DE10252292A1

DE10252292A1 - Verfahren zur Steuerung der Energieverteilung in einem Verkehrsmittel und Verkehrsmittel, das dieses Verfahren umsetzt

Info

Publication number: DE10252292A1
Application number: DE10252292A
Authority: DE
Inventors: Hans-Michael Dr. Graf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-06-09
Also published as: FR2848032A1; FR2848032B1

Abstract

Die Erfindung gibt ein Verfahren zur Steuerung der Energieverteilung in einem Verkehrsmittel an mit den Schritten: Aufstellen von Wertigkeit-Mengen-Funktionen für Energiequellen, Aufstellen von Wertigkeit-Mengen-Funktionen für Energiesenken, Übermittlung der Wertigkeit-Mengen-Funktion der Energiequellen und der Energiesenken an eine Berechnungsvorrichtung, Berechnung einer aktuellen Wertigkeit aus den Wertigkeit-Mengen-Funktionen und Übermittlung der aktuellen Wertigkeit an die Energiesenken und -quellen. Die Wertigkeit-Mengen-Funktion gibt bezüglich einer Energiesenke an, wie der Bezug einer bestimmten Leistung ist, während die Wertigkeit-Mengen-Funktion bezüglich einer Energiequelle angibt, wie groß eine definierte Bereitschaft zur Abgabe einer bestimmten Leistung ist und wobei die berechnete Wertigkeit ein Maß für das Angebot und die Nachfrage an Leistung innerhalb des Verkehrsmittels ist unter Berücksichtigung der Bereitschaft zur Abgabe und der Wichtigkeit des Bezugs von Leistung.

Description

Verfahren zur Steuerung der Energieverteilung in einem Verkehrsmittel und Verkehrsmittel, das dieses Verfahren umsetzt Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Energieverteilung in einem Verkehrsmittel. Ferner betrifft die Erfindung ein Verkehrsmittel, in dem dieses Verfahren umgesetzt ist.
Ein Verkehrsmittel stellt bezüglich seines Energiehaushaltes ein autarkes System dar, in dem jedem eine Energiesenke bildenden Verbraucher eine Energiequelle gegenübersteht. Im Idealfall stimmen das durch die Energiequelle bereitgestellte Leistungsangebot und die Leistungsnachfrage der Verbraucher überein.
Heutige Verkehrsmittel werden zunehmend über Zusatzfunktionen vermarktet, die über die Befriedigung des reinen Mobilitätsbedürfnisses weit hinausgehen. Zusatzfunktionen lassen die mittlere Leistungsnachfrage und insbesondere die Spitzennachfrage stark ansteigen. Sollte jede Leistungsnachfrage bedingungslos erfüllt werden, müßten die Leistung der Energiequellen erheblich ausgebaut werden, wobei die Kosten für die Erhöhung des Leistungsangebots die Kosten für die Einrichtung der Zusatzfunktion bei weitem übersteigen würden. Ein weiterer, zusätzlicher Bedarf an Leistungsangebot entsteht durch die Implementierung vorzugsweise elektrisch betriebener sicherheitskritischer Funktionen, die eine redundante Energieversorgung notwendig machen. Um einerseits eine befriedigende Funktion der Komponenten des Verkehrsmittels zu ermöglichen und andererseits die Kosten für die Bereitstellung des erforderlichen Leistungsangebots in einem vertretbaren Rahmen zu halten, werden Systeme zur Energie- bzw. Leistungsverteilung eingesetzt, durch die Leistungsspitzen vermieden werden.
Für verschiedene Energiearten innerhalb eines Verkehrsmittels existieren unterschiedliche Ansätze. Die mechanische Energie im Antriebsstrang wird meist drehmomentorientiert geregelt. Dieser Ansatz hat jedoch große Schwierigkeiten bei der Berücksichtigung von Energiespeichern. Im elektrischen Bordnetz wird ein Generator auf der Basis der aktuellen Bordnetzspannung geregelt. Kann diese nicht erreicht werden, greift ein Lastmanagement, durch das die Leistungsnachfrage reduziert wird. In Verkehrsmitteln mit fortgeschrittener Technologie wird neben dem Generator eine sogenannte APU (Auxiliary Power Unit) vorgesehen, die zusätzliche Leistung bereitstellen kann. Das Lastmanagement schaltet Verbraucher entsprechend einer festgelegten Priorität ab. Für jede Ausstattungsvariante eines Verkehrsmittels muß eine Prioritätsliste erstellt werden, die dem Lastmanagement als Grundlage für die Abschaltung von Verbrauchern bei zu hoher Leistungsnachfrage dient. Ein solches System ist sehr starr und kann weder auf Änderungen der Verbraucherkonfiguration noch auf Änderung der Umgebungsbedingungen reagieren. Hinzu kommt, daß die Zusammenfassung aller Regelungen von Energiesenken und Energiequellen in einem Zentralrechner des Verkehrsmittels technisch sehr aufwendig ist.
Die Komplexität heutiger Verkehrsmittel bezüglich des Energiehaushaltes ist in der 21 dargestellt. Der Energieträger, der die Basis für den gesamten Energiehaushalt ist, ist in der Regel Benzin oder Diesel. Die durch den Energieträger bereitgestellte chemische Energie kann gemäß 21 über einen Benzinmotor als Verbrennungskraftmaschine in mechanische Energie umgewandelt werden. Diese wird einerseits für den Vortrieb eingesetzt, andererseits wird sie auch zum Antrieb von Hydraulikpumpen oder beispielsweise eines Generators eingesetzt. Das mitgeführte Benzin kann aber auch über einen APU direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Sowohl die durch den Generator als auch durch die APU bereitgestellte elektrische Leistung steht in einem Bordnetz 1 zur Verfügung, und wird innerhalb des Verkehrsmittels auf viel fältige Weise verbraucht. Zu nennen sind beispielsweise Antriebsmotoren, elektrische Energiespeicher, elektronische Datenverarbeitungskomponenten und Lampen zur Erzeugung von Licht. Darüber hinaus werden Heizelemente mit elektrischer Energie betrieben. Über einen DC/DC-Wandler wird ein Bordnetz mit einer anderen Betriebsspannung gespeist.
Die Komplexität des Systems zeigt sich daran, daß Wärme einerseits über elektrisch betriebene Heizelemente erzeugt werden kann, als auch die Abwärme des Verbrennungsmotors als Wärmequelle beispielsweise zur Beheizung des Innenraums verwendbar ist. Ein anderes Beispiel für alternative Energiebereitstellung ist das Hydrauliksystem, dessen Bestandteil unter anderem Hydraulikpumpen sind. Diese können einerseits durch die vom Verbrennungsmotor bereitgestellte mechanische Leistung angetrieben werden, als auch durch elektrische Leistung, die durch die APU oder den Generator erzeugt wurde. Eine weitere Komplizierung des Systems ist dadurch gegeben, daß elektrische Leistung auch wieder in mechanische Leistung umgewandelt werden kann. Einzelnen Komponenten kann dabei eine Doppelfunktion zukommen. Der elektrisch betriebene Startermotor des Verkehrsmittels dient eigentlich zum Antrieb des Verbrennungsmotors beim Startvorgang. Andererseits ist der Startermotor auch als Generator einsetzbar, wobei er in dieser Funktion aus der mechanischen Energie des Verbrennungsmotors elektrische Energie erzeugt. Darüber hinaus sind sogenannte E-Booster einsetzbar, die beispielsweise zur kurzzeitigen Leistungserhöhung des Vortriebs verwendet werden und dabei den Verbrennungsmotor unterstützen. Die dafür erforderliche elektrische Energie kann aus der Batterie bezogen werden, die zuvor über einen Generator gespeist wurde, oder über die APU, die Benzin in elektrische Energie umgewandelt hat.
Fraglich ist in dem beschriebenen System nun, wie die Energie so verteilt werden kann, daß ein optimierter Betrieb erzielt wird. Die zu optimierenden Parameter müssen dabei nicht statisch sein, sondern können unterschiedlich vorgegeben werden.
Ein Optimierungsparameter sind beispielsweise die Energiekosten, ein weiterer Optimierungsparameter wäre die Umweltbelastung durch Schadstoffausstoß oder der Wunsch des Fahrers nach einer besonders sportlichen Fahrweise durch Bereitstellung maximaler Leistung für den Vortrieb.
Im Betrieb des Verkehrsmittels kann darüber hinaus der Fall auftreten, daß zwar ausreichend Benzin als Energiequelle vorhanden ist, aber zeitweise nicht alle Energiesenken, das heißt Verbraucher ausreichend mit Leistung versorgt werden. Eine zusätzliche Anforderung ist daher, auch die Umwandlung einer nutzbaren Energieart in eine andere nutzbare Energieart zu steuern.
Die bisherigen Regelungsansätze sind unzureichend. Sie erfolgen dadurch, daß viele Hochleistungskomponenten ein eigenes Leistungsmanagement besitzen, das die Leistung automatisch nach einer gewissen Zeit reduziert. Dieses Lastmanagement bringt deutliche Vorteile, allerdings bleiben die Möglichkeiten der Energiebereitstellung unberücksichtigt. Deshalb werden vermehrt Überwachungsgeräte für Batterien in Verkehrsmitteln eingesetzt, die diesen Mangel teilweise beheben. Der Generator wird beispielsweise so geregelt, daß die Batterie, soweit möglich, vollgeladen ist. Diese Regelung berücksichtigt allerdings meist nicht die Belastung des Verbrennungsmotors, so daß die potentiell zur Verfügung stehende mechanische Leistung für den Vortrieb in bestimmten Betriebssituationen nicht voll genutzt werden kann, da Leistung gerade für die Ladung der Batterie eingesetzt wird.
Es gibt Ansätze, welche die Versorgung von Lasten durch Priorisierung regeln. Reicht die verfügbare Leistung nicht aus, werden nur Lasten mit hoher Priorität zugelassen. Wie oben angesprochen, ist dieses Verfahren recht statisch und kann auf dynamische Bedürfnisse nur ungenügend reagieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das es erlaubt, die Energieflüsse in einem Verkehrsmittel zu steuern und dabei die Auswirkungen von Engpässen bei der Leistungsbereitstellung zu minimieren. Das Verfahren soll einfach sein und sich flexibel in ein Verkehrsmittel integrieren lassen. Darüber hinaus soll ein Verkehrsmittel angegeben werden, das zur Umsetzung des vorgeschlagenen Verfahrens geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Steuerung der Energieverteilung in einem Verkehrsmittel gelöst mit den Schritten: Aufstellen von Wertigkeit-Mengen-Funktionen für Energiequellen, Aufstellen von Wertigkeit-Mengen-Funktionen für Energiesenken, Übermittlung der Wertigkeit-Mengen-Funktionen der Energiequellen und der Energiesenken an eine Berechnungsvorrichtung, Berechnung einer aktuellen Wertigkeit aus den Wertigkeit-Mengen-Funktionen und Übermittlung der aktuellen Wertigkeit an die Energiesenken und – quellen, wobei die Wertigkeit-Mengen-Funktion bezüglich einer Energiesenke angibt, wie wichtig der Bezug einer bestimmten Leistung ist, die Wertigkeit-Mengen-Funktion bezüglich einer Energiequelle angibt, wie groß eine definierte Bereitschaft zur Abgabe einer bestimmten Leistung ist und wobei die berechnete Wertigkeit ein Maß für das Angebot und die Nachfrage an Leistung innerhalb des Verkehrsmittels ist unter Berücksichtigung der Bereitschaft zur Abgabe und der Wichtigkeit des Bezugs von Leistung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren meldet jede Energiesenke und jede Energiequelle ihre spezifische Wertigkeit-Mengen-Funktion an die Berechnungsvorrichtung, die durch einfaches Aufsummieren aller Funktionen und durch Bestimmung der Nullstelle die aktuelle Wertigkeit ermittelt. Energiequellen und -senken werden dabei mit unterschiedliche Vorzeichen gerechnet. Die ermittelte Wertigkeit des Gesamtsystems wird den Energiequellen und -senken übermittelt, die daraus ihr individuelles Verhalten ableiten. Das vorgeschlagene Verfahren besitzt Parallelen zu einer Marktwirtschaft, in der Waren ange boten und nachgefragt werden. Die Verknüpfung zwischen der Nachfrage und dem Angebot erfolgt in einer Marktwirtschaft über den Preis. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zur Erfüllung dieser Funktion eine Wertigkeit definiert, die dem Preis von Waren in einer Marktwirtschaft entspricht. Bei Energiesenken bedeutet die Wertigkeit die Wichtigkeit des Bezugs einer bestimmten Menge an Leistung. Jede Energiesenke definiert selber, wie wichtig ihr der Bezug einer bestimmten Leistung ist. Über die Wertigkeit-Mengen-Funktion ist beispielsweise festlegbar, daß eine gewisse Grundleistung eine sehr hohe Wichtigkeit hat, der Bezug darüber hinausgehender Leistung dagegen zwar wünschenswert, aber nicht notwendig ist. Beispielsweise ist die Beheizung des Innenraums eines Verkehrsmittels im Winter insoweit eine sicherheitskritische Funktion, daß die Windschutzscheibe eisfrei gehalten wird und freie Sicht bietet. Eine darüber hinausgehende Erwärmung auf eine Temperatur, die von dem Fahrer als angenehm empfunden wird, z.B. 23° C, ist dagegen eine Komfortfunktion, auf die auch verzichtet werden kann.

Auf der Angebotsseite definieren die Energiequellen eine Wertigkeit-Mengen-Funktion, wobei durch diese die Bereitschaft zur Bereitstellung einer bestimmten Leistung steht. Eine hohe Wertigkeit bedeutet dabei, daß Leistung nur an solche Energiesenken abgegeben werden soll, die dafür einen "hohen Preis" zu zahlen bereit sind, also eine hohe Wertigkeit besitzen. Die Zuordnung einer geringen Wertigkeit zu einer bestimmten Leistung bedeutet, daß dieses Quantum an Leistung auch an Senken mit einer geringen Wertigkeit abgegeben wird.

"Leistung" ist im Rahmen der Erfindung allgemein als Energie pro Zeiteinheit zu verstehen, wobei Energie nicht notwendigerweise in W gemessene elektrische Energie sein muß. Sie kann beispielsweise auch mechanisch in Form von Drehmoment, gemessen in Newtonmeter, oder chemisch in Form von Benzin, gemessen in Gramm, vorliegen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß nicht die Berechnungsvorrichtung bestimmen muß, wie groß der Leistungsbedarf einzelner Energiesenken sein darf, sondern die Energiesenken bestimmen dies selber. Bei Hinzufügen weiterer Energiesenken regelt sich die neue Leistungsverteilung über eine erhöhte aktuelle Wertigkeit des Systems, die die Berechnungsvorrichtung aus den von den Energiesenken und -quellen übermittelten Wertigkeit-Mengen-Funktionen errechnet. Die Bereitstellung einer zusätzlichen Energiequelle bewirkt ein erhöhtes Angebot an Leistung, das die aktuelle Wertigkeit sinken läßt.

Die Berechnungsvorrichtung kann sowohl durch eine zentrale Vorrichtung gebildet werden als auch durch mehrere Schaltungskomponenten, die an verschiedenen Stellen des Verkehrsmittels angeordnet sind. Insbesondere ist auch möglich, zwischen die Energiequellen bzw. -senken und die Berechnungsvorrichtung geschaltete Komponenten einzusetzen, die für mehrere Energiequellen oder -senken jeweils die Wertigkeit-Mengen-Funktion ermitteln oder für mehrere Quellen oder Senken eine gemeinsame Wertigkeit-Mengen-Funktion an die Berechnungsvorrichtung übermitteln.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens bestimmen die Energiesenken und -quellen ihre Wertigkeit-Mengen-Funktionen in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen. Dadurch wird beispielsweise die Umgebungstemperatur für eine Heizung, die Geschwindigkeit oder die aktuelle Luftverschmutzung oder die auch der Füllstand des Kraftstofftanks berücksichtigt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich die Wertigkeit-Mengen-Funktion einer eine erste Energieart erzeugenden Energiequelle bezüglich einer zweiten Energieart aus der Wertigkeit-Mengen-Funktion bezüglich der ersten Energieart beziehungsweise ein Umwandlungsfaktor berechnen, wobei sich der Umwandlungsfaktor aus dem Kehrwert des Wirkungsgrads der die Umwandlung bewirkenden Komponente ergibt. Dies kann beispielsweise der Wirkungsgrad des Generators sein, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn eine zusätzliche Feinregelung des Leistungsangebots durch Überwachung physikalischer Größen der Energieverteilung innerhalb des Verkehrsmittels und eine davon abhängige Steuerung einzelner Energiequellen oder Umwandlungskomponenten vorgesehen ist. Eine solche physikalische Größe ist beispielsweise die elektrische Spannung.

Ein nach der Erfindung aufgebautes Verkehrsmittel besitzt Energiequellen, Energiesenken und eine Berechnungsvorrichtung zur Steuerung der Energieverteilung innerhalb des Verkehrsmittels, die mit den Energiequellen und -senken verbunden ist, wobei die Energiequellen und -senken sowie die Berechnungsvorrichtung dazu eingerichtet sind, das beschriebene Verfahren umzusetzen.

Beim Einsatz verschiedener Energieformen regelt sich auch automatisch der Vorrang des Einsatzes einer bestimmten Energieart. Mit zunehmender Knappheit einer Energieart steigt die Wertigkeit dieser Energieart gegenüber einer anderen Energieart. Der Unterschied in der Wertigkeit der Energiearten führt zu einer Durchsatzerhöhung bzw. -erniedrigung vorhandener Transport- bzw. Umwandlungswege.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens in seinen verschiedenen Ausgestaltungen sind die Individualität, da der Hersteller des Verkehrsmittels einmalig eine Zuordnungstabelle zwischen der Wichtigkeit und einer numerischen Wertigkeit definiert und jedem kritischen Zustand des Verkehrsmittels eine eigene maximale Wertigkeit zuordnet. Eine beispielhafte Tabelle ist im Ausführungsbeispiel angegeben.

Darüber hinaus reduziert das erfindungsgemäße Verfahren die Kosten, da Komponentenentwickler ihre Wertigkeit-Mengen-Funktionen an der Zuordnungstabelle orientieren, die durch den Hersteller des Verkehrsmittels bereitgestellt wird. Bei der Lieferung der Komponente an verschiedene Hersteller von Verkehrsmitteln erfolgt lediglich eine Anpassung der Zuordnungstabelle. Gleiches gilt für den Einsatz einer Komponente in verschiedenen Ausstattungsvarianten eines Fahrzeugtyps oder verschiedenen Fahrzeugtypen.

Für die Implementierung eines Datennetzes innerhalb des Verkehrsmittels erweist es sich als sehr vorteilhaft, wenn die Wertigkeit-Mengen-Funktionen mit sehr wenigen Zahlenwerten übertragen werden können. Weder an die Datenübertragungswege noch an die Berechnungsvorrichtung werden dabei große Anforderungen gestellt.

Besonders vorteilhaft bei dem Verfahren ist, daß zusätzliche Komponenten auch ohne eigene Wert-Mengen-Funktion problemlos integriert werden können, da das erfindungsgemäße Verfahren ohnehin nur eine Grobregelung der Leistungsverteilung bewirkt, während eine zusätzliche Komponenten ohne eigene Wert-Mengen-Funktion ohne Schwierigkeiten in der Feinregelung berücksichtigt werden kann.

Besondere Vorteile für die Sicherheit des Verkehrsmittels ergeben sich dadurch, daß die Komponenten, also Energiequellen und -senken, ihre Reaktion dezentral und autonomen berechnen und ein eigenes Notlaufverhalten aufweisen können.

Die Aufstellung von Wertigkeit-Mengen-Funktionen ist sehr einfach. Für die Gültigkeit sind lediglich die Kriterien zu erfüllen, daß für Energiequellen, die angebotene Leistungsmenge mit der Wertigkeit stetig ansteigt (dM/dW ≥ 0) und die entsprechende Funktion einer Energiesenke stetig fällt (dM/dW ≤ 0) .

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung von Energiequellen, -senken und einer Berechnungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2A bis 2E Diagramme der Wertigkeit-Mengen-Funktionen der Komponenten von 1,
3 und 4 die Berechnung der aktuellen Wertigkeit aus den Wertigkeit-Mengen-Funktionen gemäß 2,
5 ein Ablaufdiagramm bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,
6 bis 9 die Diskretisierung verschiedener Wertigkeit-Mengen-Funktionen,
10 und 11 ein weiteres Berechnungsbeispiel bei der Ermittlung der aktuellen Wertigkeit,
12 ein zweites System mit einer elektrischen Energieversorgung und eine mechanische Energieversorgung, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird und
9 eine schematische Darstellung eines gesamten Energieverteilungssystems innerhalb eines Verkehrsmittels,
13 bis 19 Beispiele von Wertigkeit-Mengen-Funktionen unterschiedlicher Quellen- und Verbrauchertypen,
20 ein Beispiel zu Wertigkeitermittlung unter Berücksichtigung der Bordnetzspannung und
21 eine schematische Darstellung von Energieflüssen in einem Verkehrsmittel.
Die 1 zeigt ein beispielhaftes System innerhalb eines Verkehrsmittels, hier beispielhaft ein Kraftfahrzeug, bei dem zwei Energiequellen Q1 und Q2 sowie drei Energiesenken S1, S2 und S3 vorgesehen sind. Die Quelle Q1 ist in diesem Beispiel ein Generator, die Quelle Q2 eine Batterie. Die Senke S1 ist eine Bremse, die Senke S2 eine Sitzheizung und die Senke S3 ein Gebläse. Sowohl die Energiequellen als auch die Energiesenken sind mit einer Berechnungsvorrichtung 1 verbunden. Es besteht nun die Aufgabe, die Energieverteilung innerhalb des Systems so zu regeln, daß das Leistungsangebot und die Leistungsnachfrage im Gleichgewicht ist. Dazu sind den Energiequellen und -senken Wertigkeit-Mengen-Funktionen zugeordnet, die in den 2A bis 2E dargestellt sind.
Die Quelle Q1 liefert eine maximale Leistung von 3000 W. Bei einer aktuellen Wertigkeit bis 3 steht dabei eine Leistung von 1000 W zur Verfügung, bei einer aktuellen Wertigkeit bis 5 eine Leistung bis 2000 W, bei einer aktuellen Wertigkeit bis 7 eine Leistung von 2500 W und erst bei einer Wertigkeit von 10 steht die maximale Leistung von 3000 W zur Verfügung. Bei der Quelle Q2, der Batterie, ist (vgl. 2B) bis zu einer Wertigkeit von 2 lediglich eine Leistung von 100 W vorgesehen. Erst ab einer Wertigkeit von 8 stehen insgesamt 500 W zur Verfügung und bei einer Wertigkeit von 10 wird eine Leistung von 1000 W bereitgestellt. Eine derartige Wertigkeit-Mengen-Funktion ist sinnvoll, da die gespeicherte Energie in der Batterie für solche Fälle vorbehalten bleiben soll, die von großer Wichtigkeit für die Funktion des Fahrzeuges sind. Energiesenken, die nur eine geringe Bedeutung besitzen, sollen nicht von der in der Batterie gespeicherten Energie profitieren können.
Darüber hinaus besitzt die Batterie die Eigenschaft, bei niedriger Wertigkeit des Systems, wenn also verhältnismäßig viel Leistung bei verhältnismäßig geringer Nachfrage bereitgestellt werden kann, eine Energiesenke zu sein und durch andere Energiequellen, beispielsweise den Generator, geladen zu werden. In diesem Fall zeigt sie ein Verhalten wie die übrigen Energiesenken.
Die 2C zeigt die Wertigkeit-Mengen-Funktion der elektrischen Bremse S1. Die Funktion der Bremse ist von überragender Bedeutung, wobei die Bremse eine Leistung von 500 W benötigt. Daher ist die Wertigkeit-Mengen-Funktion so ausgestaltet, daß die 500 W "um jeden Preis", also auch bei der höchster Wertigkeit von 10, zur Verfügung stehen sollen. Die Funktion der Sitzheizung S2 ist dagegen von geringerer Bedeutung. Auch muß nicht unbedingt immer die volle Leistung zur Verfügung stehen. Wenn möglich, wird zwar eine Leistung von 1000 W angefordert, wenn aber andere Verbraucher vorhanden sind, so gibt sich die Sitzheizung auch mit einer Leistung von 500 W zufrieden, im gezeigten Fall bei einer aktuellen Wertigkeit bis maximal 3. Liegt die aktuelle Wertigkeit über 3, nämlich im Bereich zwischen 3 und 4, so fordert die Sitzheizung noch eine Leistung von 300 W an. Sollte die aktuelle Wertigkeit noch höher liegen, so ist die Sitzheizung S2 vollständig abgeschaltet. Das Gebläse S3 fordert ebenfalls eine maximale Leistung von 1000 W an. Bei einer Knappheit des Leistungsangebotes fordert das Gebläse aber auch bis zu einer aktuellen Wertigkeit bis zu 8 eine Leistung in Höhe von 200 W an. Dies begründet sich dadurch, daß die Funktion des Gebläses nicht nur eine Komfortfunktion ist zur Innenraumheizung, sondern auch einen Sicherheitsaspekt besitzt, da durch das Gebläse die Windschutzscheibe von warmer Luft angeströmt werden soll, um ein Beschlagen oder Eisbildung zu verhindern.
Die dargestellten Wertigkeit-Mengen-Funktionen weisen diskrete Schritte auf. Selbstverständlich wären auch eine kleinere Abstufung möglich, die sich an einen kontinuierlichen Kurvenverlauf sich annähert. Bei der dargestellten Energieverteilungssteuerung, auch "Power-Trading" genannt, handelt es sich um eine Grobregelung. Eine Feinregelung, insbesondere der Energiequellen, gleichen die verbleibenden an physikalischen Größen meßbaren Abweichungen aus.
Aus den dargestellten Wertigkeit-Mengen-Funktionen berechnet die Berechnungsvorrichtung eine Summe, wobei die Wertigkeit-Mengen-Funktionen der Quellen Q1 und Q2 in diesem Ausführungsbeispiel positiv und die der Senken S1, S2 und S3 negativ sind. Die Summe der in diesem Beispiel fünf Wertigkeit-Mengen-Funktionen weist einen Nulldurchgang auf, wobei die Nullstelle der aktuellen Wertigkeit des Systems entspricht, bei der das Leistungsangebot und die Leistungsnachfrage im Gleichgewicht sind.
In den 3 und 4 ist ein Berechnungsbeispiel für das System der 1 und 2 dargestellt. Die 3 zeigt dabei die Werttabelle, wobei in der ersten Spalte die Wertigkeit von 1 bis 10 dargestellt ist und die Spalten Q1, Q2 sowie S1 bis S3 die Werte aus den Funktionen von 2 enthalten. Von den Quellen und den Senken wird jeweils die Summe gebildet und in der letzten Spalte die Summe der Senken von der Summe der Quellen subtrahiert. Die 4 zeigt in einer grafischen Darstellung den Verlauf der beiden Summe sowie der Differenz. Aus der Grafik von 4 ergibt sich, daß der Nulldurchgang bei ca. 3,2 liegt. Dies ist der aktuelle "Marktpreis", also die aktuelle Wertigkeit, zu der Energie geliefert und bezogen wird. Aus der Tabelle von 3 ergibt sich, daß bei einer aktuellen Wertigkeit von 3 die Senke S1 500 W zur Verfügung gestellt bekommt, die Senke S2 ebenfalls 500 W und die Senke S3 700 W. Die Quelle Q1 wird mit 1000 W belastet, während die Quelle Q2 mit 500 W belastet wird.
Der Ausgleich der verbleibenden Differenz von 200 W muß über eine Feinregelung erfolgen. Diese erfolgt von einer Komponente, die einerseits regelbar ist, andererseits aber im Bereich der aktuellen Wertigkeit eine starke Änderung der Wertigkeit aufweist. Beispielsweise ändert sich Q1, also der Generator, zwischen den Wertigkeiten 3 und 4 um 1000 W und kann demzufolge die Feinregelung übernehmen. Zur Aufrechterhaltung der gewünschten Spannung liefert der Generator also 200 W mehr als vorgesehen.
Aus dem dargestellten Beispiel ergibt sich, daß die Schwierigkeit des vorgeschlagenen Verfahrens darin besteht, eine "faire" Festlegung von Wertigkeit-Mengen-Funktionen bei einzelnen Quellen und Senken zu erstellen. Bei der Entwicklung eines Fahrzeuges müssen die Wertigkeit-Mengen-Funktionen der einzelnen Komponenten vorgegeben werden. Hilfreich erweist sich dabei eine Zuordnung bestimmter Definitionen zu den Wertstufen sowie eine Definition der Folgen, die beim Ausfall einer Funktion einer bestimmten Wertigkeit auftreten könnte. Der Wertstufe 1 ist beispielsweise eine verzögerbare Komfortfunktion zugeordnet, wobei die Folgen bei Ausfall nicht wahrnehmbar wären. Der Wertstufe 6 werden beispielsweise abschaltbare Basisfunktionen zugeordnet, bei deren Ausfall eine Fahrzeugbeschädigung zu befürchten ist. Ein Beispiel für diese Funktion ist der elektrische Fensterheber. Sollte eine Scheibe nicht wieder schließbar sein, so kann es bei Regen zu einer Fahrzeugschädigung kommen. Die höchste Wertigkeit ist für sicherheits- und zeitkritische Funktionen vergeben, wie beispielsweise eine elektrische Bremse oder eine elektrische Lenkunterstützung. Bei ihrem Ausfall ist ein schwerer Unfall zu befürchten.
In dem Berechnungsbeispiel wurde die Wertigkeit linear angenommen. Zwischen Stufen 1 bis 10 kann jedoch auch eine stärker ansteigende Wertigkeit angenommen werden, so daß der Stufe 10 eine Wertigkeit von 24 zugeordnet ist.
Eine vollständige Tabelle über die Definitionen von Wertstufen und Wertigkeiten stellt sich wie folgt dar:
Einige, insbesondere zeit- oder sicherheitskritische Komponenten benötigen eine geringe mittlere Leistung, weisen aber kurzzeitig hohe Pulsleistungen auf. Die Berechnungsvorrichtung kann unter Umständen auf deren Leistungsänderungen nicht ausreichend schnell mit Änderung der Wertigkeit reagieren. Normalerweise werden diese Leistungsänderungen über die Leistungsfeinregelung abgefangen.
Es kann jedoch vorkommen, daß einige zeit- oder sicherheitskritische Komponenten gleichzeitig Leistung benötigen. Auch in diesem Falle muß die Funktion des Gesamtsystems sichergestellt werden. In der Praxis würde das so funktionieren, daß beispielsweise die Spannung stark absinkt und sich einige Komfortverbraucher bei dieser Spannung selbständig abschalten. Die sich dann einstellende Spannung muß ausreichend hoch sein.
Aus diesem Grunde kann ergänzend zu den normalen Wertigkeit-Mengen-Funktionen eine hypothetische Menge gesendet werden, die im schlimmsten Fall von dieser Komponente aufgenommen oder abgegeben werden würde. Die Summe aller Leistungen der Quellen muß in jedem Zeitpunkt die Summe der Leistungen der Senken übersteigen. Ist dies nicht der Fall, müssen Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Zusätzlich kann die Differenz beider Leistungen beispielsweise dem Speicher übermittelt werden, der seine Wertigkeit-Mengen-Funktion entsprechend anpaßt und so seinen eigenen Ladezustand erhöht.
Die 5 zeigt den Ablauf einer Realisierung des Verfahrens. Bei Änderung der Randbedingungen bezüglich einer Komponente, beispielsweise der Temperatur, einer Schalterstellung oder der Geschwindigkeit müssen eventuell neue Wertigkeit-Mengen-Funktionen festgelegt werden. Eine Änderung bestimmter Randbedingung liefert daher eine Neuberechnung der Wertigkeit-Mengen-Funktionen (WMF) der betroffenen Energiequelle oder Energiesenke. Die geänderte Funktion wird an die Berechnungsvorrichtung 1, den sogenannten Power-Trader, übertragen. Diese addiert die geänderte Wertigkeit-Mengen-Funktion zu einer Summen-Wertigkeit-Mengen-Funktion im Power-Trader. Um nicht alle Funktionen neu addieren zu müssen, ist es vorteilhaft, zunächst die invertierte alte Wertigkeit-Mengen-Funktion zu der bisherigen Summe zu addieren und dann die neue Wertigkeit-Mengen-Funktion zu addieren. Auf diese Weise wird die alte Wertigkeit-Mengen-Funktion durch die neue Wer tigkeit-Mengen-Funktion der betroffenen Energiequelle oder Energiesenke ersetzt. Es kann stattdessen zur Erzielung des gleichen Vorteils auch die Änderung der Wertigkeit-Mengen-Funktion übermittelt werden.
Anschließend erfolgt eine Neuberechnung der Nullstelle der Summen-Wertigkeit-Mengen-Funktion und die Ausgabe der neuberechneten aktuellen Wertigkeit über einen Fahrzeugdatenbus, beispielsweise CAN. Auf die neue aktuelle Wertigkeit reagieren die einzelnen Komponenten entsprechend der aktuellen Wertigkeit, ihrer Wertigkeit-Mengen-Funktion und ihres Regelungsalgorithmus. Je nach Reaktion der einzelnen Komponenten erfolgt in ihnen eine Neuberechnung der individuellen Wertigkeit-Mengen-Funktion oder es wird auf eine Änderung der Randbedingungen gewartet, wonach das Verfahren wieder von vorne beginnt.
Bei der Änderung der Wertigkeit-Mengen-Funktion der einzelnen Energiequellen und -senken kann es zu Unterschieden kommen, je nachdem auf welchem geografischen Markt das entsprechende Fahrzeug verkauft werden soll. So wird beispielsweise ein Mehrverbrauch an Treibstoff in den USA wesentlich unsensibler beurteilt als in Japan und in Europa. In Kalifornien könnten aufgrund der besonders strengen Vorschriften die Emissionen in die Bildung der Wertigkeit einbezogen werden. Weiterhin können sich die Erwartungen an die Heiz/Kühlleistung der Fahrzeugklimatisierung unterscheiden. Für den Fachmann ergeben sich weitere Beispiele.
Die Wertigkeit-Mengen-Funktionen können sich ebenfalls an das Fahrverhalten oder das externe Umfeld wie Temperatur und Geografie anpassen. Wird eine Komponente z.B. nur selten benutzt, ist die Erwartung an die Verfügbarkeit wesentlich höher. Eine Batterie ändert ihre Wertigkeit-Mengen-Funktion entsprechend des Ladezustandes und des Alters. Der Füllstand des Treibstofftanks oder detektierte Fehlfunktionen können ebenfalls einen Einfluß auf die aktuelle Definition der Wertigkeit-Mengen-Funktionen haben.
Die Übertragung der Wertigkeit-Mengen-Funktionen an die Berechnungsvorrichtung 1 sollte sehr einfach gestaltet sein. Da die erfindungsgemäße Weise des Energiemanagements nur eine gestalterische Aufgabe hat, kann ohnehin nicht auf das letzte Watt oder Ampere genau geregelt werden. Wie oben angesprochen, erfolgt die Feinregelung weiterhin zwischen Generator und Batterie. Der Wertigkeit-Mengen-Funktionen können daher in diskrete Mengen unterteilt werden, für die dann die Wertigkeit übermittelt wird. Darüber hinaus können die Wertigkeitssprünge diskret sein. Jede Diskretisierung erhöht zwar die Ungenauigkeit der Regelung, vereinfacht aber die Kommunikation. Beispiele für Diskretisierungen sind in den 6 bis 9 dargestellt. 6 zeigt eine normale Energiequelle, 7 eine anormale Energiequelle, 8 eine normale Energiesenke und 9 eine anormale Energiesenke. Im Falle einer Quelle wird die Funktion unterhalb eines Minimums konstant gehalten, im Falle einer Senke unterhalb eines Maximums. Dadurch wir das Auftreten mehrerer Nullstellen bei der Summenbildung vermieden.
Die Berechnungsvorrichtung legt lediglich eine aktuelle Wertigkeit fest. Die Regelung der tatsächlichen Leistungsaufnahme ist davon unabhängig. So kann beispielsweise eine Energiesenke, die eine hohe Wertigkeit akzeptiert, wie die beschriebene elektrische Bremse, unabhängig von der Berechnungsvorrichtung dem Bordnetz Leistung entnehmen. Hochleistungs-Komfortverbraucher sollten dagegen erst mit einem gewissen Zeitverzug gestartet werden. Erst nach der Neufestsetzung des Preises wird die Komponente gestartet oder, falls die Wertigkeit zu hoch ist, eben nicht gestartet.
Es ist auch möglich, die Änderungsgeschwindigkeit bestimmter physikalischer Parameter wie Bordnetzspannung oder Motordrehmoment zu limitieren. Ergäbe sich beispielsweise infolge ei ner Änderung der Rahmenbedingung eine Änderung der Wertigkeit von 1 auf 6, so kann die Berechnungsvorrichtung die Wertigkeit in Stufen von 1 auf 6 erhöhen. Zwischen den einzelnen Änderungen vergeht jeweils eine angemessene Zeitdauer.
Auch kann die Wertigkeit-Mengen-Funktion nach dem Anlauf einer Komponente erneut geändert werden, was speziell auf Energiesenken mit Mindesteinschaltdauer zutrifft. Dabei wird zunächst eine mittlere Wertigkeit übermittelt. Erlaubt die aktuelle Wertigkeit des Systems einen Anlauf dieser Komponente, wird eine neue Wertigkeit-Mengen-Funktion übermittelt, die eine Abschaltung unwahrscheinlich werden läßt. Der erforderlichen Leistung ist dabei z.B. die maximale Wertigkeit zugeordnet. Erst nach Ablauf der Mindesteinschaltdauer wird die Wertigkeit-Mengen-Funktion wieder normalisiert.
Wie oben bereits angesprochen, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch angewendet werden, wenn unterschiedliche Energiequellen und -wandlungsmöglichkeiten bestehen. Bei solchen alternativen Wegen, z.B. von Benzin über eine APU in das Bordnetz oder von Benzin über eine Verbrennungskraftmaschine und einen Generator in das Bordnetz, sollten identische Wertigkeiten für eine bestimmte Leistung auch identischem Primärenergieverbrauch entsprechen. Allerdings könnten auch hier Ausnahmen auftreten, wenn beispielsweise Emissionen in die Berechnung einbezogen werden oder die Wärme der Verbrennungskraftmaschine für die Heizung benutzt werden kann.
Im folgenden werden Fehler betrachtet, die im System auftreten können, und die Reaktion der Energieverteilungssteuerung analysiert. Ein erster "Fehler" in Form einer Störung des Gleichgewichts zwischen Angebot und Nachfrage von Leistung entsteht beispielsweise durch den Einbau zusätzlicher Verbraucher. Die regelnde Quelle erkennt den Mehrbedarf und paßt ihre Wertigkeit-Mengen-Funktion an. Ein anderer möglicher Fehler ist die Störung der Berechnungsvorrichtung oder der Software einzelner Komponenten, also Energiequellen oder Energiesenken. In der Folge schaltet jeder Verbraucher bei Unterschreitung vorgegebener Grenzwerte ab, wobei grobe Störungen an der geregelten Quelle erkannt werden. Bei dem Ausfall der Hardware einer Energiequelle, ohne daß ein Fehler erkannt wird, kann die im System fehlende Leistung durch Absinken beispielsweise der Spannung erkannt werden. Problematisch ist der Ausfall der einzigen versorgenden Quelle, beispielsweise der Batterie bei Stillstand des Fahrzeugs. Bei Ausfall der Batterie ergibt sich eine sehr hohe aktuelle Wertigkeit, die eine sogenannte "limp-home-Funktion" aktiviert.
Das Zusammenspiel zwischen mehreren Energiequellen in Verbindung mit einer diskreten Gestaltung der Wertigkeit-Mengen-Funktionen kann am Beispiel eines Generators und einer Quelle erläutert werden. Es wird zunächst angenommen, daß das System im ausgeglichenen Zustand ist, wobei der Generator der einzige Energielieferant ist. Bei einem weiteren Ansteigen des Leistungsbedarfs, der nicht zu einem Sprung in der Wertigkeit-Mengen-Funktion führt, wird zusätzliche Leistung aus der Batterie bezogen. Dies erfolgt solange, bis der Ladestand der Batterie soweit abgesunken ist, daß die Batterie eine neue Wertigkeit-Mengen-Funktion an die Berechnungsvorrichtung ausgibt, was zu einer Neuberechnung des System führt.
Die 10 und 11 zeigen ein weiteres Berechnungsbeispiel für die Berechnung der Energieverteilung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Zur Vereinfachung der Übertragung werden Leistungspakete von 25 W definiert. Weiterhin werden feste Werteinheiten von 1 WE, 2 WE, 4 WE, 8 WE und 16 WE definiert. Es handelt es sich in diesem Fall also um eine exponentielle Stückelung. Jeder Werteinheit WE werden nun eine bestimmte Menge an Leistungspaketen zugeordnet.
Beispielsweise benötigt eine Komponente zur Grundversorgung unbedingt 200 W (= 16 WE), mehr als 500 W ist nicht erforderlich, dazwischen soll die durchschnittliche Wertigkeit in etwa linear auf 10 WE bei 500 W sinken. Es werden demnach der Werteinheit von 16 WE acht Leistungspakete zugeordnet. Hieraus ergibt sich folgende Aufteilung:
An die Berechnungsvorrichtung wird ein String übertragen, der wie folgt aussieht: 2-1-1-8-8.
Eine andere Komponente benötigt genau 650 W mit mittlerer Priorität. Hier werden beispielsweise 26 Leistungspakete mit 2 WE zugewiesen. Übertragen wird hier der folgende String:
0-26-0-0-0.
In Summe ergibt sich folgende Verteilung:
Weiterhin läge eine Quelle vor, welche folgende Aufteilung aufweise:
10 zeigt eine Tabelle mit allen charakteristischen Werten des beschriebenen Systems.
Die 11 zeigt eine grafische Darstellung der Wertigkeit-Mengen-Funktionen sowie die Differenz zur Bestimmung der Nullstelle.
Demnach liegt die aktuelle Wertigkeit des Systems bei 8 WE. Bei dieser Wertigkeit liefert die Quelle eine Leistung von 375 W, die erste Komponente wird mit einer Leistung von 400 W versorgt, während die andere Komponente keine Leistung aus dem Bordnetz beziehen wird, da sie erst ab einer Wertigkeit von 2 oder geringer eine Leistung von 650 W beansprucht.
Die 12 zeigt ein weiteres Beispiel eines Energieversorgungssystem eines Fahrzeugs, bei dem mehrere Energiearten berücksichtigt werden. Ein erstes Teilsystem 2 betrifft die mechanische Energieversorgung und ein zweites Teilsystem 3 betrifft die elektrische Energieversorgung. Die Energiequelle für die mechanische Energieversorgung besteht aus einer Verbrennungskraftmaschine, die aus einem Tank 4 Treibstoff entnimmt. Die elektrische Energieversorgung erfolgt entweder über einen Generator 5, der das Teilsystem 2 der mechanischen Energieversorgung mit dem Teilsystem 3 der elektrischen Energieversorgung koppelt. Darüber hinaus ist eine APU 6 vorgesehen, die beispielsweise aus einem Brennstoffzellensystem besteht und aus dem Brennstoff aus dem Tank 4 direkt elektrische Energie erzeugt.
Als Verbraucher ist eine Heizung 7 vorgesehen, die entweder die Abwärme aus dem mechanischen Energieversorgungssystem 2 bezieht oder elektrisch betrieben werden kann und dabei ein Verbraucher des elektrischen Energieversorgungssystems 3 ist. Alle genannten Komponenten sind zum Informationsaustausch mit der Berechnungsvorrichtung 1 verbunden. Ob nun die Heizung 7 mit elektrischer oder mechanischer Energie betrieben wird, bestimmt sich aus den Wertigkeit-Mengen-Funktionen der betei ligten Komponenten. Die Rechenweise in Wertigkeiten beinhaltet den Vorteil, daß der Bezug von Energie aus dem mechanischen mit dem Bezug aus dem elektrischen Teilsystem verglichen werden kann.
Beispielsweise soll die Alternative betrachtet werden, ob die Heizung Energie aus dem mechanischen Energieversorgungssystem 2 oder dem elektrischen Energieversorgungssystem 3 bezieht. Das mechanische Energieversorgungssystem 2 besitzt für eine gewisse Leistung eine erste Wertigkeit, beispielsweise beträgt die Wertigkeit 6. Weiterhin sei angenommen, daß der Generator einen Wirkungsgrad von 80 % besitzt. Würde die gleiche Leistung aus dem elektrischen Energieversorgungssystem 3 bezogen werden, wobei dieses über den Generator 5 gespeist wird, so ergibt sich eine Wertigkeit von 6 * ¹/0,8 = 7,5. Der direkte Bezug aus dem mechanischen Teilsystem 2 ist daher günstiger.
Falls die Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs nicht in Betrieb ist, steht keine mechanische Leistung zur Verfügung. Zum Betrieb der Heizung kann daher nur auf das elektrische Energieversorgungssystem 3 zurückgegriffen werden. Die elektrische Energie kann dabei entweder durch die APU 6 bereitgestellt werden, oder aber aus einer Batterie 8. Welche der beiden Komponenten Verwendung findet, hängt von den Wertigkeit-Mengen-Funktionen der Batterie 8, der APU 6 und der Heizung 7 ab. Bezüglich der Batterie ist der Ladezustand und das Alter der Batterie zu berücksichtigen. Bei einer neuen, vollgeladenen Batterie ist die Wertigkeit der Batterie 8 geringer als die der APU 6.
Der Bezug von Energie aus der APU 6 ist allerdings insofern problematisch, als zu ihrem Betrieb eine Vorheizung notwendig ist und diese daher ihre Energie nicht spontan bereitstellen kann. Zunächst ist daher Energie aus der Batterie 8 zu beziehen. Wenn die APU 6 allerdings ihre Betriebstemperatur erreicht hat, ist es vorteilhaft, die elektrische Energie aus der APU zu beziehen, statt aus der Batterie 8, da der Energievorrat in Form von Benzin in dem Tank größer ist als die in der Batterie gespeicherte Energie. Um die entsprechenden Energieflüsse in dem System zu erreichen, gibt die APU 6 nach Erreichen der Betriebsbereitschaft eine neue Wertigkeit-Mengen-Funktion an die Berechnungsvorrichtung 1, die daraufhin die Wertigkeit des Systems so berechnet, daß die Heizung 7 mehr elektrische Energie aus der APU 6 bezieht als aus der Batterie 8.
Sollten die beiden Möglichkeiten betrachtet werden, elektrische Energie entweder über das mechanische Energieversorgungssystem 2 und den Generator 5 bereitzustellen oder direkt über die APU 6, wobei die APU 6 und die Verbrennungskraftmaschine beide ihre Energie aus dem Tank 4 beziehen, so ist für die Berechnung vergleichbarer Wertigkeit-Mengen-Funktionen der komplette Weg von dem primären Energieträger im Tank 4 bis zur elektrischen Energie zu betrachten. Bei dem Weg über die mechanische Energieversorgung 2 ist der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine sowie der Wirkungsgrad des Generators 5 zu berücksichtigen. Bei der Bereitstellung elektrischer Energie über die APU 6 wird dagegen nur der Wirkungsgrad der APU 6 berücksichtigt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es insbesondere auch möglich, auf einen Teilausfall der Energieversorgung oder auf einen bevorstehenden Ausfall zu reagieren, indem Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Dies ist vor allem deshalb ein wichtiger Aspekt, weil zukünftig weitere wichtige Komponenten wie Lenkung und Bremse rein elektrisch betrieben werden. Fällt nun die elektrische Versorgung teilweise aus beziehungsweise erleidet eine Funktionseinschränkung, ist die Mobilität gefährdet. Die elektrische Energieversorgung kann in modernen Fahrzeugen zuverlässig überwacht werden (Generatordiagnose, Batteriemonitoring). Somit kann eine Einschränkung der Mobilität zuverlässig angezeigt werden. Um eine möglichst lange Dauer bis zum Komplettausfall der Energieversorgung sicher stellen zu können oder die Konsequenzen eines Komplettausfalls zu minimieren, kann parallel die Verfügbarkeit einzelner Komponenten wie Komfortverbraucher eingeschränkt werden.
Es wird vorgeschlagen ein Fahrzeug bei Detektion einer Funktionseinschränkung der elektrischen Energieversorgung in einen Notlaufbetrieb zu überführen. Die im Notlaufbetrieb erlaubten Funktionen werden einerseits bestimmt durch das Maß der Einschränkung und andererseits durch äußere Parameter. Äußere Parameter sind dabei dadurch definiert, daß sie einerseits im Fahrzeug erfaßt werden können und andererseits vom Fahrzeug selbst unabhängig sind.
Eine Einschränkung einzelner Verbraucher kann kritisch sein. Eine Einschränkung der Kühlung bei einer Fahrt durch eine Wüste oder Abschaltung der Heizung in nordischen Gegenden im Winter birgt große Sicherheitsrisiken. Auch eine Geschwindigkeitsbegrenzung in sehr dünn besiedelten Gebieten ist kritisch. Andererseits ist eine Fortbewegung auf gerader Straße ohne Verkehr auch mit eingeschränkter Funktion von Lenkung und Bremse möglich. Eine Fahrt im Stau ohne voll funktionsfähige Bremse ist dagegen wiederum überkritisch.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können die genannten Einschränungen leicht implementiert werden. Es wird bewirkt, daß auch bei eingeschränkter Verfügbarkeit der elektrischen Energieversorgung in Abhängigkeit des Umfeldes die Funktionalität einzelner elektrischer Komponenten im Fahrzeug aufrechterhalten oder deaktiviert wird.
Da die elektrische Versorgung nur eingeschränkt ist, muß mit der verfügbaren Leistung verantwortlich umgegangen werden. Einige Funktionen müssen garantiert werden. Es wird daher vorgeschlagen, die Funktionalität der Komponenten in Abhängigkeit folgender Parameter zu steuern:

– Umgebungslicht: Bei geringem Umgebungslicht muß eine Beleuchtung des Fahrzeuges möglich sein.
– Außentemperatur: In Abhängigkeit der Außentemperatur wird Kühlung oder Heizung erlaubt. Bei tiefen Temperaturen muß ABS möglich sein.
– Steigung/Gefälle: Funktionalität der Bremse muß garantiert werden.
– Große Entfernung zur nächsten Siedlung: Hohe Geschwindigkeiten müssen möglich sein.
– Nahe einer Siedlung: Bremsen und Lenkung müssen voll funktionsfähig sein.
– Erwartete Kreuzung oder Kurve: Bremse und Lenkung müssen aktiviert werden können.
– Straßenoberfläche: ABS, ASR und ähnliche Funktionen können erforderlich sein.

In der Umkehrung bedeutet dies:

– Umgebungslicht: Bei starkem Umgebungslicht kann die Beleuchtung des Fahrzeuges eingeschränkt werden.
– Außentemperatur: Heizung und Kühlung können zeitweise oder bei moderaten Temperaturen langfristig abgeschaltet werden. Bei höheren Temperaturen kann u.U. die ABS-Funktion deaktiviert werden.
– Steigung/Gefälle: Bei ebener Straße kann auf die Motorbremse zurückgegriffen werden.
– Große Entfernung zur nächsten Siedlung: Geschwindigkeitsbeschränkungen werden nur vor Kurven oder bei Steigungen zugelassen.
– Nahe einer Siedlung: Die Geschwindigkeit wird stark begrenzt.
– Erwartete Kreuzung oder Kurve: Auf gerader Straße kann auf die Motorbremse zurückgegriffen werden.

Die dargestellten Funktionen haben unterschiedliche Priorität.
Im folgenden werden beispielhafte Wertigkeit-Mengen-Funktionen verschiedener Energiesenken anhand von Figuren dargestellt.
Die 13 zeigt die Wertigkeit-Mengen-Funktion des Vortriebs. Abhängig von der Fahrpedalstellung wird für jede Wertigkeit ein Fahrerwunsch in Form von Drehmoment/Leistung berechnet. Je weiter Letzteres durchgedrückt ist, desto höher ist auch die "Preisakzeptanz", also bis zu welcher Wertigkeit eine Leistung beansprucht werden soll.
Die Wertigkeit der angebotenen mechanischen Leistung bestimmt sich aus dem Treibstoffverbrauch und den damit verbundenen Emissionen. Zu jeder Abgabemenge von Drehmoment oder Leistung wird eine Wertigkeit berechnet. Diese hat die folgenden Eigenschaften:

– Maximale Abgabemenge bei maximaler Wertigkeit,
– minimale Abgabemenge bei minimaler Wertigkeit,
– Wertigkeit proportional zu Emissionsmenge (Umrechnungsfaktor beliebig),
– Wertigkeit proportional zum Treibstoffverbrauch (Umrechnungsfaktor beliebig) und
– Wertigkeit abhängig vom Zustand des Verbrennungsmotors.

Die 14 zeigt das Diagramm einer Komponente mit Stufenschalter. Solche Komponenten können Gebläse, die Sitzheizung oder eventuell auch Scheibenwischer sein. In Abhängigkeit der Stellung des Stufenschalters wird eine andere Wertigkeit-Mengen-Funktion an die Berechnungsvorrichtung übermittelt.
15 zeigt ein Diagramm einer Komponente mit Relaisschalter. Ein Relaisschalter besitzt nur die zwei Zustände EIN und AUS. Die Komponenten schalten daher abwechselnd zwischen beiden Zuständen. Ein typisches Beispiel für solche Komponenten sind Heizelemente.
Die Wertigkeit-Mengen-Funktion von pulsbreitenmodulierbaren Komponenten ist in 16 dargestellt. Bei solchen Komponenten ist eine kontinuierliche Veränderung der Aufnahmeleistung in Abhängigkeit der aktuellen Wertigkeit, d.h. dem Preis möglich.
Die 17 zeigt das Verhalten periodischer Komponenten. Dies sind Komponenten, die in bestimmten Abständen aktiviert werden. Obwohl die Einschaltdauer fest vorgegeben ist, können die Abstände variieren. Beispiel dafür sind Heckscheibenwischer oder evtl. Infotainmentanwendungen.
Eine weitere typisch vorkommende Komponente sind induktive Komponenten gemäß 18. Diese Komponenten, z.B. Fensterheber oder Stellmotoren, ziehen hohe Einschaltströme und werden außerdem oft gleichzeitig aktiviert, obwohl eine geringe Einschaltverzögerung von Fahrer nicht wahrgenommen werden würde. Solche Komponenten können von einem Steuergerät aus zeitversetzt angesteuert werden oder es können bei hohen Wertigkeiten verschiedene Reaktionszeiten auf Preisänderungen festgesetzt werden. Letzteres funktioniert dadurch, daß ein fester zeitlicher Abstand von Wertigkeits- bzw. Preisänderungen vorgegeben ist, oder daß jede Komponente zu Beginn der Bestromung eine neue Wertigkeit-Mengen-Funktion sendet.
Die Wertigkeit-Mengen-Funktion einer unterbrechungsfreien Komponente ist in 19 dargestellt. Ansich haben diese Komponenten mit konstanter Leistungsaufnahme keine hohe Priorität. Solange sie aber aktiv benutzt werden, soll eine Abschaltung oder die Aktivierung anderer Komponenten unterbunden werden. Beispiele für diese Komponenten sind Starter, eine APU, ein Telefon oder induktive Lasten. Unterbrechungsfreie Komponenten übermitteln unmittelbar nach ihrer Aktivierung eine sehr hohe Wertigkeit an die Berechnungsvorrichtung. Dadurch haben diese Komponenten Vorrang vor anderen Komponenten mittlerer Wertigkeit. Wenn die Komponenten nicht mehr ak tiv genutzt werden, reduziert sich die Wertigkeit wieder auf einen geringen Wert.
Die 20 zeigt eine zweidimensionale Optimierung in einem elektrischen Bordnetz. Die Wertigkeit-Mengen-Funktion ist dabei abhängig von der benötigten elektrischen Spannung. In der 20 sind die tabellarischen Angaben für eine resistive Komponente (oben links), eine geregelte Komponente (oben Mitte), eine entladene Batterie (oben rechts) und einen geregelten Generator (unten links) gemacht. Nach der Summenbildung ergibt sich die rechts unten dargestellte Tabelle. Der Pfeil steht für die aktuelle Wertigkeit im System. Es ist zu erkennen, daß bei einer geringen Spannung von 14,0 V die aktuelle Wertigkeit geringer ist als bei einer höheren Spannung von 15,0 V.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird hier anhand eines beispielhaften Einsatzes in einem Kraftfahrzeug erläutert. Es kann jedoch auch in anderen Verkehrsmitteln, wie beispielsweise Flugzeugen, Schienenfahrzeugen oder Schiffen Anwendung finden.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Energieverteilung in einem Verkehrsmittel mit den Schritten: – Aufstellen von Wertigkeit-Mengen-Funktionen für Energiequellen, – Aufstellen von Wertigkeit-Mengen-Funktionen für Energiesenken, – Übermittlung der Wertigkeit-Mengen-Funktionen der Energiequellen und der Energiesenken an eine Berechnungsvorrichtung, – Berechnung einer aktuellen Wertigkeit aus den Wertigkeit-Mengen-Funktionen und – Übermittlung der aktuellen Wertigkeit an die Energiesenken und -quellen, wobei die Wertigkeit-Mengen-Funktion bezüglich einer Energiesenke angibt, wie wichtig der Bezug einer bestimmten Leistung ist, die Wertigkeit-Mengen-Funktion bezüglich einer Energiequelle angibt, wie groß eine definierte Bereitschaft zur Abgabe einer bestimmten Leistung ist und wobei die berechnete Wertigkeit ein Maß für das Angebot und die Nachfrage an Leistung innerhalb des Verkehrsmittels ist unter Berücksichtigung der Bereitschaft zur Abgabe und der Wichtigkeit des Bezugs von Leistung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wertigkeit-Mengen-Funktionen der Energiesenken durch die jeweils betroffene Energiesenke definiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wertigkeit-Mengen-Funktionen der Energiequellen durch die jeweils betroffene Energiequelle definiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiesenken und -quellen die Wertigkeit-Mengen-Funktionen in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen festlegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wertigkeit-Mengen-Funktionen der Energiequellen und -senken durch eine Steuervorrichtung beeinflußbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Wertigkeit-Mengen-Funktion einer eine ersten Energieart erzeugenden Energiequelle bezüglich einer zweiten Energieart aus der Wertigkeit-Mengen-Funktion bezüglich der ersten Energieart und einem Umwandlungsfaktor berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Umwandlungsfaktor aus dem Kehrwert des Wirkungsgrad ergibt, so daß gilt: WE1 = 1/η·WE2 wobei W_E1 die Wertigkeit bezüglich der ersten Energieart ist, W_E2 die Wertigkeit der zweiten Energieart ist und η der Wirkungsgrad der Energieumwandlung von der zweiten Energieart in die erste Energieart.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feinregelung des Leistungsangebots durch Überwachung physikalischer Größen der Energieverteilung innerhalb des Verkehrsmittels und davon abhängiger Steuerung einzelner Energiequellen oder Umwandlungskomponenten erfolgt.
Verkehrsmittel mit – Energiequellen, – Energiesenken und – einer Berechnungsvorrichtung zur Steuerung der Energieverteilung innerhalb des Verkehrsmittels, die mit den Energiequellen und –senken verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequellen und -senken sowie die Berechnungsvorrichtung dazu eingerichtet sind, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umzusetzen.