WO2012016933A2 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen wenigstens eines betriebsparameters eines thermoelektrischen systems in einem fahrzeug - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen wenigstens eines betriebsparameters eines thermoelektrischen systems in einem fahrzeug Download PDF

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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • thermoelectric system Method and device for determining at least one operating parameter of a thermoelectric system in a vehicle
  • the invention relates to a thermoelectric system for a vehicle, in particular for a motor vehicle having a combustion engine. Furthermore, the invention relates to a method for determining an operating state of the thermo ⁇ electrical system.
  • thermoelectric converting it ⁇ follows, in particular taking advantage of the photoelectric effect, in which the radiation emitted by a hot thermal radiation component is converted by means of photovoltaic cells directly into an electrical voltage.
  • the photovoltaic cells typically formed of semiconducting materials are arranged as close to the heat source as possible in order to obtain a pos ⁇ lichst high energy yield.
  • these sensitive components are exposed to conditions that can adversely affect the performance or efficiency of the photovoltaic elements.
  • heat and various chemicals to be ⁇ accelerated aging process typically consists of semiconducting contribute to the formation of photovoltaic elements.
  • contamination of the photovoltaic elements due to shadowing can cause effi ⁇ enzeinbu nurse.
  • the other components of the thermoelectric system such as. B. cause the wiring or the connectors of the photocells due to age or due to damage to reduce the efficiency of the system.
  • thermoelectric system In order to detect such disturbances of the thermoelectric system in good time and to avoid losses in the energy recovery by means of suitable countermeasures, it is sensible to monitor the operating state of the thermoelectric system.
  • thermoelectric system It is therefore an object of the invention to provide a way to monitor important operating parameters of the thermoelectric system. This object is achieved by a method according to claim 1. Furthermore, this object is achieved by a device according to claim 11. Further advantageous embodiments of the invention are indicated in the dependent claims.
  • thermoelectric Sys ⁇ tems a method for determining at least one operating parameter of a thermoelectric Sys ⁇ tems is provided in a vehicle, wherein the thermoelectric system includes an energy conversion device having at least a photovoltaic element for converting a beam emitted from a heat source of the vehicle thermal radiation to electrical energy.
  • the method comprises the measurement of an electrical power of the photovoltaic device and the determination of the operating parameter based on the measured electrical power of the photovoltaic device.
  • the power monitoring provided here makes it possible to draw conclusions about various operating parameters of the thermoelectric system in a particularly simple manner.
  • the measured electrical power is compared with an expected electrical power of the energy conversion device, wherein the operating parameter is determined from the comparison of the measured electrical power with the expected electrical power.
  • a further advantageous embodiment provides that the expected electrical power is calculated on a temperature of the heat source measured by means of a temperature sensor or determined on the basis of a characteristic diagram.
  • the determination of the expected temperature based on a measured temperature offers a high accuracy.
  • a characteristic diagram for determining the temperature it is possible to estimate the expected electric power without corresponding temperature measurement.
  • a further advantageous embodiment provides that the determination of the operating parameter takes place within the framework of a diagnosis in which a functional state of the thermoelectric system is evaluated on the basis of the measured electrical power.
  • the malfunction of the energy conversion device is diagnosed when the measured electric power is zero. This allows a very simple diagnosis of the entire system.
  • an interruption of the circuit is diagnosed if the currently measured power is equal to zero, this power in the previous drive cycle each but corresponded to an expected electrical power.
  • the measured electrical power of the plurality of photovoltaic elements comprising energy conversion means is greater than zero and less than the expected electrical power of the conversion means. This can detect malfunctions in some of the photovoltaic elements.
  • a deterioration of the efficiency of the energy conversion device is diagnosed by contamination and / or by aging of the photovoltaic elements, when the measured electric power is greater than zero and less than the expected power and this power decreases over a longer period.
  • countermeasures can be taken in good time to maintain the efficiency by cleaning or replacement of the affected photovoltaic elements.
  • an interruption of the circuit is diagnosed when the measured electrical power suddenly drops to zero. With the aid of this diagnosis, countermeasures can be initiated at an early stage to ensure the highest possible efficiency of the system.
  • the current temperature of the heat source is calculated on the basis of the measured electrical powers. This makes it possible to get along without a temperature measurement on site, which is accompanied by the cost savings due to the saving of a temperature sensor.
  • the calculated temperature is compared with an expected temperature of the heat source and the operating Para ⁇ meter is determined based on the result of this comparison. This opens up the possibility of the cross section or to carry out the diagnosis of the thermoelectric system at the temperature level.
  • the efficiency of the photo-electric element ⁇ is determined as the operating parameter the efficiency of the photo-electric element ⁇ , wherein on the basis of gemes ⁇ Senen electric power, a temperature of the heat source is calculated. The efficiency is then calculated as the quotient of the calculated temperature and the expected temperature of the heat source, which is measured by means of a temperature sensor or determined by means of a characteristic map. This represents an alternative form for calculating the efficiency.
  • the current power is determined by measuring the voltage and / or the current of the energy conversion device.
  • the power of the energy conversion device can be determined in a particularly simple manner.
  • the current temperature of the heat source is determined as the operating parameter. This eliminates a corresponding temperature sensor, which in turn makes noticeable in lower manufacturing costs.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the thermoelectric system with a two separate elements comprehensive Ener ⁇ gieumwandlungs pain;
  • Figure 2 is a tabular representation of the diagnosis of ther ⁇ moelektrischen system and its components.
  • FIG. 1 shows a thermoelectric system 100 for converting a signal emitted by a heat source of a vehicle. heat energy into electrical energy.
  • any component of the vehicle which reaches a sufficiently high temperature during operation in order to ensure effective energy generation by means of photovoltaic elements is suitable as the heat source 101.
  • these are usually the engine block itself or certain areas of the engine block thereof and the exhaust system or particularly hot sections of the exhaust system, such. B. manifold or catalyst ⁇ tor.
  • a component 110 which emits energy in the form of thermal radiation 111, is shown schematically.
  • the thermoelectric system 100 includes an energy conversion device 120, which in the present case has two separate photovoltaic elements 121, 122.
  • an energy conversion device 120 which in the present case has two separate photovoltaic elements 121, 122.
  • the control device 110 can be connected to various components of the thermoelectric system 100 via corresponding lines.
  • the control device 110 is merely connected to the line 125 for reasons of clarity. This is intended to indicate that the control device 110 performs a measurement of the current provided by the energy conversion device 120 electrical power Pi st .
  • a temperature sensor arranged reasonable 160th
  • the temperature sensor 160 can be connected directly to the control device 110 via a corresponding electrical line (in dashed lines here).
  • the controller 110 may receive information about the temperature of the heat source 110 from another device of the vehicle.
  • the control device 110 is being ⁇ forms, to determine at least one operating parameter of the thermoelectric's system 100th This is done according to the invention by measuring the current electrical power Pi st of
  • the temperature Ti St of the radiation source 110 can finally be determined by reshaping the Stefan-Boltzmann equation. Using this method, it is possible to maintain the temperature be ⁇ certain parts in a motor vehicle without a direct measurement ensures Tempe ⁇ .
  • the inventive concept can be used as a sensor set.
  • thermoelectric system 100 Another interesting operating parameter is the efficiency of the thermoelectric system 100. This can be, for example, by comparison, more precisely by
  • the measured power Pi st with an expected electrical power P ref determine.
  • Serving as the reference electric power expected P ref can for this purpose be it ⁇ averages also by the aid of the Stefan-Boltzmann law from a known temperature Ti St of the radiation source.
  • the radiation power P of the heat source 110 is first determined using this equation, and this value is subsequently determined by multiplication with a factor known from the application of the system 100, which takes into account the losses of the distance between heat source 110 and converter 140.
  • the temperature Ti St can be of maps using it ⁇ averages DA in both using a measurement as well as with knowledge of the respective engine operating point.
  • the determination of the efficiency can also be carried out by comparing a determined temperature with an expected temperature present as a reference.
  • the functional state of the thermoelectric system 100 or its components can also be determined.
  • suitable diagnostic steps can be implemented in the control device 120.
  • the diagnosis is st by comparing the current erstoff ⁇ th electric power Pi with a reference value P ref carried out.
  • P ref a reference value
  • an expected on the jewei ⁇ time point of measurement electric power P ref is used. This can be calculated, for example, using the Stefan-Boltzmann equation from the currently determined temperature Ti St.
  • various functional states can be evaluated during diagnosis.
  • FIG. 2 shows by way of example a tabular compilation of suitable statements or evaluations for such a diagnosis.
  • the entire energy conversion device 120 does not work when st as electric power Pi zero gemes ⁇ sene is.
  • the measured power Pi St in the previous drive cycle corresponded to an expected electrical power P ref , a break in the circuit is assumed.
  • the actual temperature of the heat source is Ti St be ⁇ known, defects of individual photocells 121, 122 can be detected on the other hand, when the measured electrical power of the power conversion device 120 is located between the expected zero electrical power P ref.
  • the actual temperature Ti St of the heat source is unknown, then in this case either a deviation of the actual temperature i S t from the expected temperature T ref or a defect of individual photocells 121, 122 is assumed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Betriebsparameters eines thermoelektrischen Systems (100) in einem Fahrzeug, wobei das thermoelektrische System (100) eine Energieumwandlungseinrichtung (120) mit wenigstens einem photovoltaischen Element (121, 122) zum Umwandeln einer von einer Wärmequelle (110) des Fahrzeugs emittierten Wärmestrahlung (111) in elektrische Energie umfasst, umfassend die Schritte: Messen einer elektrischen Leistung (Pist) der photovoltaischen Einrichtung (120), und Bestimmen des Betriebsparameters anhand der gemessenen elektrischen Leistung (Pist) der photovoltaischen Einrichtung (120).

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen wenigstens eines Betriebsparameters eines thermoelektrischen Systems in einem Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches System für ein Fahrzeug, insbesondere für ein einen Verbrennungsmotor aufweisendes Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Betriebszustands des thermo¬ elektrischen Systems.
Die zunehmende Hybridisierung der Fahrzeuge macht es erfor¬ derlich, elektrische Energie in einem größeren Maße im Fahrzeug bereitzustellen, als dies bei einem herkömmlichen Kraft fahrzeug zum Betrieb elektrischer Anlagen notwendig ist. Da mit der derzeitigen Batterietechnologie nicht ausreichend elektrischer Energie zur Verfügung gestellt werden kann, ist es notwendig, im Fahrzeug Einrichtungen zur Gewinnung bzw. Rückgewinnung elektrischer Energie vorzusehen. Unter anderem sind hierzu Methoden zur Energiewiedergewinnung, wie z. B. die Rekuperation von Bremsenergie oder die thermoelektrische Energieumwandlung von im Verbrennungsprozess entstehender Ab wärme bekannt. Die thermoelektrische Energieumwandlung er¬ folgt u. a. unter Ausnutzung des photoelektrischen Effekts, wobei die von einem heißen Bauteil emittierte Wärmestrahlung mittels photovoltaischer Zellen direkt in eine elektrische Spannung umgewandelt wird. Die typischerweise aus Halbleiter materialien gebildeten photovoltaischen Zellen sind dabei möglichst nahe an der Wärmequelle angeordnet, um eine mög¬ lichst hohe Energieausbeute zu erhalten. In dieser Umgebung sind diese empfindlichen Bauteile Bedingungen ausgesetzt, di sich negativ auf die Funktionsfähigkeit bzw. Effizienz der photovoltaischen Elemente ausüben können. So können beispielsweise Hitze und verschiedene chemische Stoffe zum be¬ schleunigten Alterungsprozess der typischerweise aus Halblei termaterialien gebildeten photovoltaischen Elemente beitragen. Darüber hinaus können Verschmutzungen der photovoltaischen Elemente aufgrund von Abschattungseffekten zu Effizi¬ enzeinbußen führen. Ferner können auch die weiteren Komponenten des thermoelektrischen Systems, wie z. B. die Verkabelung oder die Steckverbindungen der Photozellen altersbedingt oder aufgrund von Beschädigungen zur Reduktion des Wirkungsgrads der Anlage führen.
Um solche Störungen des thermoelektrischen Systems rechtzei- tig zu erkennen und mithilfe geeigneter Gegenmaßnahmen Einbu- ßen bei der Energierückgewinnung zu vermeiden, ist es sinn- voll den Betriebszustand des thermoelektrischen Systems zu überwachen .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur Überwachung wichtiger Betriebsparameter des thermoelektrischen Systems bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 11 gelöst. Weitere vorteilhafte Aus führungs formen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Betriebsparameters eines thermoelektrischen Sys¬ tems in ein Fahrzeug vorgesehen, wobei das thermoelektrische System eine Energieumwandlungseinrichtung mit wenigstens einem photovoltaischen Element zum Umwandeln einer von einer Wärmequelle des Fahrzeugs emittierten Wärmestrahlung in elektrische Energie umfasst. Das Verfahren umfasst dabei die Messung einer elektrischen Leistung der photovoltaischen Einrichtung und die Bestimmung des Betriebsparameters anhand der gemessenen elektrischen Leistung der photovoltaischen Einrichtung. Durch die hier vorgesehene Leistungsüberwachung lassen sich Rückschlüsse auf verschiedene Betriebsparameter des thermoelektrischen Systems auf eine besonders einfache Art und Weise erzielen. In einer vorteilhaften Aus führungs form ist vorgesehen, dass die gemessene elektrische Leistung mit einer erwarteten elektrischen Leistung der Energieumwandlungseinrichtung verglichen wird, wobei der Betriebsparameter aus dem Vergleich der gemessenen elektrischen Leistung mit der erwarteten elektrischen Leistung bestimmt wird. Durch den Vergleich der gemessenen mit der erwarteten Leistung lassen sich Störungen des Systems auf eine einfache Weise feststellen. Eine weitere vorteilhafte Aus führungs form sieht vor, dass die erwartete elektrische Leistung auf einer mittels eines Temperatursensors gemessenen oder anhand eines Kennfeldes ermittelten Temperatur der Wärmequelle berechnet wird. Die Bestimmung der erwarteten Temperatur anhand einer gemessenen Temperatur bietet eine hohe Genauigkeit. Hingegen ist durch die Verwendung eines Kennfeldes zur Bestimmung der Temperatur eine Schätzung der zu erwartenden elektrischen Leistung ohne entsprechende Temperaturmessung möglich.
Eine weitere vorteilhafte Aus führungs form sieht vor, dass die Bestimmung des Betriebsparameters im Rahmen einer Diagnose erfolgt, bei der ein Funktionszustand des thermoelektrischen Systems anhand der gemessenen elektrischen Leistung bewertet wird. Mithilfe eines solchen Diagnosesystems sind genaue Aus¬ sagen über den Funktionszustand des Systems insgesamt oder über den seiner einzelnen Komponenten möglich. Insbesondere lassen sich damit frühzeitig Störungen des Systems erkennen, wodurch wiederum gezielte Maßnahmen zur Verbesserung bzw. Aufrechterhaltung des Wirkungsgrads der Anlage möglich werden .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird die Funktionsunfähigkeit der Energieumwandlungseinrichtung diagnostiziert, wenn die gemessene elektrische Leistung gleich Null ist. Dies erlaubt eine sehr einfache Diagnose der gesamten Anlage.
Ferner ist vorgesehen, dass eine Unterbrechung des Stromkreises diagnostiziert wird, wenn die aktuell gemessene Leistung gleich Null ist, diese Leistung im vorherigen Fahrzyklus je- doch einer erwarteten elektrischen Leistung entsprach. Hier- durch können auf sehr einfache Weise durch Kabelbruch oder Ähnliches verursachte Stromunterbrechungen innerhalb des Sys- tems erkannt werden.
Ferner ist vorgesehen, dass eine Funktionsunfähigkeit einiger photovoltaischen Elemente diagnostiziert wird, wenn bei
Kenntnis der tatsächlichen Temperatur der Wärmequelle die gemessene elektrische Leistung der mehrere photovoltaischen Elemente umfassenden Energieumwandlungseinrichtung größer Null und kleiner als die erwartete elektrische Leistung der Umwandlungseinrichtung ist. Hiermit lassen sich Funktionsstörungen bei einem Teil der photovoltaischen Elemente erkennen.
Ferner ist vorgesehen, dass entweder eine Abweichung der tatsächlichen Temperatur von der erwarteten Temperatur oder eine Funktionsunfähigkeit einiger photovoltaischen Elemente vor¬ liegt, wenn bei unbekannter tatsächlicher Temperatur der Wärmequelle die gemessene elektrische Leistung der mehrere pho- tovoltaische Elemente umfassenden Energieumwandlungseinrichtung größer Null und kleiner als die erwartete Leistung ist. Hiermit können einerseits Fehler bei der Ermittlung der erwarteten Temperatur erkannt werden. Ferner es ist hiermit auch bei unbekannter tatsächlicher Temperatur möglich zu erkennen, dass ein Teil der photovoltaischen Elemente funktionsunfähig ist.
Ferner ist vorgesehen, dass eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der Energieumwandlungseinrichtung durch Verschmutzung und/oder durch Alterung der photovoltaischen Elemente diagnostiziert wird, wenn die gemessene elektrische Leistung größer Null und kleiner als die erwartete Leistung ist und diese Leistung über einen längeren Zeitraum abnimmt. Hierdurch lassen sich rechtszeitig Gegenmaßnahmen einleiten, um den Wirkungsgrad durch Säuberung oder Austausch der betroffenen photovoltaischen Elemente aufrechtzuerhalten. In einer weiteren Aus führungs form ist vorgesehen, dass eine Unterbrechung des Stromkreises diagnostiziert wird, wenn die gemessene elektrische Leistung plötzlich auf Null abfällt. Mithilfe dieser Diagnose lassen sich frühzeitig Gegenmaßnahmen einleiten, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Anlage sicherzustellen.
Ferner ist vorgesehen, dass ein Wackelkontakt diagnostiziert wird, wenn die gemessene elektrische Leistung zwischen Null und der erwarteten elektrischen Leistung hin- und
herschwankt. Auch diese Diagnose erlaubt es, frühzeitig Ge¬ genmaßnahmen einleiten, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad sicherzustellen .
Ferner ist vorgesehen, dass eine Überhitzung der Wärmequelle diagnostiziert wird, wenn die gemessene elektrische Leistung größer als die erwartete elektrische Leistung ist. Hierdurch lassen auch ohne eine entsprechende Messung der Temperatur der Wärmequelle bzw. bei einem Ausfall einer des Temperatursensors Rückschlüsse auf eine Fehlfunktion der Verbrennungs¬ maschine schließen. Durch gezielt eingeleitete Maßnahmen las¬ sen sich hiermit Schäden am Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs und/oder an der thermoelektrischen Anlage selbst vermeiden .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form ist vorgesehen, dass anhand der gemessenen elektrischen Leistungen die aktuelle Temperatur der Wärmequelle berechnet wird. Hierdurch wird es möglich, ohne eine Temperaturmessung vor Ort auszukommen, was aufgrund der Einsparung eines Temperatursensors mit einer Kostenreduktion einhergeht.
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form ist vorgesehen, dass die berechnete Temperatur mit einer erwarteten Temperatur der Wärmequelle verglichen wird und der Betriebspara¬ meter anhand des Ergebnisses dieses Vergleichs bestimmt wird. Dies eröffnet die Möglichkeit, den Wirkungsquerschnitt bzw. die Diagnose des thermoelektrischen Systems auf der Ebene der Temperatur durchzuführen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form ist vorgesehen, dass als Betriebsparameter der Wirkungsgrad des photo¬ elektrischen Elements ermittelt wird, wobei anhand der gemes¬ senen elektrischen Leistung eine Temperatur der Wärmequelle berechnet wird. Der Wirkungsgrad wird dann als Quotient aus der berechneten Temperatur und der erwarteten Temperatur der Wärmequelle, die mittels eines Temperatursensors gemessen oder mittels eines Kennfeldes bestimmt wird, berechnet. Dies stellt eine alternative Form zur Berechnung des Wirkungsgrads dar .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist vorgesehen, dass die aktuelle Leistung durch Messung der Spannung und/oder des Stroms der Energieumwandlungseinrichtung ermittelt wird.
Hierdurch kann auf eine besonders einfache Weise die Leistung der Energieumwandlungseinrichtung ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form ist vorgesehen, dass als Betriebsparameter die aktuelle Temperatur der Wärmequelle bestimmt wird. Hierdurch kann ein entsprechender Temperatursensor entfallen, was sich wiederum in niedrigeren Herstellungskosten bemerkbar macht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher schrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des thermoelektrischen Systems mit einer zwei separate Elemente umfassenden Ener¬ gieumwandlungseinrichtung;
Figur 2 eine tabellarische Darstellung der Diagnose des ther¬ moelektrischen Systems und seiner Komponenten.
Die Figur 1 zeigt ein thermoelektrisches System 100 zum Um¬ wandeln einer von einer Wärmequelle eines Fahrzeugs emittier- ten Wärmeenergie in elektrische Energie. Als Wärmequelle 101 kommt grundsätzlich jedes Bauteil des Fahrzeugs in Frage, das im Betrieb eine ausreichend hohe Temperatur erreicht, um eine effektive Energiegewinnung mittels photovoltaischer Elemente sicherzustellen. Bei einem Verbrennungsmotor sind dies üblicherweise der Motorblock selber bzw. bestimmte Bereiche des Motorblocks davon sowie die Abgasanlage bzw. besonders heiße Abschnitte der Abgasanlage, wie z. B. Krümmer oder Katalysa¬ tor. In der Figur 1 ist ein solches Bauteil 110, welches Energie in Form von Wärmestrahlung 111 emittiert, schematisch dargestellt. Das thermoelektrische System 100 umfasst eine Energieumwandlungseinrichtung 120, die im vorliegenden Fall zwei separate photovoltaische Elemente 121, 122 aufweist. Die in der Regel als spezielle, für den IR-Bereich optimierten Photovoltaikzellen ausgebildeten photovoltaische Elemente
121, 122 sind in geeigneter Weise in der Nähe der Wärmequelle 110 angeordnet, so dass die von der Wärmequelle 110 emittier¬ te Wärmestrahlung 111 von den photovoltaischen Elementen 121, 122 in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Pho- tozellen 121, 122 sind über eine Verkabelung 123, 124, 125 an eine Energiespeichereinrichtung 150 zur Zwischenspeicherung der elektrischen Energie verbunden. Zwischen der Energieumwandlungseinrichtung 120 und der Energiespeichereinrichtung 150 ist typischerweise ein elektrischer Wandler 140 zwischen- geschaltet, um die von der Energieumwandlungseinrichtung 120 gelieferte Spannung in die für die in der Regel als Batterie- / Akkuzelle gebildete Energiespeichereinrichtung 150 notwendige Spannung umzuwandeln. Erfindungsgemäß umfasst das thermoelektrische System 100 fer¬ ner eine Steuer- bzw. Überwachungseinrichtung 110, mit deren Hilfe der Betrieb der Energieumwandlungsanlage 120 gesteuert, bzw. überwacht wird. Die Steuereinrichtung 110 kann dabei mit verschiedenen Komponenten des thermoelektrischen Systems 100 über entsprechende Leitungen verbunden sein. Im vorliegenden Beispiel ist die Steuereinrichtung 110 aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich mit der Leitung 125 verbunden. Hierdurch soll angedeutet werden, dass die Steuereinrichtung 110 eine Messung der aktuell von der Energieumwandlungseinrichtung 120 bereitgestellten elektrischen Leistung Pist durchführt. Wie in der Figur 1 ferner gezeigt, ist in unmittelba¬ rer Nähe der Wärmequelle 110 ein Temperatursensor 160 ange- ordnet. Der Temperatursensor 160 kann dabei über eine entsprechende elektrische Leitung (hier gestrichelt) direkt mit der Steuereinrichtung 110 verbunden sein. Alternativ kann die Steuereinrichtung 110 eine Information über die Temperatur der Wärmequelle 110 auch von einer anderen Einrichtung des Fahrzeugs erhalten.
Die Erfindungsgemäße Steuereinrichtung 110 ist dabei ausge¬ bildet, wenigstens einen Betriebsparameter des thermoelektri- schen Systems 100 zu ermitteln. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch Messung der aktuellen elektrischen Leistung Pist der
Energieumwandlungseinrichtung 120. Die vorzugsweise über Messung von Strom und/oder Spannung am Eingang des elektrischen Wandlers 140 erfasste elektrische Leistung Pist kann in der Steuereinrichtung 120 dazu verwendet werden, die aktuelle Temperatur der Wärmequelle 110 zu berechnen. Gemäß dem für schwarze Strahler geltenden Stefan-Bolt zmann-Geset z ergibt sich für die Strahlungsleistung P[W] bei einer Temperatur T [K] : Ρ = σχΑχΤ* mit der Stefan-Bolt zmann-Konstante σ = 5,67 x
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die Oberfläche des Körpers. Gemäß dieser Gleichung emittiert ein Quadrat Zentimeter einer 500°C heißen Oberfläche in etwa 2 Watt pro cm2 Leistung mit einem Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge von 5 μπι. Bei einer angenommenen Effizienz einer Photovoltaikzelle von 7 bis 15 Prozent ergibt sich eine ge¬ messene Leistung der Energieumwandlungseinrichtung von etwa 0,2 Watt pro cm2. Sind alle bekannten Faktoren der photovol- taischen Einrichtung 120 bekannt, wie z. B. Größe der
Photovoltaikzellen 121, 122 sowie deren Abstand und Anordnung bezüglich der Wärmequelle 110, die Leistungsverluste der An¬ schlussleitungen 123, 124, 125 etc., so kann mithilfe der ge- messenen Leistung Pist der Energieumwandlung 120 eine Aussage über die Strahlungsleistung der Wärmequelle 110 gemacht werden. Anhand der so ermittelten Strahlungsleistung kann durch Umformen der Stefan-Boltzmann-Gleichung schließlich die Tem- peratur TiSt der Strahlenquelle 110 ermittelt werden. Mithilfe dieses Verfahrens ist es auch möglich, die Temperatur be¬ stimmter Teile im Kraftfahrzeug auch ohne eine direkte Tempe¬ raturmessung zu erhalten. Somit kann das erfindungsgemäße Konzept als Sensorsatz verwendet werden.
Einen weiteren interessanten Betriebsparameter bildet der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Anlage 100. Dieser lässt sich beispielsweise durch den Vergleich, genauer durch
Quotientenbildung, der gemessenen Leistung Pist mit einer er- warteten elektrischen Leistung Pref ermitteln. Die als Referenz dienende erwartete elektrische Leistung Pref kann hierzu ebenfalls durch Zuhilfenahme des Stefan-Boltzmann-Gesetzes aus einer bekannten Temperatur TiSt der Strahlungsquelle er¬ mittelt werden. Hierzu wird zunächst die Strahlungsleistung P der Wärmequelle 110 mithilfe dieser Gleichung ermittelt und dieser Wert anschließend durch Multiplikation mit einem aus der Applikation des Systems 100 bekannten Faktors, der die Verluste der Strecke zwischen Wärmequelle 110 und Wandler 140 berücksichtigt, ermittelt werden. Die Temperatur TiSt kann da- bei sowohl mithilfe einer Messung als auch bei Kenntnis des jeweiligen Motorbetriebspunkts mithilfe von Kennfeldern er¬ mittelt werden.
Die Bestimmung des Wirkungsgrads kann jedoch auch durch einen Vergleich einer ermittelten Temperatur mit einer als Referenz vorliegenden erwarteten Temperatur erfolgen.
Als Betriebsparameter kann auch der Funktionszustand des thermoelektrischen Systems 100 oder seiner Komponenten ermit- telt werden. Hierzu können geeignete Diagnoseschritte in der Steuereinrichtung 120 implementiert sein. Erfindungsgemäß wird die Diagnose durch einen Vergleich der aktuell ermittel¬ ten elektrischen Leistung Pist mit einem Referenzwert Pref durchgeführt. Als Referenzwert dient dabei eine an dem jewei¬ ligen Meßpunkt erwartete elektrische Leistung Pref. Diese kann beispielsweise mithilfe der Stefan-Bolt zmann-Gleichung aus der aktuell ermittelten Temperatur TiSt berechnet werden. Je nach Anwendung können bei der Diagnose verschieden Funktions- zustände bewertet werden. Die Figur 2 zeigt beispielhaft eine tabellarische Zusammenstellung geeigneter Aussagen bzw. Bewertungen für eine solche Diagnose. Demnach funktioniert die gesamte Energieumwandlungseinrichtung 120 nicht, wenn als elektrische Leistung Pist Null gemes¬ sene wird. In dem Fall, dass die gemessene Leistung PiSt im vorherigen Fahrzyklus jedoch einer erwarteten elektrischen Leistung Pref entsprach, wird ein Bruch im Stromkreis angenom- men.
Sofern die tatsächlichen Temperatur TiSt der Wärmequelle be¬ kannt ist, können Defekte einzelner Photozellen 121, 122 hingegen erkannt werden, wenn die gemessene elektrische Leistung der Energieumwandlungseinrichtung 120 zwischen Null der erwartete elektrische Leistung Pref liegt. Ist die tatsächlichen Temperatur TiSt der Wärmequelle hingegen unbekannt, so wird in diesem Fall entweder eine Abweichung der tatsächlichen Temperatur iSt von der erwarteten Temperatur Tref oder eine ein De- fekt einzelner Photozellen 121, 122 angenommen.
Wird eine elektrische Leistung PiSt gemessen, die zwischen Null und der erwarteten Leistung Pref liegt, und ist ferner durch einen Vergleich des aktuell gemessenen Leistungswerts mit zuvor gemessenen Werten erkennbar, dass ein schleichender Leistungsverlust vorliegt, so kann sowohl von einer Ver¬ schmutzung der Photozellen 121, 122 als auch von einer durch Alterungseffekte bedingten Leistungsreduktion ausgegangen werden .
Eine Unterbrechung des Stromkreises kann hingegen bei einem plötzlichen Abfall der gemessenen elektrischen Leistung Pist auf Null diagnostiziert werden. Springt der gemessene Wert jedoch zwischen der erwarteten Leistung Pref und Null, so liegt ein Wackelkontakt im Stromkreis vor.
Schließlich kann eine Überhitzung der Wärmequelle angenommen werden, wenn als elektrische Leistung Pist ein Wert größer als die erwartete elektrische Leistung Pref gemessen wird.
Bei den in der bevorstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren offenbarten Aus führungs formen handelt es sich lediglich um Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei können je nach Anwendung für die Realisierung der Erfindung sämtliche in diesem Zusammenhang offenbarten Merkmale sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander relevant sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Betriebsparame¬ ters eines thermoelektrischen Systems (100) in einem Fahrzeug,
wobei das thermoelektrische System (100) eine Ener¬ gieumwandlungseinrichtung (120) mit wenigstens einem photovoltaischen Element (121, 122) zum Umwandeln einer von einer Wärmequelle (110) des Fahrzeugs emittierten Wärmestrahlung (111) in elektrische Energie umfasst, umfassend die Schritte:
- Messen einer elektrischen Leistung (Pist) der photo- voltaischen Einrichtung (120), und
- Bestimmen des Betriebsparameters anhand der gemesse¬ nen elektrischen Leistung (Pist) der photovoltaischen Einrichtung (120) . 2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die gemessene elektrische Leistung (Pist) mit ei¬ ner erwarteten elektrischen Leistung (Pref) der Ener¬ gieumwandlungseinrichtung (120) verglichen wird, und wobei der Betriebsparameter aus dem Vergleich der ge- messenen elektrischen Leistung (Pist) mit der erwarteten elektrischen Leistung (Pref) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
wobei die erwartete elektrische Leistung (Pref) aus ei- ner mittels eines Temperatursensors (160) gemessenen oder anhand eines Kennfeldes ermittelten Temperatur (TiSt) der Wärmequelle (110) berechnet oder anhand eines Kennfeldes ermittelt wird. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
wobei die Bestimmung des Betriebsparameters im Rahmen einer Diagnose des thermoelektrischen Systems (100) erfolgt, bei der ein Funktionszustand des thermoelektri- sehen Systems (100) anhand der gemessenen elektrischen Leistung (Pist) bewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 4,
wobei die Bewertung wenigstens eine der folgenden Aus¬ sagen umfasst:
- im Falle dass die gemessene elektrische Leistung (Pist) gleich Null ist, liegt keine Funktionsfähigkeit der Energieumwandlungseinrichtung (120) vor;
- im Falle dass die aktuell gemessene elektrische Leis¬ tung (Pist) gleich Null ist und gleichzeitig eine im vorherigen Fahrzyklus gemessene elektrische Leistung einer erwarteten elektrischen Leistung (Pref) ent¬ spricht, liegt eine Unterbrechung des Stromkreises vor;
- im Falle dass die tatsächliche Temperatur (TiSt) der Wärmequelle (110) bekannt und die gemessene elektrische Leistung (Pist) der mehrere photovoltaische Elemente (121, 122) umfassenden Energieumwandlungseinrichtung (120) größer Null und kleiner als die erwartete elekt¬ rische Leistung (Pref) ist, liegt bei einem Teil der photovoltaischen Elemente (121, 122) keine Funktionsfä¬ higkeit vor;
- im Falle dass die tatsächliche Temperatur (TiSt) der Wärmequelle (110) unbekannt und die gemessene elektri¬ sche Leistung (Pist) der mehrere photovoltaische Elemen¬ te (121, 122) umfassenden Energieumwandlungseinrichtung (120) größer Null und kleiner als die erwartete Leis¬ tung (Pref) ist, weicht entweder die tatsächliche Tempe¬ ratur ( iSt) von der erwarteten Temperatur (Tref) ab, oder
- bei einem Teil der photovoltaischen Elemente (121, 122) liegt keine Funktionsfähigkeit vor;
- im Falle dass die gemessene elektrische Leistung (Pist) größer Null und kleiner als die erwartete Leistung (Pref) ist und die elektrische Leistung (Pist) über einen länge¬ ren Zeitraum abnimmt, liegt eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der Energieumwandlungseinrichtung (120) durch Verschmutzung und/oder durch Alterung der photo- voltaischen Elemente (121, 122) vor;
- im Falle dass die gemessene elektrische Leistung (Pist) auf Null abfällt, liegt eine Unterbrechung im Stromkreis vor;
- im Falle dass die gemessene elektrische Leistung (Pist) zwischen Null und der erwarteten elektrische Leistung (Pref) hin und her schwankt, liegt ein Wackelkontakt vor;
- im Falle dass die gemessene elektrische Leistung (Pist) größer als die erwartete elektrische Leistung (Pref) ist, liegt eine Überhitzung der Wärmequelle vor.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand der gemessenen elektrischen Leistung (Pist) eine aktuelle Temperatur (TiSt) der Wärmequelle (110) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6,
wobei die berechnete Temperatur (TiSt) mit einer erwar¬ teten Temperatur (Tref) der Wärmequelle (110) verglichen wird, und
wobei der Betriebsparameter anhand des Ergebnisses die¬ ses Vergleichs bestimmt wird.
Verfahren nach einer der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Betriebsparameter der Wirkungsgrad des photo¬ elektrischen Elements (120) ermittelt wird,
wobei anhand der gemessenen elektrischen Leistung (Pist) eine Temperatur (TiSt) der Wärmequelle (110) berechnet wird, und wobei der Wirkungsgrad als Quotient aus der berechneten Temperatur (TiSt) und einer erwarteten Temperatur (Tref) der Wärmequelle (110), die mittels eines Temperatursen¬ sors (160) gemessen oder mittels eines Kennfeldes be¬ stimmt wird, berechnet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktuelle Leistung (Pist) durch Messung der Spannung und/oder des Stroms der Energieumwandlungseinrichtung (120) ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei als Betriebsparameter die aktuelle Temperatur (TiSt) der Wärmequelle (110) bestimmt wird.
11. Vorrichtung (130) zum Bestimmen wenigstens eines Betriebsparameters eines thermoelektrischen Systems (100) in einem Fahrzeug,
wobei das thermoelektrische System (100) eine Ener¬ gieumwandlungseinrichtung (120) mit wenigstens einem photovoltaischen Element (121, 122) zum Umwandeln einer von einer Wärmequelle (110) des Fahrzeugs emittierten Wärmestrahlung (111) in elektrische Energie um- fasst, und
wobei die Vorrichtung (130) ausgebildet ist, eine elektrischen Leistung (Pist) des photovoltaischen Ele¬ ments (120) zu messen und den Betriebsparameter anhand der gemessenen elektrischen Leistung (Pist) des photo¬ voltaischen Elements (120) zu bestimmen.
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