DE10256838B4

DE10256838B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Versorgen zumindest eines Energie-Verbrauchers eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE10256838B4
Application number: DE10256838A
Authority: DE
Inventors: Jens Berkan
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: DE10256838A1

Abstract

Verfahren zum Versorgen zumindest eines Energie-Verbrauchers (2, 3; 17) eines Kraftfahrzeuges mit Energie, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor (8) aufweist, wobei ein Energiespeicher (5; 15) zum Speichern von Energie vorgesehen ist, und wobei das Verfahren folgendes beinhaltet:
– Erzeugen mechanischer Antriebsenergie durch den Verbrennungsmotor (g),
– Erzeugen von Energie einer anderen Energieform durch den Betrieb des Verbrennungsmotors (8), insbesondere durch Umwandeln der mechanischen Antriebsenergie,
– Speichern und Wiedergewinnen von Energie der anderen Energieform in bzw. aus dem Energiespeicher (5; 15),
– Betreiben des zumindest einen Energie-Verbrauchers (2, 3; 17) mit der mechanischen Antriebsenergie und/oder mit Energie der anderen Energieform,
dadurch gekennzeichnet, dass
– ein momentaner Verbrennungsmotorwirkungsgrad, ein momentaner Energiespeicherwirkungsgrad und – im Falle der Umwandlung der mechanischen Antriebsenergie in Energie der anderen Energieform – auch ein momentaner Umwandlungswirkungsgrad erfasst werden,
– ein zumindest aus dem momentanen Verbrennungsmotorwirkungsgrad ermittelter momentaner Nutzwirkungsgrad des Betriebes des...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Versorgen zumindest eines Energie-Verbrauchers eines Kraftfahrzeuges mit Energie, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor aufweist, wobei ein Energiespeicher zum Speichern von Energie vorgesehen ist und wobei der Verbrennungsmotor, insbesondere über eine Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln mechanischer Antriebsenergie des Verbrennungsmotors in eine andere Energieform, mit dem Energiespeicher verbunden ist.

Die zur Deckung des elektrischen Grundlastbedarfs von Kraftfahrzeugen benötigte elektrische Energie wird i. a. kontinuierlich erzeugt, d. h. ein Generator wird kontinuierlich betrieben und liefert permanent eine elektrische Ausgangsleistung zur Abdeckung der Grundlast und zur Aufrechterhaltung des Ladezustands einer Batterie oder einer sonstigen Speichereinrichtung. Ein kontinuierlich arbeitender Generator belastet den Verbrennungsmotor in jedem Verbrauchs-Kennfeldpunkt mit einer mechanischen Leistung, die durch das Generatorwirkungsgradkennfeld gegeben ist. In Abhängigkeit von der Temperatur, der Drehzahl und der elektrischen Last des Generators resultiert ein teilweise sehr ungünstiger Generatorwirkungsgrad.

Die Erzeugung elektrischer Energie orientiert sich in der Regel am aktuellen Verbrauch der angeschlossenen Verbraucher. Weiterhin trägt auch eine Batterie bzw. Speichereinrichtung insofern zur Belastung des Generators bei, als sie Ladestrom vom Generator bezieht. Wenn das Bordnetz des Fahrzeugs nur mit der minimal nötigen Anzahl an elektrischen Verbrauchern betrieben wird, führt dies bei den heutigen Fahrzeugen zu einer geringen elektrischen Grundlast im Bereich von ca. 0,5 kW.

Der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs variiert im Betrieb je nach Motordrehzahl und abgegebener Leistung zwischen ca. 5% und bestenfalls ca. 30%, d.h. er ändert sich um bis zu einem Faktor 6. Dieses Problem verschärft sich, je größer die motorische Maximalleistung ist, da im Normalbetrieb sowie im kraftstoffsparenden Betrieb die Beschleunigungs- und Fahrwerte üblicherweise so gering sind, dass die Fahrzeugmotoren überwiegend im unteren und mittleren Teillastbereich und damit mit geringem Wirkungsgrad betrieben werden.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass der Gesamtwirkungsgrad der Erzeugung elektrischer Energie häufig gering ist bzw. dass der spezifische, auf die erzeugte elektrische Energie bezogene Kraftstoffverbrauch hoch ist.

In der DE 195 34 902 A1 und der DE 196 39 826 A1 wird die Steuerung der Erregung einer Erregerwicklung eines Generators abhängig von Betriebskenngrößen wie Kraftstoffeinspritzmenge, Lademoment, Drosselklappenstellung und/oder Drehzahl des Verbrennungsmotors beschrieben. Oberhalb eines erhöhten Wertes dieser Betriebskenngrößen wird die Erregerwicklung entregt. Hierdurch soll erreicht werden, dass der Generator in Betriebsphasen mit niedrigerem spezifischen Kraftstoffverbrauch erregt ist und in Betriebsphasen mit höherem spezifischen Kraftstoffverbrauch entregt ist. Um – als Folge eines Fahrbetriebs mit überwiegend hoher elektrischer Last – ein Absinken eines Batterie-Ladezustandes unter einen den erneuten Start des Verbrennungsmotors gefährdenden Mindestladezustand zu vermeiden, wird mit sinkendem Batterie-Ladezustand erst bei größeren Werten der Betriebskenngrößen entregt. Damit steigt jedoch der spezifische Kraftstoffverbrauch.

Die DE 196 32 891 A1 beschreibt die Steuerung oder Regelung der von einem fremderregten Generator abgegebenen Leistung. Dabei wird nicht nur die Ausgangspannung des Generators, sondern auch der abgegebene Strom mit Hilfe eines Steuergerätes beeinflusst. Die Beeinflussung soll dabei wirkungsgradorientiert erfolgen, d. h. der Generator soll mit möglichst großem Wirkungsgrad betrieben werden. Hierzu wird mit Hilfe des Steuergerätes der Feldstrom des Generators so beeinflusst, dass die abgegebene Leistung an den jeweiligen Betriebszustand des Generators angepasst werden kann. Zusätzlich wird sichergestellt, dass die Ausgangsspannung des Generators zulässige Werte nicht überschreitet. Bei dem in der DE 196 32 891 A1 beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Generatordrehzahl und der angestrebte Sollwirkungsgrad zugeführt. Es wird nicht beschrieben, wie der Sollwirkungsgrad bestimmt wird.

In der DE 197 49 548 A1 wird beschrieben, zur Verringerung der Verbrauchswerte eines von einem Verbrennungsmotor betriebenen Kraftfahrzeuges einen Kondensator einzusetzen, der während des Schubbetriebes des Verbrennungsmotors oder in niedrigeren Belastungsphasen des Verbrennungsmotors von einem Generator aufgeladen wird. Der Kondensator gibt in Fahrsituationen mit hohem spezifischen Kraftstoffverbrauch seine gespeicherte Energie über ein Steuergerät geregelt an das Bordnetz ab, wobei gleichzeitig der Generator entregt wird.

Neben der Versorgung elektrischer Verbraucher wird der Verbrennungsmotor auch zur Versorgung thermischer Verbraucher eingesetzt. Beispiele für thermische Verbraucher sind eine Klimaanlage und eine konventionelle Fahrzeuginnenraum-Heizung. Die thermischen Verbraucher können auf unterschiedliche Weise von dem Verbrennungsmotor mit Energie versorgt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, Abwärme des Verbrennungsmotors zu nutzen. Eine andere Möglichkeit ist es, eine mechanische Antriebsenergie des Verbrennungsmotors zu nutzen, insbesondere zum Antreiben eines Kompressors einer Klimaanlage und/oder zum Antreiben einer Wärmepumpe einer Heizungs- und/oder Klimaanlage. Mit den thermischen Verbrauchern können Energiespeicher gekoppelt sein, z. B. ein Latentwärmespeicher.

Üblich sind auch Anlagen in Kraftfahrzeugen, in denen sowohl elektrische als auch thermische Verbraucher vorkommen. Ein Beispiel ist eine an sich thermisch betriebene Heizungsanlage, die eine elektrisch betriebene Zusatzheizung aufweist.

Die Temperierung bzw. Klimatisierung eines Fahrzeuges, insbesondere des Innenraums eines Fahrzeuges, stellt angesichts der zunehmenden Komfortansprüche hohe Anforderungen an die entsprechenden Anlagen im Fahrzeug. Der damit einhergehende hohe Bedarf an Energie erschwert die angestrebte Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Energieversorgung in einem Kraftfahrzeug bei möglichst geringem Kraftstoffverbrauch zu optimieren. Dabei soll die Versorgungssicherheit von Energie-Verbrauchern möglichst hoch sein.

Bekannt bei der Versorgung von Verbrauchern in Kraftfahrzeugen ist insbesondere folgendes:

– Erzeugen mechanischer Antriebsenergie durch den Verbrennungsmotor,
– Erzeugen von Energie einer anderen Energieform durch den Betrieb des Verbrennungsmotors, insbesondere durch Umwandeln der mechanischen Antriebsenergie,
– Speichern und Wiedergewinnen von Energie der anderen Energieform in bzw. aus dem Energiespeicher,
– Betreiben des zumindest einen Energie-Verbrauchers mit der mechanischen Antriebsenergie und/oder mit Energie der anderen Energieform.

Es wird nun vorgeschlagen, dass

– ein momentaner Verbrennungsmotorwirkungsgrad, ein momentaner Energiespeicherwirkungsgrad und – im Falle der Umwandlung der mechanischen Antriebsenergie in Energie der anderen Energieform – auch ein momentaner Umwandlungswirkungsgrad erfasst werden,
– ein zumindest aus dem momentanen Verbrennungsmotorwirkungsgrad ermittelter momentaner Nutzwirkungsgrad des Betriebes des zumindest einen Energie-Verbrauchers ohne Energie aus dem Energiespeicher mit dem zeitlichen Mittelwert eines Gesamtwirkungsgrades als Produkt aus zumindest dem Verbrennungsmotorwirkungsgrad und dem Energiespeicherwirkungsgrad über ein Zeitintervall verglichen wird und
– der zumindest eine Energie-Verbraucher mit Energie aus dem Energiespeicher betrieben wird, wenn der momentane Nutzwirkungsgrad kleiner als der zeitliche Mittelwert des Gesamtwirkungsgrades ist.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Energieversorgung in dem Kraftfahrzeug, z. B. die Stromversorgung des elektrischen Bordnetzes durch einen Generator des Fahrzeugs und/oder die Versorgung thermischer Verbraucher, so zu steuern, dass ihre Effizienz über ein insbesondere vorgegebenes Zeitintervall (etwa über einen abgeschlossenen Fahrzyklus) möglichst hoch ist. Der Energiespeicher ist beispielsweise die im Bordnetz bereits vorhandene Fahrzeugbatterie oder ein Latentwärmespeicher.

Besonders vorteilhaft ist die Berücksichtigung auch des Energiespeicherwirkungsgrades. Dies erst ermöglicht, auf zuverlässiger Basis zu entscheiden, ob eine Versorgung des Verbrauchers aus dem Energiespeicher (zweite Quelle) oder durch den Verbrennungsmotor (erste Quelle) günstiger ist. Eine gleichzeitige Versorgung aus beiden Quellen ist möglich und insbesondere dann vorzunehmen, wenn zwar momentan die Versorgung aus einer der Quellen günstiger ist, jedoch insgesamt, über ein Zeitintervall, die gleichzeitige Versorgung günstiger ist und/oder wenn die Versorgungssicherheit andernfalls nicht mehr sicher gewährleistet wäre.

Bei einer rein auf elektrische Verbraucher bezogenen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren beispielsweise:

– Steuern einer Stromversorgung durch eine Stromversorgungssteuereinrichtung,
– Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie durch eine Generatoreinrichtung, die mechanisch mit dem Verbrennungsmotor und/oder dem Antriebsstrang des Fahrzeugs gekoppelt ist und die elektrisch mit dem Bordnetz verbunden ist, in Abhängigkeit von der von den mehreren elektrischen Verbrauchern benötigten elektrischen Energie,
– Versorgen zumindest eines elektrischen Verbrauchers (i. d. R. mehrerer elektrischer Verbraucher) mit elektrischer Energie durch einen Energie speicher, wenn die Generatoreinrichtung keine oder nicht ausreichend elektrische Energie erzeugt,
– optionales Erfassen eines Ladezustandes des Energiespeichers durch eine Ladezustandsmessvorrichtung und Übertragen elektrischer Energie von der. Generatoreinrichtung zu dem Energiespeicher, wenn der Ladezustand des Energiespeichers einen vorgegebenen Ladewert unterschreitet.

Dabei wird vorgeschlagen, während des Betriebes des Kraftfahrzeuges folgendes zu tun:

– Erfassen. eines momentanen Verbrennungsmotorwirkungsgrades und optionales Abspeichern in einem Verbrennungsmotorwirkungsgradspeicher, Erfassen eines momentanen Generatoreinrichtungswirkungsgrades und optionales Abspeichern in einem Generatorwirkungsgradspeicher, Erfassen eines momentanen Energiespeicherwirkungsgrades und optionales Abspeichern in einem Energiespeicherwirkungsgradspeicher,
– Vergleichen eines Nutzwirkungsgrades als Produkt aus dem momentanen Verbrennungsmotorwirkungsgrad und dem momentanen Generatoreinrichtungswirkungsgrad mit dem zeitlichen Mittelwert eines Gesamtwirkungsgrades als Produkt aus dem Verbrennungsmotorwirkungsgrad, dem Generatoreinrichtungswirkungsgrad und dem Energiespeicherwirkungsgrad über ein insbesondere vorgegebenes Zeitintervall (z. B. in einer Multiplikationsvergleichsvorrichtung) und
– Versorgen des zumindest einen elektrischen Verbrauchers mit elektrischer Energie durch den Energiespeicher, wenn der momentane Nutzwirkungsgrad kleiner als der zeitliche Mittelwert des Gesamtwirkungsgrades ist.

Die heutigen Fahrzeugbatterien sind nur begrenzt belastbar, d.h. sie können nur innerhalb eines begrenzten Wertebereichs geladen und bis zu einer bestimmten Tiefe entladen werden. Daher wird vorzugsweise ein Zusatzspeicher vorgesehen, der dynamische Spitzen in der Belastung der Stromversorgung aufnehmen kann und bei Bedarf gespeicherte Energie wieder abgeben kann. Insbesondere kann die von dem Zusatzspeicher gespeicherte Energie zur Wiederaufladung der (konventionellen) Fahrzeugbatterie verwendet werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Bordnetz mit nur einem elektrischen Energiespeicher betrieben wird, der allerdings stärker als die heutigen Fahrzeugbatterien belastbar sein muss.

Unabhängig von der konkreten Ausführungsform beginnt das Zeitintervall vorzugsweise mit der Beendigung des letzten Versorgens des zumindest einen Verbrauchers durch den Energiespeicher und endet mit dem Vergleichen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Fahrprofil z.B. mit einem lernfähigem Steuergerät oder einer Fuzzy-Logik erkannt. Damit lassen sich zuverlässige Prognosen in Bezug auf den Verbrauch von Energie, auf Zeitpunkt, Lage und Größe des Nutzwirkungsgradprodukts und auf den Zustand des oder der Energiespeicher machen, so dass eine Optimierung der Energieversorgung durchgeführt werden kann.

Unabhängig von der konkreten Ausführungsform einer Erkennungseinrichtung wird insbesondere der Nutzwirkungsgrad in Abhängigkeit von der Zeit der Erfassung in einem Nutzwirkungsgradspeicher abgespeichert, so dass sich wenigstens ein abgespeichertes zeitliches Nutzwirkungsgradprofil ergibt. Ein momentanes Nutzwirkungsgradprofil kann dann mit dem wenigstens einen abgespeicherten Nutzwirkungsgradprofil verglichen werden und es kann Energie in dem Energiespeicher gespeichert werden, wenn eine Übereinstimmung oder Ähnlichkeit zwischen den beiden Nutzwirkungsgradprofilen erkannt wird und der Nutzwirkungsgrad über einen zukünftigen Zeitraum des abgespeicherten Nutzwirkungsgradprofils über dem zeitlichen Mittelwert des Gesamtwirkungsgrades liegt.

Darüber hinaus kann der momentane Nutzwirkungsgrad über ein vorgegebenes zweites Zeitintervall gemittelt werden, das vorzugsweise wenigstens eine halbe Sekunde lang ist, so dass insbesondere hochfrequente Schwankungen des momentanen Nutzwirkungsgrades herausgemittelt werden.

Insbesondere, wenn das Kraftfahrzeug neben dem einen Energiespeicher eine Zusatzspeichereinrichtung umfasst, wird die Energie – ggf. nach der Umwandlung z. B. durch die Generatoreinrichtung – von dem Verbrennungsmotor an die Zusatzspeichereinrichtung übertragen, wenn ein Ladezustand des Energiespeichers einen vorgegebenen Ladewert unterschreitet und wird der zumindest eine Verbraucher mit Energie von der Zusatzspeichereinrichtung versorgt, wenn der momentane Nutzungswirkungsgrad kleiner als der zeitliche Mittelwert des Gesamtwirkungsgrades ist.

Eine Vorrichtung zum Versorgen zumindest eines Energie-Verbrauchers weist insbesondere folgendes auf:

– eine Steuereinrichtung,
– eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines momentanen Verbrennungsmotorwirkungsgrades, eines momentanen Energiespeicherwirkungsgrades und – im Falle der Umwandlung der mechanischen Antriebsenergie in Energie der anderen Energieform – auch eines momentanen Umwandlungswirkungsgrades,
– eine Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung eines momentanen Nutzwirkungsgrades zumindest aus dem momentanen Verbrennungsmotorwirkungsgrad, wobei der Nutzwirkungsgrad ein Wirkungsgrad des Betriebes des zumindest einen Verbrauchers ohne Energie aus dem Energiespeicher ist, und
– eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des momentanen Nutzwirkungsgrades mit dem zeitlichen Mittelwert eines Gesamtwirkungsgrades als Produkt aus zumindest dem Verbrennungsmotorwirkungsgrad und dem Energiespeicherwirkungsgrad über ein Zeitintervall,

wobei die Steuereinrichtung mit der Erfassungseinrichtung und/oder der Ermittlungseinrichtung verbunden ist oder diese beinhaltet und wobei die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie einen Betrieb des zumindest einen Verbrauchers so steuert, dass der zumindest eine Energie-Verbraucher mit Energie aus dem Energiespeicher betrieben wird, wenn der momentane Nutzwirkungsgrad kleiner als der zeitliche Mittelwert des Gesamtwirkungsgrades ist.

Insbesondere ist als eine Zusatzspeichereinrichtung ein Akkumulator und/oder eine Ultra- Caps- Vorrichtung, d. h. eine Vorrichtung mit einem Super- oder Doppelschichtkondensator, und/oder ein mechanischer Speicher vorgesehen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die sich auf die elektrische Versorgung bezieht, wird die Spannung des elektrischen Bordnetzes in den technisch vorgegebenen Randbedingungen frei laufen gelassen, um die Verteilung und/oder den Verbrauch an elektrischer Energie in geeigneter Weise zu ermöglichen.

Beispielsweise werden bei der Ermittlung des momentanen Energiespeicherwirkungsgrades die Verluste der Beladung und Entladung des Energiespeichers berücksichtigt. Dies erfolgt insbesondere durch eine Steuereinrichtung, in der entsprechende Informationen zur Berechnung der Verluste vorhanden sind oder zur Verfügung stehen. Z. B. erhält die Steuereinrichtung die Verluste und/oder den Energiespeicherwirkungsgrad aus einer Modellrechnung. Entsprechende Rechenmodelle eines Energiespeichers können auf einfache Weise implementiert werden. Unter Umständen hängen die Verluste vom Ladezustand des Energiespeichers ab. Für diesen Fall wird bevorzugt, den Ladezustand des Energiespeichers zu messen, beispielsweise auf an sich bekannte Weise (bei einem elektrischen Energiespeicher) oder durch eine Temperaturmessung (bei einem thermischen Energiespeicher).

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass insbesondere eine effiziente Erzeugung elektrischer Energie im unteren und mittleren Teillastbereich von Verbrennungsmotoren ermöglicht wird, da durch eine temporäre zyklische Leistungsabgabe des Generators (d. h. einer Ausgestaltung einer Umwandlungseinrichtung) im kW-Bereich (z.B. 2,5 kW_elektrisch) bei niedrigen Motordrehzahlen ein entsprechend hohes Moment im Verbrennungsmotor erzeugt werden muss. Dadurch wird der spezifische Kraftstoffverbrauchs zu niedrigeren Werten verschoben. So kann selbst der Bereich des Motorleerlaufs genutzt werden, um mit gutem Wirkungsgrad elektrische Energie zu erzeugen.

Darüber hinaus wird in Motorlastphasen, in denen der spezifische Kraftstoffverbrauch gering ist, die Lieferleistung des Generators durch das Bordnetz-Lademanagement angehoben, und der Generator liefert (bis zu maximaler generatorischer Leistung) soviel Leistung, wie maximal zusätzlich in die Energiespeicher eingespeist werden kann. Entsprechendes gilt für Phasen der Fahrzeugverzögerung bzw. des Schubbetriebes des Verbrennungsmotors. Um möglichst wenig Energie "thermisch zu vernichten", also wegzubremsen, wird ein maximal möglicher Anteil der Verzögerungsenergie generatorisch in elektrische Energie umgewandelt und in die Batterie eingespeist (Bremsenergierückgewinnung). Dementsprechend kann Schubenergie auch für eine andere mechanisch betriebene Einrichtung, z. B. für einen Kompressor einer Klimaanlage eingesetzt werden.

In Phasen wiederum, in denen der spezifische Kraftstoffverbrauch hoch ist, wird der Energiebedarf aus dem oder den Energiespeichern gedeckt und insbesondere der Generator dann im Leerlauf betrieben. Die Energieversorgung aus dem oder den Energiespeichern ist weiterhin möglich, z. B. in Phasen maximaler Beschleunigung oder in Phasen, in denen dieses aus Gründen der Abgasreinhaltung oder der Fahrdynamik von Vorteil ist. Damit lässt sich z. B. der Fahrzeuggrundbedarf an Energie schon im gesetzlich vorgeschriebenen Kraftstoffverbrauchs -Testzyklus mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad decken. Überschlägige Betrachtungen zum Kraftstoffeinsparungspotenzial versprechen ca. 3 – 4%-Punkte an Kraftstoff-Einsparung allein durch diese Maßnahme.

Es ist daher möglich, die Mengen des durch die Verbrennung von Kraftstoff emittierten CO₂ zu reduzieren. Ferner entstehen nur geringe Zusatzkosten für die erforderliche Hardware, insbesondere wenn die vorgeschlagenen Maßnahmen durch Software in einer Steuereinrichtung realisiert werden können.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen. Dabei wird Bezug auf die beigefügte Zeichnung mit schematischen Darstellungen genommen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
1 eine konventionelle Topologie eines elektrischen Bordnetzes,
2 eine erste Ausführungsform der Bordnetztopologie gemäß der vorliegenden Erfindung,
3 eine zweite Ausführungsform der Bordnetztopologie gemäß der vorliegenden Erfindung,
4 eine mit einem Verbrennungsmotor gekoppelte thermische Energieversorgung und
5 eine mechanisch mit einem Verbrennungsmotor gekoppelte Einrichtung zur Deckung eines thermischen Energiebedarfs mit daran angeschlossener thermischer Energieversorgung.
Das in 1 dargestellte elektrische Bordnetz eines Kraftfahrzeuges dient der Versorgung von spannungsunkritischen Verbrauchern 2 und gegebenenfalls von spannungskritischen Verbrauchern 3. Zu letzteren zählen z.B. Scheinwerfer, bei denen die elektrische Spannung an einer Glühwendel in einem engen, festgelegten Bereich liegen muss. Über einen entsprechend dimensionierten DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler) 4, der mit dem Bordnetz 1 verbunden ist, kann das Spannungsniveau gehalten werden.
Das Bordnetz 1 wird von einer Batterie 5 gespeist, z.B. einem voll integrierten, einzelnen Akkumulator. Der Ladezustand und weitere Kenngrößen der Batterie 5 werden mit einer Ladezustandsmessvorrichtung 6 erfasst.
Darüber hinaus wird das Bordnetz 1 durch einen Generator 7 gespeist. Damit lässt sich die Belastung der Batterie 5 einschränken und ihre Lebensdauer erhöhen. Der Generator 7 wird von dem Verbrennungsmotor 8 des Fahrzeugs angetrieben. Die mechanische Kopplung zwischen dem Generator 7 und dem Verbrennungsmotor 8 ist in den Zeichnungen durch eine kurze breite Linie angedeutet.
Die Generatorspannung und damit die Bordnetzspannung wird in weiten Grenzen frei laufen gelassen. Es ist eine zuverlässige Erkennung des Batterieladezustandes (SOC, State of Charge) erforderlich. Dazu ist die Ladezustandsmessvorrichtung 6 über eine Signalleitung 10 mit einem Zentralprozessor 9 verbunden, der seinerseits wieder mit dem Generator 7 verbunden ist.
Nach dem Start des Verbrennungsmotors 8 wird die Spannung des Generators 7 zunächst entsprechend dem Ladezustand der Batterie 5 und ihrer momentanen Fähigkeit, elektrische Energie zu speichern (SOH, State of Health) auf einen definierten (Maximal-) Wert angehoben. Der SOH hängt unter anderem von der Batterietemperatur ab. Ist die Batterie 5 anschließend ausreichend geladen bzw. hat die Batterie 5 einen gewissen Ladepegel überschritten, wird die Spannung des Generators 7 auf einen Wert abgesenkt, der sich an der Spannung orientiert, welche an den Batterieklemmen anliegt und welche von der Ladezustandsmessvorrichtung 6 an den Zentralprozessor 9 gemeldet wird. (Die Klemmspannung der Batterie 5 kann neben der Messung durch die Ladezustandsmessvorrichtung 6 alternativ per Modell errechnet werden.) Die Spannung des Generators 7 wird dynamisch so eingeregelt, dass an den Batterieklemmen genau der minimal notwendige Spannungswert anliegt, welcher eben gerade noch einen Stromfluss aus der Batterie heraus in das Bordnetz und damit eine Entladung der Batterie, verhindert. So wird der Ladezustand der Batterie 5 erhalten, und die Bordnetzspannung regelt sich dynamisch entsprechend der hierfür notwendigen Spannung des Generators 7 und den im Bordnetz befindlichen elektrischen Verbrauchern auf den minimalen Grenzwert ein.
Um die Aufteilung der von dem Generator 7 bereitgestellten elektrischen Leistung im Bordnetz 1 des Kraftfahrzeugs optimieren zu können, wird die Bordnetztopologie durch einen weiteren an das Bordnetz 1 angekoppelten dynamischen Energiespeicher 11 erweitert. Eine entsprechende Bordnetztopologie ist in 2 dargestellt. Elemente mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 haben dieselbe oder eine entsprechende Funktion und werden nicht nochmals erläutert.
Der dynamische Energiespeicher 11 (z. B. ein Akkumulator, eine Ultra-Caps-Vorrichtung und/oder ein mechanischer Speicher) ist über einen zweiten DC/DC-Wandler 12 mit dem Bordnetz 1 verbunden. Zumindest eine Kenngröße des Energiespeichers 11 wird durch eine Überwachungsvorrichtung 13 erfasst und an den Zentralprozessor 9 übermittelt. Dadurch werden die Energieeinsparmöglichkeiten mittels zeitlicher Entkopplung der Energieerzeugung im Generator 7 und des Energieverbrauchs im Bordnetz 1 erweitert.
Der Zentralprozessor 9 erhält in der in 2 gezeigten Ausführungsform über Signalleitungen 10 die jeweiligen momentanen Kennwerte von der Ladezustandsmessvorrichtung 6, dem Generator 7 und der Überwachungsvorrichtung 13. In umgekehrter Richtung können in dieser Ausführungsform von dem Zentralprozessor 9 die Leistungsabgabe des Generators 7, die Ladungsaufnahme und -entnahme der Batterie 5 und die Ladungsaufnahme und -entnahme durch den dynamischen Speicher 11 über die Signalleitungen 10 gesteuert werden. Dies wird im folgenden anhand allgemeiner Energiebilanzbetrachtungen erläutert.
Die Batterie 5 und/oder der Energiespeicher 11 wird nach den folgenden Kriterien für die elektrische Energieerzeugung zwischen einem oberen Ladezustand und einem unteren Ladezustand zyklisch gefahren, also geladen und entladen, indem die Bordnetzspannung bzw. die Spannung am dynamischen Energiespeicher über den DC/DC-Wandler entsprechend variiert wird. Elemente der Vorgehensweise sind:

a) kennfeldabhängige Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie unter der Bedingung η_Gesamt = η_Nutz · η_Speicher = max (d. h. der Gesamtwirkungsgrad wird maximiert);
b) Zustandserkennung aller relevanten Kenngrößen für Generator, Verbraucher und Speicher (η_{Verbrennungsmoton} η_Generatorr η_Speicner, U, I, SOC, SOH, T, ...,) als Funktion der Zeit und
c) lernfähige, sich selbst optimierende Zyklenerkennung, Zyklenprognose unter Berücksichtigung der Eigenschaften und Neigungen des Fahrzeuglenkers (Fahrstil, genutzte elektrische Verbraucher, ...), der vergangenen Fahrprofile (Erkennung von Regelmäßigkeiten wie z.B. Berufsverkehr, Wochenendeverkehr, Einkaufsfahrten, ...) sowie weiterer zeitlicher, regionaler, saisonaler und klimatischer Randbedingungen.

Hierbei stehen: η jeweils für den entsprechenden Wirkungsgrad, U für die jeweilige elektrische Spannung, I für den jeweiligen elektrischen Strom und T für ein Zeitintervall.
Dazu werden durch die Stromversorgungssteuereinrichtung 9 Algorithmen zum Erkennen von wiederkehrenden Fahrsituationen und Verbrauchssituationen, zum Ermitteln und zum Abspeichern von jeweils einer wiederkehrenden Fahrsituation und Verbrauchssituation entsprechenden Zeitprofilen für das Übertragen von elektrischer Energie von dem Generator 7 an die Batterie 5 und/oder den Energiespeicher 11 durchgeführt. Beim Erkennen einer wiederkehrenden Fahrsituation erfolgt das Übertragen der elektrischen Energie dann in Abhängigkeit von dem entsprechenden abgespeicherten Zeitprofil.
Es werden die folgenden Schritte durchgeführt:

– Erfassen und Abspeichern eines momentanen Verbrennungsmotorwirkungsgrades η_{Verbrennungsmoton}
– Erfassen und Abspeichern eines momentanen Generatoreinrichtungswirkungsgrades η_Generator,
– aus dem momentanen Verbrennungsmotorwirkungsgrades η_{Verbrennungsmotor} und dem momentanen Generatoreinrichtungswirkungsgrad η_Generator wird ein Nutzwirkungsgrad η_Nutz als Produkt der genannten Größen bestimmt.

Das Abspeichern der Werte erfolgt in einem Verbrennungsmotorwirkungsgradspeicher bzw. in einem Generatorwirkungsgradspeicher. Die Speicher sind dabei so dimensioniert, dass Werte über einen längeren Zeitraum z. B. von einigen Stunden darin abgelegt werden können.
Ferner wird ein momentaner Energiespeicherwirkungsgrad η_Speicher erfasst und in einem Energiespeicherwirkungsgradspeicher abgespeichert.
Neben dem Nutzwirkungsgrad η_Nutz wird in einer Multiplikationsvergleichsvorrichtung ein Gesamtwirkungsgrad η_Gesamt als Produkt aus dem abgespeicherten Verbrennungsmotorwirkungsgrad η_{Verbrennungsmotor}, dem abgespeicherten Generatoreinrichtungswirkungsgrad η_Generator und dem abgespeicherten Energiespeicherwirkungsgrad η_Speicher ermittelt. Von diesem Gesamtwirkungsgrad η_Gesamt wird über ein vorgegebenes Zeitintervall T der zeitliche Mittelwert errechnet.
Die Ermittlung des zeitlichen Mittelwertes <η> des Gesamtwirkungsgrades η_Gesamt lässt sich formulieren als:
Dabei ist T die Länge des Zeitintervalls zwischen t0 und t, t0 die untere Grenze des Zeitintervalls und t die obere Grenze des Zeitintervalls. Vorzugsweise wird t0 mit dem Ende der letzten (Teil-) Entleerung der Batterie 5 bzw. des dynamischen Energiespeichers 11 gleichgesetzt. t ist der Zeitpunkt, zu dem die letzte Erfassung eines Wirkungsgrades stattgefunden hat.
Der zeitliche Mittelwert <η> des Gesamtwirkungsgrades η_Gesamt wird mit dem momentanen Nutzwirkungsgrad η_Nutz verglichen. Ist der momentane Nutzwirkungsgrad η_Nutz kleiner als der zeitliche Mittelwert <η> des Gesamtwirkungsgrades η_Gesamt, so wird die Versorgung der mehreren elektrischen Verbraucher 2 bzw. 3 mit elektrischer Energie von der Generatoreinrichtung 7 auf den Energiespeicher 5 und/oder den Energiespeicher 11 umgestellt. Wenn η_Nutz größer wird als <η>, so wird die Versorgung der Verbraucher im Bordnetz mit elektrischer Energie von der Batterie 5 bzw. von dem dynamischen Energiespeicher 11 auf die Generatoreinrichtung 7 umgestellt. Mit anderen Worten: es wird immer die elektrische Energie für die Versorgung der Verbraucher verwendet, die am kostengünstigsten erzeugt wurde.
Um die Kriterien erfüllen zu können, ist die zuverlässige Erkennung des Lade- und Gesundheitszustandes sowie die Stromaufnahmefähigkeit der Batterie 5 sowie die Messung oder Berechnung der Spannung unmittelbar an den Batterieklemmen bzw. Speicherklemmen des dynamischen Energiespeichers 11 und des Stromflusses in und aus der Batterie 5 bzw. dem dynamischen Energiespeicher 11 heraus sinnvoll. Dies erfolgt mit der Überwachungsvorrichtung 13. Kurzzeitige, durch nichtstationäre Verbraucher verursachte Spannungsspitzen nach oben oder unten werden nach wie vor über die Batterie 5 abgepuffert.
Der Wirkungsgrad η_Speicher des dynamischen Energiespeichers beinhaltet die Effizienz der elektrischen Energiespeicherung und der anschließenden Entleerung des Energiespeichers, wobei gegebenenfalls zwischengeschaltete Spannungswandler berücksichtigt werden. Insgesamt muss damit ein zeitliches Integral, welches u.a. die Variablen: elektrische Erzeugungsleistung P_{elektrisch,Erzeugung}, elektrische Verbrauchsleistung P_{elektrisch,Verbrauch}, Bordnetzspannung U_BN, Nutzwirkungsgrad η_Nutz und Speicherwirkungsgrad η_Speicher beinhaltet, optimiert werden, so dass η_Gesamt = max gilt. Dies ist insbesondere innerhalb eines (abgeschlossenen) Zyklusbereiches (Betrachtungsintervall) sinnvoll möglich. Daher sollte ein effizientes Regelungssystem in der Lage sein, einen Fahrzyklus zu erkennen und zu prognostizieren. Ein lernfähiges System sollte also z. B. erkennen, welcher Fahrzeuglenker wochentags morgens und nachmittags zwischen Wohnung und Arbeitsplatz pendelt oder eine längere Fahrt unternimmt und welche Bordnetzverbraucher er bevorzugt einschaltet. Hierbei adaptiert es zyklische Regelmäßigkeiten (regionale, klimabedingte, jahres- und tageszeitlich sowie wetterbedingte, klimatische Hintergrundbedingungen werden berücksichtigt, z.B. durch Anbindung an ein entsprechendes Navigationssystem sowie generelle Verkehrsinformationen wie Staumeldungen etc.). An den gewonnenen Ergebnissen wird die Erzeugung der elektrischen Energie ausgerichtet.
Aus diesem Grund wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Nutzwirkungsgrad η_Nutz durch die Stromversorgungssteuereinrichtung 9 in einem Nutzwirkungsgradspeicher in Abhängigkeit von der Zeit der Erfassung abgespeichert. Es ergibt sich so wenigstens ein abgespeichertes zeitliches Nutzwirkungsgradprofil. Vorzugsweise wird die Aufnahme eines solchen Nutzwirkungsgradprofils jeden Tag und/oder nach jedem Start des Verbrennungsmotors neu gestartet. Der Speicher kann dabei für einen Tag, eine Woche, einen Monat oder länger ausgelegt werden, so dass u. U. eine Vielzahl von Nutzwirkungsgradprofilen zur Verfügung steht. Ein momentanes Nutzwirkungsgradprofil wird während der Fahrt mit dem wenigstens einen abgespeicherten Nutzwirkungsgradprofil verglichen. Stellt die Stromversorgungssteuereinrichtung 9 fest, dass das momentan erfasste Nutzwirkungsgradprofil einem bereits abgespeicherten Profil ähnlich ist oder gleicht, wird angenommen, dass das momentan erfasste gleich dem abgespeicherten Profil ist. Aufgrund des abgespeicherten Nutzwirkungsgradprofils wird eine Vorhersage des zukünftigen Nutzwirkungsgradprofils erstellt. In Abhängigkeit von der Vorhersage wird dann elektrische Energie zum Wiederaufladen von dem Generator 7 an den Energiespeicher 5 übertragen, wenn der vorhergesagte Nutzwirkungsgrad η_Nutz über einen zukünftigen Zeitraum T_Zukunft über dem zeitlichen Mittelwert <η> des Gesamtwirkungsgrades η_Gesamt liegt. Die Länge des zukünftigen Zeitraums T_Zukunft hängt von den Einzelheiten des abgespeicherten Nutzwirkungsgradprofils ab, d.h. davon, ob die Phase mit η_Nutz größer als <η> länger andauert oder kürzer ist. Insbesondere kann in Abhängigkeit davon auch die Größe des zur Verfügung gestellten Ladestroms bestimmt werden.
Neben den in der obigen Erläuterung der 1 genannten Randbedingungen und Annahmen wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Bordnetzspannung dauerhaft auf einem konstant niedrigen Wert gehalten, indem der zweite dynamische Energiespeicher 11 über den zweiten DC/DC-Wandler 12 mit variabler Ladespannung und damit variabler Pufferleistung beaufschlagt wird. Hier wirkt der zweite DC/DC-Wandler 12 wie eine weitere, an das Bordnetz 1 gekoppelte variable Stromquelle/-senke (d.h. Generator oder Verbraucher). Die Ansteuerung des zweiten DC/DC-Wandlers 12 durch den Zentralprozessor 9 ist in den im Zentralprozessor 9 implementierten Regelalgorithmen entsprechend enthalten. Zum Aufladen und Entladen dieses zweiten Speichers ist demnach keine Anhebung/Absenkung der Spannung des Generators 7 und damit der Bordnetzspannung mehr erforderlich, da der zweite Speicher 11 mit einer separaten, vom Bordnetz entkoppelten Spannungslage betrieben wird.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Elemente mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 oder 2 haben dieselbe oder eine ähnliche Funktion und werden nicht nochmals im Detail erläutert.
Bei dieser Variante ist der Generator 7 mit dem dynamischen Energiespeicher 11 verbunden. Dadurch kann über die Spannung des Generators 7 die Leistungsaufnahme und -abgabe des dynamischen Energiespeichers 11 direkt beeinflusst werden. Das Bordnetz 1 des Fahrzeuges ist wieder über einen zweiten DC/DC-Wandler 12 an den elektrischen Zwischenkreis aus dem Generator 7 und dem dynamischen Energiespeicher 11 angebunden. Im übrigen arbeitet diese Ausführungsform des Bordnetzes wie die nach 2. Der zweite DC/DC-Wandler 12 übernimmt in 3 anstelle des Generators 7 die Bereitstellung der Konstantspannung mit variabler Spannungslage für das Bordnetz 1.
Mit anderen Worten: während es heute üblich ist, die Erzeugung von Energie (insbesondere durch den Generator) am aktuellen Bedarf an Energie der Verbraucher und des Energiespeichers (insbesondere der Batterie) zu orientieren, wird eine temporäre Speicherung elektrischer Energie in Phasen eines hohen Nutzwirkungsgrades und eine anschließende Entleerung dieses Speichers in Phasen mit niedrigem Nutzwirkungsgrad durchgeführt. Dabei wird der Wirkungsgrad der Speicherung von Energie mitberücksichtigt. Dies gilt nicht nur für die beschriebene elektrische Energieversorgung, sondern auch für andere Ausgestaltungen, die anhand von 4 und 5 beispielhaft noch näher beschrieben werden.
Erfüllt der erste, dynamische Energiespeicher 11 alle Anforderungen, die an einen sicheren Fahrzeugstart unter allen vorgegebenen Randbedingungen gebunden sind, so kann zudem die Bordnetzbatterie 5 entfallen.
Für einen Fehlerbetrieb oder Notlauf der Bordsysteme können einzelne Bereiche, wie DC/DC-Wandler 12 überbrückt werden und/oder die Bordnetzspannung konventionell auf den heute üblichen hohen Werten gehalten werden, indem das gesamte Bordnetz 1 nach heute üblichen Verfahren betrieben wird.
Die Erfindung ist nicht auf Blei-Säure-Akkumulatoren in 12V- oder 36V-Ausführung als Batterie 5 eingeschränkt. Auch muss die elektrische Last an den elektrischen Verbrauchern 2 und 3 im Bordnetz 1 des Fahrzeuges nicht unbedingt konstant und quasistationär sein, die Erfindung kann auch bei hochdynamischen, nichtstationären Lasten angewendet werden.
Ferner wird vorzugsweise die Änderung des momentanen Nutzwirkungsgrades η_Nutz derart gefiltert, dass insbesondere hochfrequente Schwankungen des momentanen Nutzwirkungsgrades η_Nutz herausgemittelt werden. So führen kurze Schwankungen bei der Last im Fahrbetrieb (kurzes Abbremsen, Lösen der Kupplung etc.) nicht zu unerwünschten kurzfristigen Schaltvorgängen des Systems. Dazu wird der "momentane" Nutzwirkungsgrad η_Nutz über ein vorgegebenes zweites Zeitintervall τ gemittelt, das vorzugsweise wenigstens eine halbe Sekunde lang ist, und dieser gemittelte Nutzungswirkungsgrad wird dann für den obigen Vergleich herangezogen.
4 zeigt schematisch eine thermische Energieversorgung 18, an die ein Verbrennungsmotor 8, ein thermischer Energiespeicher 15 und ein thermischer Energieverbraucher 17 angeschlossen sind. Der thermische Energiespeicher 15 ist beispielsweise ein Latentwärmespeicher, in dem bei Ein- oder Auslagerung von Energie eine Phasenumwandlung eines Speichermaterials stattfindet. Der thermische Energieverbraucher 17 ist beispielsweise Teil einer Heizungsanlage und/oder Klimaanlage. Unter Übertragung thermischer Energie wird daher auch die Übertragung von „Kälte" zu einem gewünschten Ort verstanden, also die Abführung von Wärme von dem gewünschten Ort.
In der thermischen Energieversorgung 18 sind Steuermittel 16a, 16b vorgesehen, die über jeweils eine Signalleitung 10 mit einer Steuereinrichtung 19 verbunden sind. Durch Steuerung der Steuermittel 16a, 16b kann die Steuereinrichtung 19 einen Energiefluss zu dem thermischen Verbraucher 17 einerseits und zu oder von der Speichereinrichtung 15 andererseits ganz oder teilweise unterbinden.
Während des Betriebes der thermischen Energieversorgung 18 wird laufend von der Steuereinrichtung 19 der momentane Nutzwirkungsgrad η_Nutz der Erzeugung thermischer Energie durch den Verbrennungsmotor 8 (beispielsweise durch Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors 8) und der Übertragung der thermischen Energie zu dem thermischen Verbraucher 17 ermittelt. Hierzu kann die Steuereinrichtung über weitere, nicht dargestellte Signalleitungen mit dem Verbrennungsmotor 8 und/oder mit einem oder mehreren Bereichen oder Einrichtungen der thermischen Energieversorgung 18 verbunden sein.
In Betriebsphasen des Kraftfahrzeuges, in denen der Verbrennungsmotor 8 gekühlt werden muss und in denen Abwärme bei einer für den thermischen Verbraucher 17 ausreichenden Temperatur zur Verfügung steht, kann der momentane Nutzwirkungsgrad η_Nutz auf den Wert 1 oder sogar auf einem größeren Wert gesetzt werden. Dem entspricht die Tatsache, dass die Abwärme genutzt werden kann, ohne zusätzlichen Aufwand an Kraftstoff hervorzurufen.
Weiterhin wird durch die Steuereinrichtung 19 laufend ein momentaner Energiespeicherwirkungsgrad des thermischen Energiespeichers 15 ermittelt. Zum Beispiel ist hierzu die Steuereinrichtung 19 über eine nicht dargestellte Signalleitung mit dem Energiespeicher 15 verbunden. Alternativ oder zusätzlich berechnet die Steuereinrichtung 19 den Energiespeicherwirkungsgrad durch eine Modellrechnung. Dabei wird insbesondere auch die Historie der Beladung und Entladung des Energiespeichers 15 berücksichtigt. Damit lässt sich auch eine Aussage über den momentanen Ladezustand des Energiespeichers 15 gewinnen.
Weiterhin ermittelt die Steuereinrichtung 19 zeitliche Mittelwerte der genannten momentanen Wirkungsgrade und berechnet die erforderlichen Produkte der Wirkungsgrade, um zu entscheiden, ob der thermische Verbraucher 17 mit Energie aus dem thermischen Energiespeicher 15 versorgt wird.
Die Steuereinrichtung 19 kann z. B. geeignete Erfassungs- und Berechnungsmittel aufweisen und weist insbesondere eine mikroelektronische Recheneinrichtung auf.
5 zeigt eine der in 4 dargestellten Anordnung ähnliche Anlage, wobei jedoch eine Umwandlungseinrichtung 20 zusätzlich vorgesehen ist, die über eine mechanische Kopplung 21 mit dem Verbrennungsmotor 8 gekoppelt ist. Durch die Umwandlungseinrichtung 20 wird mechanische Antriebsenergie des Verbrennungsmotors 8 in thermische Energie umgewandelt und ggf. über die thermische Energiezuführung 18 zu dem thermischen Energieverbraucher 15 und/oder zu der thermischen Speichereinrichtung 17 übertragen. Die Umwandlungseinrichtung 20 ist z. B. eine Wärmepumpe oder ein Kompressor einer Klimaanlage.
Die Betriebsweise gleicht der anhand von 4 beschriebenen, wobei jedoch zusätzlich der momentane Umwandlungswirkungsgrad der Umwandlungs einrichtung 20 erfasst und bei der Berechnung des momentanen Nutzwirkungsgrades sowie bei der Berechnung des zeitlichen Mittelwertes der einzelnen Wirkungsgrade berücksichtigt wird.

1: elektrisches Bordnetz
2: spannungsunkritische Verbraucher
3: spannungskritische Verbraucher (z. B. Scheinwerfer)
4: erster DC/DC-Wandler
5: Energiespeicher
6: Ladezustandsmessvorrichtung
7: Generator
8: Verbrennungsmotor
9: Zentralprozessor
10: Signalleitung
11: dynamische Zusatzspeichereinrichtung
12: zweiter DC/DC-Wandler
13: Überwachungsvorrichtung für dynamischen Speicher
15: thermischer Energiespeicher
16a, 16b: Steuermittel
17: thermischer Verbraucher
18: thermische Energiezuführung
19: Steuereinrichtung
20: Umwandlungseinrichtung
21: mechanische Kopplung

Claims

Verfahren zum Versorgen zumindest eines Energie-Verbrauchers (2, 3; 17) eines Kraftfahrzeuges mit Energie, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor (8) aufweist, wobei ein Energiespeicher (5; 15) zum Speichern von Energie vorgesehen ist, und wobei das Verfahren folgendes beinhaltet: – Erzeugen mechanischer Antriebsenergie durch den Verbrennungsmotor (g), – Erzeugen von Energie einer anderen Energieform durch den Betrieb des Verbrennungsmotors (8), insbesondere durch Umwandeln der mechanischen Antriebsenergie, – Speichern und Wiedergewinnen von Energie der anderen Energieform in bzw. aus dem Energiespeicher (5; 15), – Betreiben des zumindest einen Energie-Verbrauchers (2, 3; 17) mit der mechanischen Antriebsenergie und/oder mit Energie der anderen Energieform, dadurch gekennzeichnet, dass – ein momentaner Verbrennungsmotorwirkungsgrad, ein momentaner Energiespeicherwirkungsgrad und – im Falle der Umwandlung der mechanischen Antriebsenergie in Energie der anderen Energieform – auch ein momentaner Umwandlungswirkungsgrad erfasst werden, – ein zumindest aus dem momentanen Verbrennungsmotorwirkungsgrad ermittelter momentaner Nutzwirkungsgrad des Betriebes des zumindest einen Energie-Verbrauchers (2, 3; 17) ohne Energie aus dem Energiespeicher (5; 15) mit dem zeitlichen Mittelwert eines Gesamtwirkungsgrades als Produkt aus zumindest dem Verbrennungsmotorwirkungsgrad und dem Energiespeicherwirkungsgrad über ein Zeitintervall verglichen wird und – der zumindest eine Energie-Verbraucher (2, 3; 17) mit Energie aus dem Energiespeicher (5; 15) betrieben wird, wenn der momentane Nutzwirkungsgrad kleiner als der zeitliche Mittelwert des Gesamtwirkungsgrades ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall mit der Beendigung des letzten Betreibens des zumindest einen Energie-Verbrauchers (2, 3; 17) mit Energie aus dem Energiespeicher (5; 15) beginnt und mit dem Vergleichen endet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzwirkungsgrad in einem Nutzwirkungsgradspeicher in Abhängigkeit von der Zeit der Erfassung abgespeichert wird, so dass sich wenigstens ein abgespeichertes zeitliches Nutzwirkungsgradprofil ergibt, ein momentanes Nutzwirkungsgradprofil mit dem wenigstens einen abgespeicherten Nutzwirkungsgradprofil verglichen wird und Energie in dem Energiespeicher (5; 15) gespeichert wird, wenn eine Übereinstimmung oder Ähnlichkeit zwischen den beiden Nutzwirkungsgradprofilen erkannt wird und der Nutzwirkungsgrad über einen zukünftigen Zeitraum des abgespeicherten Nutzwirkungsgradprofils über dem zeitlichen Mittelwert des Gesamtwirkungsgrades liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der momentane Nutzwirkungsgrad über ein zweites Zeitintervall gemittelt wird, so dass Schwankungen des momentanen Nutzwirkungsgrades herausgemittelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Kraftfahrzeug neben dem einen Energiespeicher (5; 15) eine Zusatzspeichereinrichtung (11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Energie – ggf. nach der Umwandlung – von dem Verbrennungsmotor (8) an die Zusatzspeichereinrichtung (11) übertragen wird, wenn ein Ladezustand des Energiespeichers (5; 15) einen vorgegebenen Ladewert unterschreitet, und der zumindest eine Verbraucher (2, 3; 17) mit Energie von der Zusatzspeichereinrichtung (11) versorgt wird, wenn der momentane Nutzwirkungsgrad kleiner als der zeitliche Mittelwert des Gesamtwirkungsgrades ist.
Vorrichtung zum Versorgen zumindest eines Energie-Verbrauchers (2, 3; 17) eines Kraftfahrzeuges mit Energie, wobei das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor (8) aufweist, wobei ein Energiespeicher (5; 15) zum Speichern von Energie vorgesehen ist und wobei der Verbrennungsmotor (8), insbesondere über eine Umwandlungseinrichtung (7) zum Umwandeln mechanischer Antriebsenergie des Verbrennungsmotors (8) in eine andere Energieform, mit dem Energiespeicher (5; 15) verbunden ist, gekennzeichnet durch – eine Steuereinrichtung (9; 19), – eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines momentanen Verbrennungsmotorwirkungsgrades, eines momentanen Energiespeicherwirkungsgrades und – im Falle der Umwandlung der mechanischen Antriebsenergie in Energie der anderen Energieform – auch eines momentanen Umwandlungswirkungsgrades, – eine Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung eines momentanen Nutzwirkungsgrades zumindest aus dem momentanen Verbrennungsmotorwirkungsgrad, wobei der Nutzwirkungsgrad ein Wirkungsgrad des Betriebes des zumindest einen Verbrauchers (2, 3; 17) ohne Energie aus dem Energiespeicher (5; 15) ist, und – eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des momentanen Nutzwirkungsgrades mit dem zeitlichen Mittelwert eines Gesamtwirkungsgrades als Produkt aus zumindest dem Verbrennungsmotorwirkungsgrad und dem Energiespeicherwirkungsgrad über ein Zeitintervall, wobei die Steuereinrichtung (9; 19) mit der Erfassungseinrichtung und/oder der Ermittlungseinrichtung verbunden ist oder diese beinhaltet und wobei die Steuereinrichtung (9; 19) derart ausgestaltet ist, dass sie einen Betrieb des zumindest einen Verbrauchers (2, 3; 17) so steuert, dass der zumindest eine Energie-Verbraucher (2, 3; 17) mit Energie aus dem Energiespeicher (5; 15) betrieben wird, wenn der momentane Nutzwirkungsgrad kleiner als der zeitliche Mittelwert des Gesamtwirkungsgrades ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Verbrennungsmotorwirkungsgradspeicher zum Abspeichern des momentanen Verbrennungsmotorwirkungsgrades, optional einen Umwandlungswirkungsgradspeicher zum Abspeichern eines momentanen Umwandlungswirkungsgrades und einen Energiespeicherwirkungsgradspeicher zum Abspeichern des momentanen Energiespeicherwirkungsgrades.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem einen Energiespeicher (5) eine Zusatzspeichereinrichtung (11) vorgesehen ist, und dass die Steuereinrichtung (9) derart ausgestaltet ist, dass die Energie von dem Verbrennungsmotor (8) – gegebenenfalls nach der Umwandlung – an die Zusatzspeichereinrichtung (11) übertragen wird, wenn ein Ladezustand des Energiespeichers (5) einen vorgegebenen Ladewert unterschreitet, und der zumindest eine Verbraucher (2, 3) mit Energie durch die Zusatzspeichereinrichtung (11) versorgt wird, wenn der Gesamtwirkungsgrad unter einem vorgegebenen Wirkungsgradwert liegt oder auf diesen sinkt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzspeichereinrichtung (11) einen Akkumulator und/oder eine Ultra-Caps- Vorrichtung und/oder einen mechanischen Speicher aufweist.