieben wird. Alternative Optimierungsziele sind: Vorhalten eines festgelegten Ladestands der Traktionsbatterie des Fahrzeugs am Ende der Nutzungszeit, sowie Aufrechterhalten eines möglichst hohen Ladestands der Traktionsbatterie für einen möglichst langen Zeitraum nach Beginn der Fahrzeugnutzung. Zum Ableiten von Steuerbefehlen für den Range Extender werden in der Vergangenheit mit dem Fahrzeug durchgeführte Fahrten analysiert und der künftige Verbrauch des Fahrzeugs in Abhängigkeit der vom Fahrzeug zu befahrenden Strecke abgeschätzt. Diese Analyse kann vom Fahrzeug selbst oder von einer fahrzeugexternen Recheneinrichtung, wie einem Cloudserver, vorgenommen werden. Dabei kann der Cloudserver auch Daten einer Fahrzeugflotte auswerten, beziehungsweise die Range-Extender der Flottenfahrzeuge ansteuern. Neben der Länge und Topographie der vom Fahrzeug befahrene Route, werden zum Abschätzen des Verbrauchs beispielsweise Verkehrsinformationen, Wetterbedingungen, eine Zuladung des Fahrzeugs oder dergleichen berücksichtigt. Ebenso kann der Einfluss ungeplanter Routenänderungen für die Verbrauchsabschätzung berücksichtigt werden. Die in der Druckschrift offenbarte Steuerung erlaubt eine kraftstoffsparsame Erhöhung der Reichweite der einzelnen Fahrzeuge einer Fahrzeugflotte. Weiteres Potenzial zur Reduktion des gesamten Kraftstoffverbrauchs der Fahrzeugflotte bleibt jedoch ungenutzt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Betriebsablaufsplanung einer wenigstens zwei Fahrzeuge umfassenden Fahrzeugflotte anzugeben, mit dessen Hilfe ein Kraftstoffverbrauch der gesamten Fahrzeugflotte minimiert wird und dabei gleichzeitig das zuverlässige Durchführen der für einen festgelegten Zeitraum von den Fahrzeugen der Fahrzeugflotte geplanten Fahrten gewährleistet wird.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Betriebsablaufsplanung einer wenigstens zwei Fahrzeuge umfassenden Fahrzeugflotte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, sowie ein Fahrzeug einer solchen Fahrzeugflotte ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
  • Bei einem Verfahren zur Betriebsablaufsplanung einer wenigstens zwei Fahrzeuge umfassenden Fahrzeugflotte durch eine zentrale Recheneinheit der eingangs genannten Art, wobei die einzelnen Fahrzeuge jeweils einen elektrifizierten Antriebsstrang mit wenigstens einer Traktionsbatterie und einem Brennstoffzellensystem aufweisen, wird erfindungsgemäß die von den Brennstoffzellensystemen abgegebene Leistung so gesteuert, dass eine Menge des von den einzelnen Brennstoffzellensystemen verbrauchten Kraftstoffs für die gesamte Fahrzeugflotte minimiert wird, wobei der Betriebsablauf für einen festgelegten Zeitraum das Durchführen einer festgelegten Anzahl an Fahrten vorsieht und für den Fall, dass zumindest ein Fahrzeug zur Durchführung der ihm zugeordneten Fahrten ein maximales Kraftstofflimit zu übersteigen droht, wenigstens eine der dem Fahrzeug zugeordneten Fahrt von einem Springer-Fahrzeug durchgeführt wird, sodass der kombinierte Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs und des Springer-Fahrzeugs unterhalb des maximalen Kraftstofflimits liegt.
  • Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, den Kraftstoffverbrauch der gesamten Fahrzeugflotte zu minimieren und dabei das zuverlässige Durchführen der während des festgelegten Zeitraums durchzuführenden Fahrten zu gewährleisten. Zur Minimierung des Kraftstoffverbrauchs, beispielsweise von einem Brennstoffzellensystem verbrauchter Wasserstoff, sieht der geregelte Betriebsablauf vor, dass nach Möglichkeit den einzelnen Fahrzeugen der Fahrzeugflotte solche Fahrten zugeordnet werden, dass die einzelnen Fahrzeuge die Fahrten vollständig im rein batterieelektrischen Betrieb durchführen. Es kann jedoch vorkommen, dass eine bestimmte Fahrt, im Folgenden als Dienstfahrt bezeichnet, beispielsweise eine Umlauffahrt für einen Verkehrsbetrieb, eine so lange Strecke und/oder eine Topographie mit vergleichsweise vielen Steigungen aufweist, dass selbst das Fahrzeug mit der größten Traktionsbatterie das Brennstoffzellensystem zum Durchführen sämtlicher dem Fahrzeug zugeordneten Dienstfahrten während des festgelegten Zeitraums hinzuschalten muss. Der festgelegte Zeitraum kann ein beliebiger Zeitraum sein, beispielsweise ein Tag.
  • Im alltäglichen Betriebsablauf können unvorhergesehene Ereignisse auftreten, wie beispielsweise Verkehrsbehinderungen, Baustellen, Umleitungen, Pannen, Unfälle oder dergleichen, welche Änderungen im Betriebsablauf mit sich ziehen. So müssen gegebenenfalls einzelne Fahrzeuge während einer Dienstfahrt ihre Route ändern oder können eine Dienstfahrt nicht vollständig durchführen, da eine Werkstatt aufgesucht werden muss. Muss eine Umleitung gefahren werden, so wird typischerweise der Energieverbrauch des Fahrzeugs ansteigen. Dies erhöht das Risiko, dass der Ladestand der Traktionsbatterie des jeweiligen Fahrzeugs zum Durchführen der dem jeweiligen Fahrzeug für den festgelegten Zeitraum zugeordneten Dienstfahrten nicht ausreicht und das entsprechende Brennstoffzellensystem hinzugeschaltet werden muss, um eine ausreichende Reichweite zum Durchführen der dem Fahrzeug zugeordneten Dienstfahrten zu ermöglichen. Hierdurch steigt der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs an. Im Falle einer Panne oder eines Unfalls muss ein anderes Fahrzeug für das ausgefallene Fahrzeug einspringen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass für den Fall, dass ein bestimmtes Fahrzeug aufgrund von unvorhergesehenen Ereignissen zur Durchführung der ihm zugeordneten Dienstfahrten mehr Energie vom Brennstoffzellensystem beziehen muss, als ursprünglich geplant, die wenigstens eine, den vermehrten Brennstoffzellenbetrieb bedingende Dienstfahrt von einem Springer-Fahrzeug übernommen wird. Bei dem Springer-Fahrzeug kann es sich um ein beliebiges weiteres Fahrzeug der Fahrzeugflotte handeln. Das Springer-Fahrzeug kann ein Fahrzeug sein, welches in dem festgelegten Zeitraum ebenfalls Dienstfahrten durchführen muss, jedoch freie Kapazitäten zu dem Zeitraum aufweist, zudem die Dienstfahrt vom ersten Fahrzeug übernommen werden soll. Bei dem Springer-Fahrzeug kann es sich jedoch auch um ein Reserve-Fahrzeug handeln, dem im normalen Betriebsablauf keine Dienstfahrten zugeordnet werden, damit es flexibel einsatzbereit ist und zu jeder Zeit Dienstfahrten von anderen Fahrzeugen übernehmen kann.
  • Die zentrale Recheneinheit regelt die Leistung der einzelnen Brennstoffzellensysteme in Abhängigkeit der Betriebsablaufinformationen. Hierdurch entsteht der Vorteil, dass ein zentrales System sämtliche betriebsablaufrelevanten Daten verwaltet und somit den Betriebsablauf in Ausnahmesituationen besonders effizient steuert. So ist es möglich als Springer-Fahrzeug solche Fahrzeuge zu verwenden, welche selbst im festgelegten Zeitraum Dienstfahrten durchführen und eine Anzahl an Reserve-Fahrzeugen, also Fahrzeuge, für die im festgelegten Zeitraum keine Dienstfahrten geplant werden, zu reduzieren. Somit lässt sich ein besonders ressourcen- und kosteneffizienter Betriebsablauf umsetzen, denn ein parkendes Fahrzeug kann nicht zur Erwirtschaftung von Geld verwendet werden.
  • Zu den Betriebsablaufinformationen zählen beispielsweise Routen- und Planungsdaten. Routendaten beschreiben beispielsweise einen Verlauf, Länge und Topographie der den jeweiligen Dienstfahrten zugeordneten Routen und eine routenabschnittspezifische, erwartete Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Planungsdaten umfassen beispielsweise eine Anzahl verfügbarer Flottenfahrzeuge, einen Ladestand einer Traktionsbatterie, einen Füllstand eines Wasserstofftanks, ein Zeitfenster zur Durchführung eines Ladestopps, eine Anzahl Haltestopps entlang der Route und welche Aktionen an den Haltestopps durchzuführen sind. Eine solche Aktion kann beispielsweise das Be- oder Entladen des Fahrzeugs umfassen, oder den Stopp an einer Haltestelle, damit Fahrgäste ein- und aussteigen können.
  • Ebenfalls zu den Betriebsablaufinformationen zählen Informationen, die aktuelle Änderungen des Betriebsablaufs aufgrund von unvorhergesehenen Ereignissen umfassen. Muss ein erstes Fahrzeug seine Route ändern, beispielsweise aufgrund von Verkehrsverzögerungen, einer Umleitung oder dergleichen, so teilt das jeweilige Fahrzeug der zentralen Recheneinheit dies mit. Zur Kommunikation zwischen Fahrzeugen und zentraler Recheneinheit wird bevorzugt Funk verwendet. Hierzu kann beispielsweise Mobilfunk oder auch WiFi verwendet werden.
  • Ebenfalls umfassen die Betriebsablaufinformationen eine Zuordnung von Fahrzeugen zu Dienstfahrten. Diese Zuordnung kann für den festgelegten Zeitraum und auch für weitere, auf den festgelegten Zeitraum folgende Zeiträume geplant werden. Entspricht der festgelegte Zeitraum beispielsweise einem Tag, so können einzelnen oder auch allen Fahrzeugen der Fahrzeugflotte auch Dienstfahrten für zwei, drei oder vier Tage, eine Woche oder auch einen Monat im Voraus zugeordnet werden.
  • Die zentrale Recheneinheit kann zur Planung und Auswertung von Daten auch Methoden des maschinellen Lernens, wie Künstliche Intelligenz, einsetzen. Neben der Zuordnung von Springer-Fahrzeugen kann die zentrale Recheneinheit auch das Fahren von alternativen Routen vorschlagen. Hauptziel ist dabei immer die Reduktion des von der gesamten Fahrzeugflotte verbrauchten Kraftstoffs, also beispielsweise Wasserstoff. Zur Betriebsablaufsplanung können auch weitere Nebengrößen optimiert werden, wie: Eine besonders gleichmäßig über die Fahrzeuge der Fahrzeugflotte verteilte Einsatzdauer, um eine gleichmäßige Alterung der Fahrzeuge zu erreichen; eine Minimierung von Totalkosten für den Betrieb der Fahrzeugflotte; möglichst kurze Verzögerungen im Falle des Auftretens unvorhergesehener Ereignisse, sodass ein einzelnes Fahrzeug möglichst kurz ausfällt bzw. bei einem als Verkehrsmittel genutzten Fahrzeug zum Eintreffen an einer Haltestelle eine möglichst kurze Verspätungszeit erreicht wird; oder dergleichen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Springer-Fahrzeug zum Durchführen der wenigstens einen vom Fahrzeug übernommenen Dienstfahrt ausschließlich Antriebsenergie aus einer Traktionsbatterie entnimmt. Hierdurch lässt sich der Kraftstoffverbrauch der gesamten Fahrzeugflotte noch weiter reduzieren. Besteht der Fall, dass ein Springer-Fahrzeug eine Dienstfahrt übernehmen muss, so kann die zentrale Recheneinheit gegebenenfalls auf verschiedene Fahrzeuge zugreifen, die aktuell freie Kapazitäten aufweisen und eines dieser Fahrzeuge als Springer-Fahrzeug bestimmen. Beispielsweise kann die zentrale Recheneinheit ein solches Fahrzeug als Springer-Fahrzeug bestimmen, welches sich in einer Nähe zu dem Fahrzeug befindet, dessen Dienstfahrt übernommen werden soll bzw. welches sich aktuell bereits in einer Nähe zu der entsprechenden Route der Dienstfahrt aufhält. Somit kann das Springer-Fahrzeug die Dienstfahrt besonders schnell übernehmen, wodurch Verzögerungszeiten bzw. Verspätungen reduziert werden können. Hierzu kann, beispielsweise unter Verwendung einer Gewichtungsfunktion, abgewägt werden zwischen dem Minimieren des Kraftstoffverbrauchs und Nebenbedingungen, wie der Reduktion von Gesamtkosten und/oder der Reduktion von Taktzeiten.
  • Wird das Fahrzeug beispielsweise zum Transport von Ladung verwendet, so können aufgrund von Verzögerungen Strafkosten anfallen. Die zentrale Recheneinheit bestimmt dann ein solches Fahrzeug als Springer-Fahrzeug, welches besonders schnell die Dienstfahrt übernehmen kann und dabei zusätzlich der Kraftstoffverbrauch reduziert werden kann. Bevorzugt weist das entsprechende, als Springer-Fahrzeug ausgewählte Fahrzeug dabei einen ausreichenden Ladestand seiner Traktionsbatterie auf, sodass es die übernommene Dienstfahrt ohne das Hinzuschalten seines eigenen Brennstoffzellensystems durchführen kann.
  • Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens übernimmt das Springer-Fahrzeug die wenigstens eine dem Fahrzeug zugeordnete Dienstfahrt, bevor der Ladestand der Traktionsbatterie des Fahrzeugs einen kritischen Minimalwert unterschreitet. Hierdurch lässt sich der Kraftstoffverbrauch der gesamten Fahrzeugflotte noch weiter reduzieren. In einer bevorzugten Ausführung hält das Fahrzeug dabei einen ausreichenden Ladestand der Traktionsbatterie vor, um beispielsweise noch ein Depot, eine Werkstatt oder dergleichen aufsuchen zu können, in dem/der die Traktionsbatterie dann wieder geladen wird. So muss das entsprechende ausgefallene Fahrzeug auch zum Aufsuchen des Depots bzw. der Werkstatt sein Brennstoffzellensystem nicht hinzuschalten. Der kritische Minimalwert kann dabei ein beliebiger Ladestand sein, wie beispielsweise 30%, 20%, 10% oder dergleichen. Die zentrale Recheneinheit schätzt bevorzugt den Ladestand der Traktionsbatterien der einzelnen Fahrzeuge der Fahrzeugflotte ab. Kommt es zu ungeplanten Änderungen des Betriebsablaufs, so wird der abgeschätzte Ladestand der Traktionsbatterie für die entsprechenden von den Änderungen betroffenen Fahrzeuge aktualisiert. Entsprechend ist die rechtzeitige Zuweisung von Springer-Fahrzeugen zu ausgefallenen Fahrzeugen möglich.
  • Für bestimmte Dienstfahrten kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass ein Brennstoffzellensystem hinzugeschaltet werden muss, beispielsweise weil eine Route besonders lang ist, häufiger Stopp and Go Verkehr vorliegt und/oder die Route besonders viele Steigungen umfasst.
  • Bevorzugt wird die Zuordnung von Fahrten zu Fahrzeugen von einem Dispositionssystem durchgeführt. Das Dispositionssystem kann in die zentrale Recheneinheit integriert sein oder extern zu dieser ausgeführt sein. Bei der zentralen Recheneinheit kann es sich beispielsweise um einen Cloudserver handeln. Ebenso kann auch das Dispositionssystem als Cloudserver ausgeführt sein. Bevorzugt wird das Dispositionssystem von einem Fahrzeugflottenverwalter betrieben. Die zentrale Recheneinheit kann von einem Hersteller der Fahrzeuge der Fahrzeugflotte betrieben werden. Mit Hilfe des Dispositionssystems ist der Fahrzeugflottenverwalter dazu in der Lage, seine eigene Fahrzeugflotte besonders komfortabel verwalten zu können.
  • Bei einem Fahrzeug mit einem elektrifizierten Antriebstrang, wenigstens einer Traktionsbatterie, einem Brennstoffzellensystem, einer Recheneinheit und einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle, sind erfindungsgemäß der Antriebsstrang, die Traktionsbatterie, das Brennstoffzellensystem, die Recheneinheit sowie die drahtlose Kommunikationsschnittstelle zur Durchführung eines im Vorigen beschriebenen Verfahrens eingerichtet. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein beliebiges Fahrzeug, wie einen Pkw, Lkw, Transporter, Bus, eine Baumaschine oder dergleichen handeln. Das Brennstoffzellensystem kann eine beliebige Anzahl an Brennstoffzellen umfassen. Die Brennstoffzellen können auf einer beliebigen Brennstoffzellentechnologie wie beispielsweise PEMFC, SOFC, AFC oder dergleichen beruhen. Bei der Recheneinheit kann es sich um einen zentralen Bordcomputer, eine Telematikeinheit, ein Steuergerät eines Fahrzeuguntersystems oder dergleichen handeln. Mit Hilfe der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ist beispielsweise per Mobilfunk, WiFi oder dergleichen eine Kommunikation zur zentralen Recheneinheit möglich. Generell ist es dabei auch denkbar, dass einzelne Fahrzeuge der Fahrzeugflotte direkt miteinander kommunizieren.
  • Bevorzugt ist ein solches Fahrzeug als Omnibus ausgeführt. In einem solchen Fall kann die Fahrzeugflotte beispielsweise von einem Verkehrsunternehmen betrieben werden. Eine Dienstfahrt sieht dann den Transport von Fahrgästen vor.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eins, bevorzugt alle Fahrzeuge der Fahrzeugflotte autonom steuerbar. In diesem Falle ist keine fahrzeugführende Person zum Betrieb des jeweiligen Fahrzeugs erforderlich. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Betriebsablaufsplanung, da lediglich die Fahrzeuge zu verwalten sind und nicht auch noch, möglicherweise unter Einhalten maximaler Arbeitszeiten, eine Person gefunden werden muss, die ein jeweiliges Springer-Fahrzeug steuert.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Betriebsablaufsplanung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
  • Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung der Entwicklung der Reserven einer Traktionsbatterie und eines Wasserstofftanks eines Flottenfahrzeugs über der Zeit; und
    • 2 eine schematische Darstellung einer für einen Betriebsablauf einer Fahrzeugflotte verwendeten Infrastruktur.
  • 1 zeigt die Entwicklung des Ladezustands einer Traktionsbatterie und den Füllstand eines Wasserstofftanks eines Fahrzeugs 1 einer in 2 gezeigten Fahrzeugflotte 2 über der Zeit t. Der in 1 dargestellte Zeitabschnitt entspricht einer festgelegten Zeitdauer, beispielsweise einem Tag. Während dieser festgelegten Zeitdauer sind von dem Fahrzeug 1 eine festgelegte Anzahl an Dienstfahrten durchzuführen. Bei einer solchen Dienstfahrt handelt es sich beispielsweise um eine Umlauffahrt und bei der Fahrzeugflotte 2 um die Flotte eines Verkehrsunternehmens. In 1a) ist der für diesen festgelegten Zeitraum geplante Einsatz des Fahrzeugs 1 dargestellt.
  • Ein jeweiliger obere Balken zeigt dabei den Ladezustand der Traktionsbatterie und der untere Balken den Füllstand des Wasserstofftanks, In 1 entsprechen gestrichelt umrandete Balken prognostizierten Werten und vollumrandete Balken sich tatsächlich einstellende Werten.
  • Zum Zeitpunkt t1 soll das Fahrzeug 1 seinen Betrieb aufnehmen. Da das Fahrzeug 1 über Nacht an einer Ladestation geladen wird, wird eine vollgeladene Traktionsbatterie prognostiziert. Analog wird auch der Wasserstofftank des Fahrzeugs 1 vollständig befüllt. Zum Zeitpunkt t2 befindet sich das Fahrzeug 1 im Betrieb und erledigt eine der ihm zugeteilten Dienstfahrten. Da das Fahrzeug 1 bereits eine gewissen Strecke zurückgelegt hat, wird ein reduzierter Ladestand für die Traktionsbatterie prognostiziert. Zum Zeitpunkt t3 wird das Fahrzeug 1 die ihm zugeteilten Dienstfahrten abgeschlossen haben und kann somit seinen Betrieb beenden. Da das Fahrzeug 1 für besonders viele und weite Dienstfahrten eingesetzt wird, reicht die Kapazität der Traktionsbatterie für einen rein batterieelektrischen Betrieb nicht aus. So wurde das Brennstoffzellensystem betrieben, um eine ausreichende Reichweite zu gewährleisten und, um eine gewissen Restladung in der Traktionsbatterie aus Zellschutzgründen vorzuhalten. Entsprechend wird eine vergleichsweise geringe Menge Wasserstoff aus dem Wasserstofftank entnommen worden sein.
  • Der tatsächliche Verbrauch des Fahrzeugs 1 ist in 1b) gezeigt. Zum Zeitpunkt t2 kommt es zu einem unvorhergesehenen Ereignis, welches eine Änderung des geplanten Betriebsablaufs bedingt. So muss das Fahrzeug 1 beispielsweise während einer Dienstfahrt eine längere Umleitung fahren, sodass das Fahrzeug 1 erst zum Zeitpunkt t4 die ihm zugeordneten Dienstfahrten abgeschlossen haben wird. Aufgrund der längeren Strecke, müsste das Fahrzeug 1 sein Brennstoffzellensystem länger betreiben, um eine ausreichende Reichweite gewährleisten zu können. Dies führt dazu, dass ein für das Fahrzeug 1 bestimmter, kritischer Kraftstoffverbrauch überschritten wird. Dieser kritische Kraftstoffverbrauch kann beispielsweise dann erreicht werden, wenn mehr Wasserstoff aus dem Wasserstofftank entnommen werden muss, als ursprünglich geplant.
  • Aus diesem Grund wird, wie in 1c) gezeigt, ein sogenanntes Springer-Fahrzeug 4 entsandt, um zumindest die Dienstfahrt des Fahrzeugs 1, welche das Übersteigen des kritischen Kraftstoffverbrauchs bedingt, zu übernehmen. Das Fahrzeug 1 begibt sich zurück ins Depot, welches es zum Zeitpunkt t2' erreicht. Im Depot wird das Fahrzeug 1 dann geladen. So kann es entweder am morgigen Tag seinen Betrieb wie gewohnt fortsetzen, oder aber selbst als Springer-Fahrzeug 4 fungieren, nachdem die Traktionsbatterie ausreichend geladen wurde. Wasserstoff muss nicht verbraucht werden.
  • Das Springer-Fahrzeug 4 weist hingegen eine fast vollgeladene Traktionsbatterie und einen halbvollen Wasserstofftank auf. Die von der Traktionsbatterie umfasste elektrische Energiemenge reicht zum Beenden der Ursprünglich dem Fahrzeug 1 zugeteilten Dienstfahren aus, sodass die Traktionsbatterie des Springer-Fahrzeugs 4 zum Zeitpunkt t4 einen geringeren Ladestand aufweist. Da kein Wasserstoff verbraucht werden musste, ist der Wasserstofftank weiterhin halb voll.
  • Da das Fahrzeug 1 und das Springer-Fahrzeug 4 ihr Brennstoffzellensystem nicht benutzten müssen, kann so Kraftstoff, sprich Wasserstoff, eingespart werden.
  • Eine in 2 gezeigte zentrale Recheneinheit 3 verwaltet den Betriebsablauf der Fahrzeugflotte 2 und gibt Steuersignale zum Ansteuern der von den jeweiligen Brennstoffzellensystemen der einzelnen Fahrzeuge 1 abgegebenen Leistung aus. Die zentrale Recheneinheit 3 wertet verschiedene Betriebsablaufinformationen aus und kann so abschätzen, welchen Ladestand die Traktionsbatterie und welchen Füllstand der Wasserstofftank eines jeweiligen Fahrzeugs 1 zu einer beliebigen Zeit aufweist.
  • In Abhängigkeit einer Größe der Fahrzeugflotte 2 und der Anzahl unvorhergesehener Ereignisse kann es gegebenenfalls nicht vermieden werden, dass zumindest ein Fahrzeug 1 bzw. Springer-Fahrzeug 4 der Fahrzeugflotte 2 sein Brennstoffzellensystem zur Gewährleistung einer ausreichenden Reichweite verwenden muss. Die Zuordnung von Springer-Fahrzeugen 4 zu übernehmenden Dienstfahrten erfolgt von der zentralen Recheneinheit 3 jedoch so, dass der Wasserstoffverbrauch für die gesamte Fahrzeugflotte 2 minimiert wird.
  • Bei den in 2 dargestellten Fahrzeugen 1 kann es sich beispielsweise um Omnibusse handeln. Die einzelnen Fahrzeuge 1 empfangen Steuersignale von der bereits erwähnten zentralen Recheneinheit 3. Bei der zentralen Recheneinheit 3 kann es sich beispielsweise um einen Cloudserver, auch als Backend bezeichnet, handeln. Die zentrale Recheneinheit 3 kann beispielsweise von einem Fahrzeugflottenbetreiber oder auch von einem externen Dienstleister, beispielsweise einem Fahrzeughersteller der Fahrzeuge 1, betrieben werden. Die zentrale Recheneinheit 3 steht in Kommunikationsverbindung mit einem Planungssystem 5.1, einer Leitstelle 5.2 und einem Dispositionssystem 5.3.
  • Die zentrale Recheneinheit 3 empfängt vom Planungssystem 5.1 Routen- und Planungsdaten 6.1. Die Routen- und Planungsdaten umfassen beispielsweise die Länge einer Wegstrecke einer Dienstfahrt. So kann die zentrale Recheneinheit 3 ein solches Fahrzeug 1 einer bestimmten Dienstfahrt zuordnen, dessen Traktionsbatterie einen ausreichenden Ladestand zum Durchführen der entsprechenden Dienstfahrt aufweist. Kann kein Fahrzeug der entsprechenden Dienstfahrt zugeordnet werden, dessen Traktionsbatterie ausreichend geladen ist bzw. dessen Kapazität ausreicht, so muss das entsprechende Brennstoffzellensystem des jeweiligen Fahrzeugs 1 verwendet werden, um eine ausreichende Reichweite zu gewährleisten.
  • Kommt es aufgrund von unvorhergesehenen Ereignissen zu Änderungen im Betriebsablauf, beispielsweise weil eine Route während des laufenden Betriebs geändert werden muss, so sendet ein entsprechendes Fahrzeug 1 entsprechende Informationen an die Leitstelle 5.2. Die Leitstelle 5.2 gibt Daten 6.2, die betriebliche Änderungen der aktuellen Route umfassen, an die zentrale Recheneinheit 3 weiter. Die zentrale Recheneinheit 3 wiederum übermittelt an die Leitstelle 5.2 Daten 6.3 zurück, welche eine Machbarkeit der Änderung inklusive Auswirkungen auf Restreichweite und Wasserstoffverbrauch umfassen, zurück.
  • Das Dispositionssystem 5.3 gibt Daten 6.4, welche eine Zuweisung von Dienstfahrten zu Fahrzeugen 1 innerhalb des festgelegten Zeitraums umfassen, an die zentrale Recheneinheit 3 weiter. In Abhängigkeit der Betriebsablaufinformationen übermittelt dann die zentrale Recheneinheit 3 an das Dispositionssystem 5.3 Daten 6.5 zurück, welche eine Machbarkeit bzw. Durchführbarkeit der Dienstfahrten inklusive Auswirkungen auf Restreichweite und Wasserstoffverbrauch umfassen, zurück.
  • Steuersignale zum optimierten Brennstoffzellenbetrieb der Brennstoffzellensysteme der jeweiligen Fahrzeuge 1 werden dann von der zentralen Recheneinheit 3 drahtlos an die einzelnen Fahrzeuge 1 übermittelt. Besonders bevorzugt werden dabei die Fahrzeuge 1 autonom gesteuert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 20150298555 A1 [0005]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Betriebsablaufsplanung einer wenigstens zwei Fahrzeuge (1) umfassenden Fahrzeugflotte (2) durch eine zentrale Recheneinheit (3), wobei die einzelnen Fahrzeuge (1) jeweils einen elektrifizierten Antriebsstrang mit wenigstens einer Traktionsbatterie und einem Brennstoffzellensystem aufweisen, und wobei eine während des Betriebs der Fahrzeuge (1) von den jeweiligen Brennstoffzellensystemen abgegebene Leistung von der zentralen Recheneinheit (3) in Abhängigkeit von Betriebsablaufsinformationen gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Brennstoffzellensystemen abgegebene Leistung so gesteuert wird, dass eine Menge des von den einzelnen Brennstoffzellensystemen verbrauchten Kraftstoffs für die gesamte Fahrzeugflotte (2) minimiert wird, wobei der Betriebsablauf für einen festgelegten Zeitraum das Durchführen einer festgelegten Anzahl an Fahrten vorsieht und für den Fall, dass zumindest ein Fahrzeug (1) zur Durchführung der ihm zugeordneten Fahrten ein maximales Kraftstofflimit zu übersteigen droht, wenigstens eine der dem Fahrzeug (1) zugeordneten Fahrt von einem Springer-Fahrzeug (4) durchgeführt wird, sodass der kombinierte Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs (1) und des Springer-Fahrzeugs (4) unterhalb des maximalen Kraftstofflimits liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Springer-Fahrzeug (4) zum Durchführen der wenigstens einen vom Fahrzeug (1) übernommenen Fahrt ausschließlich Antriebsenergie aus seiner Traktionsbatterie entnimmt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Springer-Fahrzeug (4) die wenigstens eine dem Fahrzeug (1) zugeordnete Fahrt übernimmt, bevor der Ladestand der Traktionsbatterie des Fahrzeugs (1) einen kritischen Minimalwert unterschreitet.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung von Fahrten zu Fahrzeugen (1) von einem Dispositionssystem (5.3) durchgeführt wird.
  5. Fahrzeug (1) mit einem elektrifizierten Antriebsstrang, wenigstens einer Traktionsbatterie, einem Brennstoffzellensystem, einer Recheneinheit und einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrifizierte Antriebsstrang, die Traktionsbatterie, das Brennstoffzellensystem, die Recheneinheit und die drahtlose Kommunikationsschnittstelle zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 eingerichtet sind.
  6. Fahrzeug (1) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Ausführung als Omnibus.
  7. Fahrzeug (1) nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine autonome Steuerung.
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