WO2023025566A1 - Verfahren zur planung einer fahrzeugnutzung eines fahrzeugs - Google Patents

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WO2023025566A1
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Ottmar Gehring
Christof Bunz
Luisa Langenbacher
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Daimler Truck AG
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Definitions

  • the invention relates to a method for planning vehicle use of a vehicle of the type defined in more detail in the preamble of claim 1 and a vehicle of the type defined in more detail in the preamble of claim 8.
  • hydrogen is stored in liquid form in such a tank at around -250°C. If a vehicle with such a tank is parked for a long period of time, the tank will slowly warm up, causing liquid hydrogen to vaporize and leading to an increase in pressure in the tank. If the internal pressure in the tank rises to a critical value, hydrogen must be removed from the tank in order to reduce the pressure in the tank again.
  • the extracted hydrogen can, if necessary, via a catalytic converter discharged to the environment or reacted to form water in a fuel cell system of the vehicle, with electrical energy being obtained.
  • a catalytic converter discharged to the environment or reacted to form water in a fuel cell system of the vehicle, with electrical energy being obtained.
  • Such a process which leads to a thermally induced increase in pressure, is also referred to as a boil-off.
  • a cryogenic tank system for cryogenically stored fuel is known, for example, from DE 103 04 165 A1.
  • fuel gas to be released from the cryogenic tank system is reacted with the help of two recyclers, also referred to as boil-off management systems, and converted into electrical energy.
  • a recycler can be, for example, a burner, a catalytic burner, a fuel cell or an internal combustion engine.
  • the cryotank system has at least two such recyclers, which are connected to the cryotank system via a common supply line.
  • a switching valve is provided in the supply line, which switches without auxiliary energy in order to divide the fuel gas discharged from the cryogenic tank system between the processors. If one of the recyclers fails, safe and reliable switching is ensured so that the fuel gas to be recycled can be supplied to the remaining recycler.
  • US 2018/0334170 A1 discloses a method for preconditioning a hybrid electric vehicle.
  • a hybrid electric vehicle in addition to an internal combustion engine, such a hybrid electric vehicle also includes at least one traction battery.
  • heat is supplied to the traction battery, the internal combustion engine, an exhaust gas aftertreatment system and/or a vehicle cabin of the vehicle in order to warm up the corresponding components to an operating temperature.
  • a traction battery that has been heated to operating temperature is particularly energy-efficient.
  • An internal combustion engine and/or exhaust gas aftertreatment system that has been warmed up to operating temperature can be operated in a particularly low-emission operating mode.
  • a warmed up driver's cab ensures when it's cold Ambient conditions for a high level of thermal comfort for a person driving the vehicle.
  • the heat is supplied to the relevant components shortly before the vehicle is started and driven off.
  • the moment at which the vehicle begins its journey is determined by analyzing user behavior and/or evaluating sensor data.
  • the energy required to produce the heat is taken in the form of electrical energy from a traction battery in the vehicle and/or a charging station connected to the vehicle by cable. If no charging station is connected to the vehicle and the traction battery only has a comparatively low charge level, a prioritization takes place as to which of the vehicle components are to be heated and which are not. There is therefore a risk that individual vehicle components cannot be sufficiently warmed up in certain situations.
  • the vehicle can also include a fuel cell system.
  • the present invention is based on the object of specifying a method for planning vehicle use of a vehicle, with the aid of which energy loss when switching off a vehicle supplied with electric drive energy by a fuel cell system is minimized and the vehicle can be started reliably at ambient temperatures around freezing point.
  • this object is achieved by a method for planning vehicle use of a vehicle having the features of claim 1 and a vehicle having the features of claim 8 .
  • At least one vehicle component is preconditioned during vehicle use.
  • a point in time, a period of time and/or a number of vehicle downtimes to be carried out while the vehicle is in use is selected such that at the beginning of a vehicle downtime, at least one traction battery of the vehicle has a charge state that is within a specified charge state range, so that a Off-management system provided amount of electrical energy can be fully stored in the traction battery or partially stored in the traction battery and completely by a third-party consumer during the vehicle downtime is consumed, and an amount of electrical energy available in the traction battery at the beginning of the vehicle downtime is sufficient to sufficiently heat a fuel cell system of the vehicle to an operating temperature at the end of the vehicle downtime.
  • a particularly energy-efficient and reliable operation of the vehicle is possible with the aid of the method according to the invention. If a boil-off occurs, all the hydrogen taken from the vehicle's hydrogen tank can be converted into electrical energy in the fuel cell system and stored in the traction battery or used by a third-party consumer. This prevents hydrogen from having to be released unused into the environment. In addition, it is ensured that at the end of a vehicle downtime, sufficient electrical energy is stored in the vehicle's traction battery to thaw a frozen fuel cell system and/or heat it up to operating temperature. This energy-efficient and reliable operation is possible thanks to the traction battery's fixed charge level range. The state of charge of the traction battery is thus coordinated according to the state of charge range with the vehicle downtimes to be carried out during vehicle use in such a way that a sufficient charge reserve is available for absorbing electrical energy or for heating up the fuel cell system.
  • the size of the state of charge range also increases. This allows more flexibility in planning the use of the vehicle, since more vehicle downtimes can be carried out, a vehicle downtime can also last longer and the vehicle downtimes can also be carried out more quickly in succession or at greater time intervals.
  • the state of charge range and the state of charge of the traction battery when the vehicle is stationary can be predicted even more precisely.
  • An ambient temperature around the vehicle can be determined taking into account the weather forecast valid for a location of the vehicle. If the ambient temperature is comparatively high, the cryogenic tank also heats up faster, which leads to a faster increase in the tank's internal pressure.
  • the boil-off management system must therefore also be activated earlier in order to convert fuel gas, in particular hydrogen, taken from the cryotank with the fuel cell system into electrical energy and store it in the traction battery of the vehicle. If, on the other hand, the ambient temperature is comparatively low, the boil-off is also postponed in time.
  • the charge level of the vehicle's traction battery decreases more quickly when driving over a defined distance, which means that the lower end of the charge level range is also reached more quickly.
  • a point in time at which a boil-off event occurs and fuel gas must therefore be removed from the cryotank can be predicted more reliably. For example, if the internal pressure of the cryotank is closer to its upper load limit at the beginning of a vehicle standstill period, fuel gas can also be removed from the cryotank earlier. If, on the other hand, the internal pressure in the tank is comparatively low, the boil-off event is also postponed. Taking the listed parameters into account, vehicle downtimes can also be planned during which there is no boil-off event.
  • the tank internal pressure also depends on the amount of fuel gas and the cryotank temperature
  • monitoring the cryotank temperature and the amount of charge in the cryotank can be used to more reliably determine when a boil-off occurs.
  • the electrical energy provided by the boil-off management system can not only be used in the Traction battery stored but also consumed by third-party consumers.
  • a period of time until the traction battery is fully charged from a specified charge level increases in comparison to charging the traction battery without the third-party consumer.
  • an upper limit of the state of charge range can be shifted upwards in the direction of a fully charged traction battery.
  • the use of the vehicle is planned in such a way that the state of charge of the at least one traction battery coincides with an upper or a lower limit of the state of charge range at the beginning of a vehicle standstill period.
  • the operating mode of the vehicle may have to be adjusted in good time before the vehicle stands still. If the state of charge is set in such a way that at the beginning of the vehicle standstill it comes to an upper or lower limit of the state of charge range, then a point in time can also be delayed in time when the vehicle's operating mode has to be adapted. In this way, the vehicle can be operated while driving for as long as possible, taking into account other optimization parameters.
  • the vehicle can be particularly fuel-efficient, cost-optimal, optimal in terms of service life, optimal in terms of performance or optimal from another point of view while driving operate.
  • a cooling capacity of the cryotank can be increased or a thermal capacity supplied to the cryotank can be reduced in order to prevent the cryotank from heating up too quickly. If the cryotank is actively cooled, excess electrical energy can be consumed by an appropriate cooling unit; if the internal tank pressure is too high, the heat supply to the cryotank is reduced, the cooling capacity of the cryotank is increased and/or the fuel cell system performance is increased; a comparatively high state of charge of the traction battery and/or a comparatively high internal tank pressure is set when a third-party consumer is expected to have a comparatively high electrical energy requirement while the vehicle is stationary.
  • a further advantageous embodiment of the method also provides that the planning of the use of the vehicle takes place inside the vehicle or outside of the vehicle.
  • an authorized person for example a person driving the vehicle or also a coordinator of a vehicle fleet, can enter a corresponding trip to be carried out with the vehicle into a computing unit for evaluation.
  • a program suitable for evaluating the journey or for planning the use of the vehicle can be executed on the computing unit.
  • At the computing unit can it is, for example, a vehicle-internal or vehicle-external computing unit.
  • An in-vehicle computing unit can be, for example, a central on-board computer, a telematics unit, a control unit of a vehicle subsystem, or the like.
  • a mobile end device such as a laptop, tablet computer, smartphone or the like transported with the vehicle can also be understood as an in-vehicle computing unit.
  • a cloud server or backend for example, can be used as the vehicle-external computing unit.
  • any breaks to be taken and downtimes are also taken into account.
  • a point in time at which a boil-off event will take place can thus be predicted particularly precisely.
  • a point in time at which the operating strategy of the vehicle is changed can be planned in such a way that the charge level of the traction battery is particularly reliably within the charge state range at the beginning of a corresponding vehicle standstill time.
  • the vehicle use is planned externally by a service provider.
  • the service provider can be, for example, a vehicle manufacturer, a freight forwarder, a construction company, an authority or the like.
  • the service provider centrally coordinates a fleet of vehicles.
  • Corresponding fleet vehicles are in communication with a vehicle control center via a wireless communication connection, for example via mobile radio, WiFi, Bluetooth, NFC or the like.
  • communication can also take place, at least in sections, via the Internet. Individual sections of a journey to be carried out with a vehicle can also be planned and analyzed in the vehicle itself and other sections can be planned and analyzed outside the vehicle by the service provider.
  • the service provider can evaluate data obtained with the vehicle fleet, and thus an accuracy for predicting estimated values such as a Improve fuel consumption, an internal tank pressure present at the start of a vehicle standstill period, a state of charge of the traction battery or the like.
  • a further advantageous embodiment of the method also provides that before the start of a vehicle downtime, fuel gas consumption is increased compared to a normal operating mode and/or a heating output for thermal conditioning of the cryotank is reduced compared to the normal operating mode or a cooling output for thermal conditioning of the cryotank is reduced compared to the normal operating mode is increased to adjust the tank internal pressure of the cryotank to a lowest adjustable pressure.
  • the cryotank can be cooled down by actively cooling the cryotank or by reducing a heating output for heating the cryotank.
  • An output of the fuel cell system is preferably increased before the vehicle is idle and the electrical energy thus obtained is used for actively cooling the cryotank.
  • the internal tank pressure of the cryogenic tank can be reduced particularly quickly.
  • An upper and/or lower limit of the state of charge range and/or the point in time, the length of time and/or the number of times the vehicle was idle is preferably re-determined at least once during the use of the vehicle. Unforeseen events can occur while the vehicle is in use, which have a negative effect on the planning of the vehicle strategy, so that the charge state of the traction battery can no longer be maintained within the specified charge state range when the vehicle is at a standstill. By recalculating at least one of the variables mentioned, the use of the vehicle can be replanned at least for a portion of the use of the vehicle, as a result of which the state of charge of the traction battery can again be maintained within the specified state of charge range.
  • vehicle downtimes can be moved forward or backward in time, their number can be increased or reduced, the duration of a vehicle downtime can be shortened or lengthened and/or the charge state range itself can be adjusted, for example because a larger or smaller amount of energy is consumed by a third-party consumer during a vehicle downtime has been consumed or will be scheduled as previously.
  • a vehicle with at least one traction battery a fuel cell system, a cryotank, an electric drive machine and a computing unit
  • the traction battery, the fuel cell system, the cryotank, the electric drive machine and the computing unit are set up according to the invention to carry out a method described above.
  • the vehicle can be any vehicle such as a passenger car, truck, van, bus or a construction machine such as a crane, excavator, concrete mixer or the like.
  • the fuel cell system is in particular a PEM fuel cell system.
  • the vehicle is preferably designed as a utility vehicle.
  • Commercial vehicles are characterized by comparatively large dimensions and a high transportable payload. Furthermore, commercial vehicles often have to cover great distances, which is difficult to do with a purely battery-powered vehicle, since a comparatively large number of charging stops have to be made. Commercial vehicles are therefore particularly suitable for providing a fuel cell system for providing electrical drive energy. A method according to the invention can thus be used particularly advantageously in a commercial vehicle.
  • such a vehicle preferably has an at least partially automated control system.
  • the vehicle can be controlled in a fully automated manner, which makes it possible to use a method according to the invention in an autonomously controlled fleet of vehicles.
  • the use of an autonomous truck operated in a hub-to-hub operating mode can be planned in an even more environmentally friendly and reliable manner.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic representation of a vehicle according to the invention
  • 2 shows two state of charge diagrams of a traction battery of the vehicle
  • FIG. 3 shows a flow chart of a method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic representation of a vehicle 1 according to the invention.
  • the vehicle 1 can be, for example, a car, truck, bus, construction machine or the like.
  • the vehicle 1 has at least one electric drive machine 7 for driving a drive train 24, with the vehicle 1 having two electric drive machines 7 in the embodiment in FIG.
  • the vehicle 1 has at least one traction battery 2 and a fuel cell system 5, in particular a PEM fuel cell system.
  • the traction battery 2 , the fuel cell system 5 and the electric drive machine 7 are connected to a shared high-voltage network 9 of the vehicle 1 .
  • the traction battery 2 can draw power from a charging station 11 via a charging interface 10 .
  • the vehicle 1 can also have other components such as a retarder 12 and/or a brake chopper 13 .
  • the vehicle 1 also includes at least one computing unit 8, for example a central on-board computer.
  • the vehicle components are connected to the processing unit 8 via individual control units 14 via a data bus 15 .
  • the vehicle 1 includes a wireless communication interface 16, via which the vehicle 1 can exchange data with a vehicle-external computing unit 17, for example a cloud server.
  • a vehicle-external computing unit 17 for example a cloud server.
  • the vehicle 1 can receive control commands from a vehicle control center and/or an operation planned with the vehicle 1 can be communicated.
  • the fuel cell system 5 is connected to a cryogenic tank 6 in order to supply the fuel cell system 5 with fuel.
  • a fuel gas for example hydrogen
  • the cryogenic tank 6 is thermally insulated from the environment. However, since such insulation cannot completely adiabatic seal off the cryotank 6 from the environment, the cryotank 6 heats up slowly when the vehicle 1 is parked. This results in liquid fuel gas evaporating over time, causing the tank internal pressure in the cryotank 6 to also slowly increase. If the internal tank pressure exceeds a critical value, there is a risk that the cryogenic tank 6 will burst. To prevent this, Fuel gas withdrawn from the cryotank 6 and discharged to the atmosphere or reacted by the fuel cell system 5, whereby energy is obtained.
  • the charge level of the traction battery 2 at the start of an idle time must be chosen so low that there is enough buffer space to absorb the energy generated by the fuel cell system 5 when the vehicle is idle
  • Vehicle 1 electrical energy delivered in the traction battery 2 can be stored.
  • an intended use of the vehicle 1 is planned before the start of the journey.
  • the planning can be carried out by the computing unit 8 inside the vehicle or also by the computing unit 17 outside the vehicle.
  • an authorized person can enter corresponding information in the respective processing units 8, 17.
  • the vehicle 1 can also include input means, not shown, such as a touch screen or the like, or an interface for data communication with a mobile terminal device such as a laptop, tablet computer or smartphone.
  • a mobile terminal device such as a laptop, tablet computer or smartphone.
  • Such a mobile terminal device can communicate with the vehicle 1 via a cable or wirelessly, for example via WiFi, Bluetooth or NFC.
  • the state of charge of the traction battery 2 is set so that at the end of a vehicle standstill period there is still enough electrical energy in the traction battery 2 to operate a heating system of the fuel cell system 5 (not shown) for a sufficient period of time to to thaw a frozen fuel cell system 5 and/or to heat it up to an operating temperature.
  • the vehicle 1 can have at least one third-party consumer 4, for example a concrete mixer, a crane, a cooling unit or the like.
  • the use of the vehicle can be planned in such a way that excess electrical energy generated by the fuel cell system 5 in a so-called boil-off case is not only stored in the traction battery 2 but is also used to operate the at least one third-party consumer 4 .
  • At least one of the electric drive machines 7 can also be operated to generate shaft power. All of the electrical energy generated by the fuel cell system 5 can also be used to operate the third-party consumer 4 .
  • FIG. 2 shows two charge state diagrams 18 of the traction battery 2 in a qualitative representation. An upper end of a state of charge diagram 18 corresponds to a fully charged traction battery 2, indicated by a state of charge of 100%. A lower end of a state of charge diagram 18 corresponds to an exhausted traction battery 2, indicated by a state of charge of 0%.
  • FIG. 2a shows a charge state diagram 18 while driving the vehicle 1.
  • the charge state diagram 18 has two dark hatched areas 19, which represent a charge reserve for component protection.
  • a light area 20 is used to symbolize a permissible range in which the state of charge of the traction battery 2 may move while driving.
  • Area 20 is comparatively large, which means that there are comparatively many degrees of freedom for adapting an operating strategy of vehicle 1 to different operating situations, taking into account different optimization goals. For example, while driving, the vehicle 1 can be operated in a particularly consumption-optimal, cost-optimal, life-saving manner or the like.
  • FIG. 2b shows a further charge state diagram 18 to symbolize a permissible charge state range 3 during a vehicle standstill time.
  • the permissible state of charge range 3 is delimited from a reserve for heating processes 21 by a lower limit 3.U and from a reserve for storing excess electrical energy 22 by an upper limit 3.0.
  • FIG. 3 shows a flow chart of a method according to the invention.
  • a trip to be carried out with the vehicle 1, including the associated expected vehicle downtimes is determined.
  • Planning data 310 is used as an input variable for this purpose.
  • the planning data 310 includes, for example, a route to be traveled with the vehicle 1, a start time, an arrival time, a number of scheduled vehicle downtimes and their duration or the like.
  • the upper and lower limits 3.O, 3.U of the state of charge range 3 are specified in order to define the permissible range 3 of the state of charge.
  • a point in time and/or location is defined at which the operating mode of vehicle 1 must be adjusted before a respective vehicle downtime is reached in order to transfer the charge state of traction battery 2 to charge state range 3 .
  • Prognosis data 320 is used here as an input variable.
  • the prognosis data 320 includes, for example, a current tank content of the kyotank 6, a charge state of the traction battery 2, a load on the vehicle 1, a weather report, traffic forecast data or the like.
  • method step 303 it is checked whether the time or the place has been reached at which the vehicle 1 adjusts the operating mode so that the charge state of the traction battery 2 corresponds to the charge state range 3 for reaching the next vehicle standstill time. If this is the case, in method step 304 the specified target values are adjusted up to the position of vehicle 1. If this is not the case, individual target values may be recalculated by carrying out method step 302 again. Appropriate measures are taken in method step 305 in the event of a boil-off, such as activating the fuel cell system 5, switching on a third-party consumer 4, preheating the fuel cell system 5, tempering the cryogenic tank 6 or the like. Strategies or target values specified for method steps 304 and 305 can be adjusted by carrying out method step 302 again, according to an arrow 23 shown.
  • fuel gas can be prevented from being wasted while the vehicle is stationary in order to keep the internal pressure of the cryotank 6 within permissible limits. Also will a reliability of operational readiness of the vehicle 1 is improved. It can thus be ensured that when the vehicle 1 is parked, there is sufficient battery capacity at the end of a vehicle standstill period to thaw a frozen fuel cell system 5 and/or heat it up to the operating temperature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Planung einer Fahrzeugnutzung eines Fahrzeugs (1), wobei während der Fahrzeugnutzung wenigstens eine Fahrzeugkomponente vorkonditioniert wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitpunkt, eine Zeitdauer und/oder eine Anzahl während einer Fahrzeugnutzung durchzuführender Fahrzeugstillstandzeiten so gewählt wird, dass wenigstens eine Traktionsbatterie (2) des Fahrzeugs (1) zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit einen innerhalb eines festgelegten Ladezustandbereich (3) liegenden Ladezustand aufweist, sodass eine während der Fahrzeugstillstandzeit von einem Boil-Off-Management-System bereitgestellte elektrische Energiemenge vollständig in der Traktionsbatterie (2) gespeichert werden oder teilweise in der Traktionsbatterie (2) gespeichert und durch einen Drittverbraucher (4) während der Fahrzeugstillstandzeit vollständig verbraucht wird, und eine zu Beginn der Fahrzeugstillstandzeit in der Traktionsbatterie (2) vorrätige elektrische Energiemenge zum ausreichenden Erwärmen eines Brennstoffzellensystems (5) des Fahrzeugs (1) auf eine Betriebstemperatur zum Ende der Fahrzeugstillstandzeit ausreicht.

Description

Daimler T ruck AG Riege
04.08.2022
Verfahren zur Planung einer Fahrzeugnutzung eines Fahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Planung einer Fahrzeugnutzung eines Fahrzeugs nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie ein Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 8 näher definierten Art.
Mit einem steigenden Umweltbewusstsein und damit einhergehenden strengeren Umweltrichtlinien nimmt die Bedeutung alternativer Antriebe für Fahrzeug zu. Neben Hybridfahrzeugen und rein batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind auch Fahrzeuge mit einem Brennstoffzellensystem bekannt, mit dessen Hilfe elektrische Antriebsenergie durch Reagieren eines Kraftstoffgases, meist Wasserstoff, mit einem Oxidationsmittel, meist Sauerstoff, gewonnen wird. Das Speichern des Kraftstoffgases stellt dabei höhere Ansprüche an einen Tank als das Speichern flüssigen Kraftstoffs wie Benzin. So wird das Kraftstoffgas typischerweise unter vergleichsweise hohem Druck und/oder tiefen Temperaturen im Tank gespeichert, um eine ausreichende Kraftstoffreserve mit dem Fahrzeug mitführen zu können. Ein entsprechender Kraftstofftank wird daher dickwandig ausgeführt und/oder wird thermisch isoliert. Die thermische Isolierung verhindert, dass sich der Kraftstofftank zu schnell aufheizt, was dazu führt, dass flüssiges Kraftstoffgas verdampft und hierdurch ein Tankinnendruck zu schnell ansteigt.
Typischerweise wird Wasserstoff in einem solchen Tank bei ungefähr -250° in flüssiger Form gespeichert. Wird ein Fahrzeug mit einem solchen Tank für längere Zeit abgestellt, wärmt sich der Tank langsam auf, wodurch flüssiger Wasserstoff verdampft und zu einem Druckanstieg im Tank führt. Steigt der Innendruck im Tank auf einen kritischen Wert an, so muss Wasserstoff aus dem Tank entnommen werden, um den Druck im Tank wieder abzusenken. Der entnommene Wasserstoff kann ggf. über einen katalytischen Konverter an die Umgebung abgelassen werden oder in einem Brennstoffzellensystem des Fahrzeugs zu Wasser reagiert werden, wobei elektrische Energie gewonnen wird. Ein solcher, zu einem thermisch bedingten Druckanstieg führender Prozess wird auch als Boil-Off bezeichnet.
Bei tiefen Umgebungstemperaturen kann es zudem passieren, dass im Brennstoffzellensystem befindliche Feuchtigkeit gefriert, was dazu führt, dass das Brennstoffzellensystem nicht richtig arbeiten kann. In diesem Falle muss dem Brennstoffzellensystem Wärme zugeführt werden, um das gefrorene Wasser wieder aufzutauen. Hierzu wird Energie zur Erzeugung der Wärme benötigt.
Ein Kryotanksystem für kryogen gespeicherten Kraftstoff ist beispielsweise aus der DE 103 04 165 A1 bekannt. Im Boil-Off-Fall aus dem Kryotanksystem abzulassendes Kraftstoffgas wird mit Hilfe von zwei Verwertern, auch als Boil-Off-Management-System bezeichnet, reagiert und in elektrische Energie gewandelt. Bei einem solchen Verwerter kann es sich beispielsweise um einen Brenner, einen katalytischen Brenner, eine Brennstoffzelle oder auch einen Verbrennungsmotor handeln. Aus Sicherheitsgründen weist das Kryotanksystem wenigstens zwei solcher Verwerter auf, welche über eine gemeinsame Versorgungsleitung an das Kryotanksystem angeschlossen sind. In der Versorgungsleitung ist ein Umschaltventil vorgesehen, welches ohne Hilfsenergie schaltet, um das aus dem Kryotanksystem abgelassene Kraftstoffgas zwischen den Verwertern aufzuteilen. Fällt einer der Verwerter aus, so ist ein sicheres und zuverlässiges Umschalten gewährleistet, sodass das zu verwertende Kraftstoffgas dem verbleibenden Verwerter zugeführt werden kann.
Ferner offenbart die US 2018/0334170 A1 ein Verfahren zur Vorkonditionierung eines hybridelektrischen Fahrzeugs. Ein solches hybridelektrisches Fahrzeug umfasst neben einem Verbrennungsmotor auch zumindest eine Traktionsbatterie. Gemäß des in der Druckschrift offenbarten Verfahrens wird der Traktionsbatterie, dem Verbrennungsmotor, einer Abgasnachbehandlungsanlage und/oder einer Fahrzeugkabine des Fahrzeugs Wärme zugeführt, um die entsprechenden Komponenten auf eine Betriebstemperatur aufzuwärmen. Eine auf Betriebstemperatur aufgeheizte Traktionsbatterie arbeitet besonders energieeffizient. Ein auf Betriebstemperatur aufgewärmter Verbrennungsmotor und/oder Abgasnachbehandlungsanlage sind in einem besonders emissionsarmen Betriebsmodus betreibbar. Eine aufgewärmte Fahrerkabine sorgt bei kalten Umgebungsbedingungen für einen hohen thermischen Komfort einer fahrzeugführenden Person. Die Wärme wird den entsprechenden Komponenten dabei kurz vor Starten und Losfahren des Fahrzeugs zugeführt. Der Moment, zu dem das Fahrzeug seine Fahrt beginnt, wird dabei durch Analyse eines Nutzerverhaltens und/oder Auswerten von Sensordaten bestimmt. Die zur Produktion der Wärme erforderliche Energie wird in Form von elektrischer Energie aus einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs und/oder einer per Kabel an das Fahrzeug angeschlossenen Ladesäule entnommen. Ist keine Ladesäule an das Fahrzeug angeschlossen und weist die Traktionsbatterie nur einen vergleichsweise geringen Ladestand auf, so erfolgt eine Priorisierung, welche der Fahrzeugkomponenten aufgewärmt werden sollen und welche keine Temperierung erfahren. Somit besteht die Gefahr, dass einzelne Fahrzeugkomponenten in bestimmten Situationen nicht ausreichend aufgewärmt werden können. Das Fahrzeug kann gemäß der Druckschrift auch ein Brennstoffzellensystem umfassen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Planung einer Fahrzeugnutzung eines Fahrzeugs anzugeben, mit dessen Hilfe ein Energieverlust beim Abstellen eines von einem Brennstoffzellensystem mit elektrischer Antriebsenergie versorgten Fahrzeugs minimiert wird und das Fahrzeug zuverlässig bei um den Gefrierpunkt liegenden Umgebungstemperaturen gestartet werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Planung einer Fahrzeugnutzung eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
Bei einem Verfahren zur Planung einer Fahrzeugnutzung eines Fahrzeugs der eingangs genannten Art wird während der Fahrzeugnutzung wenigstens eine Fahrzeugkomponente vorkonditioniert. Erfindungsgemäß wird dabei ein Zeitpunkt, eine Zeitdauer und/oder eine Anzahl während einer Fahrzeugnutzung durchzuführender Fahrzeugstillstandzeiten so gewählt, dass wenigstens eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit einen innerhalb eines festgelegten Ladezustandbereich liegenden Ladezustand aufweist, so dass eine während der Fahrzeugstillstandzeit von einem Boil- Off-Management-System bereitgestellte elektrische Energiemenge vollständig in der Traktionsbatterie gespeichert werden oder teilweise in der Traktionsbatterie gespeichert und durch einen Drittverbraucher während der Fahrzeugstillstandzeit vollständig verbraucht wird, und eine zu Beginn der Fahrzeugstillstandzeit in der Traktionsbatterie vorrätige elektrische Energiemenge zum ausreichenden Erwärmen eines Brennstoffzellensystems des Fahrzeugs auf eine Betriebstemperatur zum Ende der Fahrzeugstillstandzeit ausreicht.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein besonders energieeffizienter und zuverlässiger Betrieb des Fahrzeugs möglich. Kommt es zu einem Boil-Off-Fall so kann sämtlicher aus einem Wasserstofftank des Fahrzeugs entnommener Wasserstoff im Brennstoffzellensystem in elektrische Energie gewandelt und in der Traktionsbatterie gespeichert oder durch einen Drittverbraucher genutzt werden. Hierdurch wird verhindert, dass Wasserstoff ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden muss. Zudem wird gewährleistet, dass am Ende einer Fahrzeugstillstandzeit ausreichend elektrische Energie in der Traktionsbatterie des Fahrzeugs vorgehalten wird, um ein zugefrorenes Brennstoffzellensystem aufzutauen und/oder auf Betriebstemperatur aufzuheizen. Dieser energieeffiziente und zuverlässige Betrieb ist möglich dank des festgelegten Ladezustandbereichs der Traktionsbatterie. So wird der Ladezustand der Traktionsbatterie gemäß dem Ladezustandbereich mit den während der Fahrzeugnutzung durchzuführenden Fahrzeugstillstandzeiten so koordiniert, dass eine ausreichende Ladereserve zur Aufnahme elektrischer Energie bzw. zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems vorrätig ist.
Mit steigender Kapazität der Traktionsbatterie nimmt auch eine Größe des Ladezustandbereichs zu. Hierdurch wird mehr Flexibilität in der Planung der Fahrzeugnutzung ermöglicht, da mehr Fahrzeugstillstandzeiten durchgeführt werden können, eine Fahrzeugstillstandzeit zudem länger dauern kann und zudem die Fahrzeugstillstandzeiten kürzer aufeinander folgend oder auch in größeren Zeitabständen durchgeführt werden können.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass zur Planung der Fahrzeugnutzung zumindest einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird:
• eine für einen aktuellen und/oder künftigen Aufenthaltsort des Fahrzeugs gültige Wettervorhersage;
• eine aktuelle und/oder künftige Fahrzeugbeladung;
• einen für wenigstens für einen Abschnitt einer mit dem Fahrzeug zu befahrenden Route geltende Verkehrsprognose; • ein aktueller und/oder künftiger Tankinnendruck eines Kryotanks des Fahrzeugs;
• eine aktuelle und/oder künftige Kryotanktemperatur;
• eine aktuelle und/oder künftige Füllmenge eines Kraftstoffgases, mit dem der Kryotank gefüllt ist; und/oder
• eine während einer Fahrzeugstillstandzeit von einem Drittverbraucher benötigte elektrische Energiemenge.
Durch das Berücksichtigen der aufgezählten Parameter lässt sich der Ladezustandbereich sowie der während einer Fahrzeugstillstandzeit vorliegende Ladezustand der Traktionsbatterie noch genauer Vorhersagen. Unter Berücksichtigung der für einen Aufenthaltsort des Fahrzeugs gültigen Wettervorhersage kann eine Umgebungstemperatur um das Fahrzeug ermittelt werden. Handelt es sich dabei um eine vergleichsweise hohe Umgebungstemperatur, so heizt sich auch der Kryotank schneller auf, was zu einem schnelleren Anstieg des Tankinnendrucks führt. Somit muss das Boil- Off-Management-System auch früher aktiviert werden, um aus dem Kryotank entnommenes Kraftstoff gas, insbesondere Wasserstoff mit dem Brennstoffzellensystem in elektrische Energie zu wandeln und diese in der Traktionsbatterie des Fahrzeugs zu speichern. Handelt es sich hingegen um eine vergleichsweise tiefe Umgebungstemperatur, so wird der Boil-Off auch zeitlich nach hinten verschoben.
Transportiert das Fahrzeug vergleichsweise viel und damit schwere Ladung, so steigt auch ein Verbrauch des Fahrzeugs. Damit nimmt der Ladestand der Traktionsbatterie des Fahrzeugs beim Befahren einer festgelegten Wegstrecke schneller ab, was dazu führt, dass auch ein unteres Ende des Ladezustandbereichs schneller erreicht wird.
Analog steigt ein Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs im Falle von Verkehrsbehinderungen wie Stau oder stockendem Verkehr.
Durch Überwachung des aktuellen und/oder künftigen Tankinnendrucks des Kryotanks lässt sich ein Zeitpunkt, an dem ein Boil-Off-Fall eintritt, und somit Kraftstoffgas aus dem Kryotank zu entnehmen ist, zuverlässiger Vorhersagen. Liegt der Tankinnendruck des Kryotanks zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit beispielsweise näher an seiner oberen Belastungsgrenze, so ist auch früher Kraftstoffgas aus dem Kryotank zu entnehmen. Ist der Tankinnendruck hingegen vergleichsweise niedrig, so verschiebt sich der Boil-Off-Fall auch nach hinten. Unter Berücksichtigung der aufgezählten Parameter können auch Fahrzeugstillstandzeiten geplant werden, bei denen kein Boil-Off-Fall stattfindet.
Da der Tankinnendruck auch von der Füllmenge mit Kraftstoffgas sowie der Kryotanktemperatur abhängt, lässt sich durch Überwachung der Kryotanktemperatur und der Füllmenge des Kryotanks der Zeitpunkt, zu dem ein Boil-Off-Fall eintritt, noch zuverlässiger bestimmen.
Ist damit zu rechnen, dass während einer Fahrzeugstillstandzeit ein Drittverbraucher mit elektrischer Energiemenge versorgt werden muss, beispielsweise ein Kranwagen, eine Müllpresse, ein Kühlaufbau, ein Betonmischer oder dergleichen, so kann vom Boil-Off- Management-System bereitgestellte elektrische Energie nicht nur in der Traktionsbatterie gespeichert sondern auch durch den Drittverbraucher verbraucht werden. Somit nimmt eine Zeitdauer, bis die Traktionsbatterie ab einem festgelegten Ladestand vollgeladen ist, im Vergleich zum Laden der Traktionsbatterie ohne den Drittverbraucher zu. Mit anderen Worten lässt sich durch gleichzeitigen Betrieb eines Drittverbrauchers eine obere Grenze des Ladezustandbereichs nach oben in Richtung einer vollgeladenen Traktionsbatterie verschieben.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Fahrzeugnutzung so geplant, dass der Ladezustand der wenigstens einen Traktionsbatterie zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit mit einer oberen oder einer unteren Grenze des Ladezustandbereichs zusammenfällt. Um zu gewährleisten, dass der Ladezustand der Traktionsbatterie zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit innerhalb des Ladezustandbereichs liegt, muss gegebenenfalls rechtzeitig vor Erreichen der Fahrzeugstillstandzeit die Betriebsweise des Fahrzeugs angepasst werden. Wird der Ladezustand dabei so eingestellt, dass er zu Beginn der Fahrzeugstillstandzeit auf einer oberen oder einer unteren Grenze des Ladezustandbereichs zum Liegen kommt, so lässt sich ein Zeitpunkt zudem die Betriebsweise des Fahrzeugs angepasst werden muss zeitlich nach hinten hinauszögern. Somit kann die Betriebsweise des Fahrzeugs während der Fahrt möglichst lange unter Berücksichtigung anderer Optimierungsparameter erfolgen.
So kann das Fahrzeug während der Fahrt besonders verbrauchsarm, kostenoptimal, lebensdaueroptimal, leistungsoptimal oder unter einem weiteren Gesichtspunkt optimal betrieben werden. Somit können mehr Freiheitsgrade in der Wahl einer Betriebsstrategie des Fahrzeugs, und damit auch des Brennstoffzellensystems des Fahrzeugs während der Fahrt genutzt werden.
Zum Anpassen der Betriebsweise des Fahrzeugs, sodass der Ladezustand der Traktionsbatterie zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit innerhalb des Ladezustandbereichs liegt wird: bei einem zu geringen Ladezustand der Traktionsbatterie eine vom Brennstoffzellensystem abgegebene Leistung erhöht und/oder in während der Fahrt auftretenden Rekuperationsphasen rückgewonnene elektrische Energie vermehrt in der Traktionsbatterie gespeichert. Ein positiver Nebeneffekt einer erhöhten Brennstoffzellensystemleistung ist eine Absenkung des Tankinnendrucks des Kryotanks; bei einem zu hohen Ladezustand die Brennstoffzellensystemleistung gedrosselt, und zum Antreiben des Fahrzeugs und/oder eines Drittverbrauchers erforderliche Energie aus der Traktionsbatterie entnommen. Zusätzlich kann eine Kühlleistung des Kryotanks erhöht bzw. eine dem Kryotank zugeführte Wärmeleistung reduziert werden, um ein zu schnelles Aufheizen des Kryotanks zu verhindern. Wird der Kryotank aktiv gekühlt, kann durch ein entsprechendes Kühlaggregat zusätzlich überschüssige elektrische Energie verbraucht werden; bei einem zu hohen Tankinnendruck die Wärmezufuhr zum Kryotank reduziert, die Kühlleistung des Kryotanks erhöht und/oder die Brennstoffzellensystemleistung erhöht; bei einem vergleichsweise hohen erwarteten elektrischen Energiebedarf eines Drittverbrauchers während einer Fahrzeugstillstandzeit ein vergleichsweiser hoher Ladezustand der Traktionsbatterie und/oder einer vergleichsweise hoher Tankinnendruck eingestellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht ferner vor, dass die Planung der Fahrzeugnutzung fahrzeugintern oder fahrzeugextern erfolgt. Zur Planung der Fahrzeugnutzung kann eine autorisierte Person, beispielsweise eine fahrzeugführende Person oder auch ein Koordinator einer Fahrzeugflotte eine entsprechende mit dem Fahrzeug durchzuführende Fahrt in eine Recheneinheit zur Auswertung eingeben. Auf der Recheneinheit kann ein zur Auswertung der Fahrt bzw. zur Planung der Fahrzeugnutzung geeignetes Programm ausgeführt werden. Bei der Recheneinheit kann es sich beispielsweise um eine fahrzeuginterne oder fahrzeugexterne Recheneinheit handeln. Bei einer fahrzeuginternen Recheneinheit kann es sich beispielsweise um einen zentralen Bordcomputer, eine Telematikeinheit, ein Steuergerät eines Fahrzeuguntersystems oder dergleichen handeln. Auch kann als fahrzeuginterne Recheneinheit ein mit dem Fahrzeug transportiertes mobiles Endgerät wie ein Laptop, Tabletcomputer, Smartphone oder dergleichen verstanden werden. Als fahrzeugexterne Recheneinheit kann beispielsweise ein Cloudserver bzw. Backend verwendet werden. Dabei werden neben einer geplanten Fahrtroute auch etwaige durchzuführende Pausen sowie Standzeiten berücksichtigt.
Hierdurch lässt sich Vorhersagen, wieviel Kraftstoff das Fahrzeug während der Fahrt verbraucht und damit welche Füllmenge der Kryotank zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit aufweist. Unter gleichzeitiger Berücksichtigung des sich dabei einstellenden Tankinnendrucks sowie der Temperatur des Kryotanks lässt sich somit ein Zeitpunkt zu dem ein Boil-Off-Fall stattfindet, besonders genau Vorhersagen. Zudem lässt sich ein Zeitpunkt zu dem die Betriebsstrategie des Fahrzeugs gewechselt wird so planen, dass der Ladestand der Traktionsbatterie zu Beginn einer entsprechenden Fahrzeugstillstandzeit besonders zuverlässig innerhalb des Ladezustandsbereichs liegt.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die fahrzeugexterne Planung der Fahrzeugnutzung von einem Dienstleistungsanbieter. Bei dem Dienstleistungsanbieter kann es sich beispielsweise um einen Fahrzeughersteller, eine Spedition, ein Bauunternehmen, eine Behörde oder dergleichen handeln. Insbesondere koordiniert der Dienstleistungsanbieter zentral eine Fahrzeugflotte. Hierbei stehen entsprechende Flottenfahrzeuge über eine drahtlose Kommunikationsverbindung, beispielsweise per Mobilfunk, WiFi, Bluetooth, NFC oder dergleichen mit einem Fahrzeugkontrollzentrum in Kommunikationsverbindung. Dabei kann eine Kommunikation zumindest abschnittsweise auch über das Internet erfolgen. Dabei können auch einzelne Abschnitte einer mit einem Fahrzeug durchzuführenden Fahrt im Fahrzeug selbst geplant und analysiert werden und andere Abschnitte fahrzeugextern vom Dienstleistungsanbieter geplant und analysiert werden.
Insbesondere kann der Dienstleistungsanbieter mit der Fahrzeugflotte gewonnene Daten auswerten, und somit eine Genauigkeit zur Vorhersage abgeschätzter Werte wie ein Kraftstoffverbrauch, ein zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit vorliegender Tankinnendruck, ein Ladezustand der Traktionsbatterie oder dergleichen verbessern.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahren sieht ferner vor, dass vor dem Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit ein Kraftstoffgas-Verbrauch gegenüber einem Normalbetriebsmodus erhöht wird und/oder eine Heizleistung zum thermischen Konditionieren des Kryotanks gegenüber dem Normalbetriebsmodus reduziert oder eine Kühlleistung zum thermischen Konditionieren des Kryotanks gegenüber dem Normalbetriebsmodus erhöht wird, um den Tankinnendruck des Kryotanks auf einen niedrigsten einstellbaren Druck einzustellen. Durch das Minimieren des Tankinnendrucks zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit wird eine Zeitdauer bis ein Boil-Off-Fall eintritt, erhöht. So lässt sich der Tankinnendruck reduzieren, indem besonders viel Kraftstoffgas aus dem Kryotank entnommen wird, und/oder der Kryotank abgekühlt wird. Das Abkühlen des Kryotanks kann durch aktives Kühlen des Kryotanks oder Reduzieren einer Heizleistung zum Beheizen des Kryotanks erfolgen. Bevorzugt wird eine Leistung des Brennstoffzellensystems vor Erreichen einer Fahrzeugstillstandzeit erhöht und die hierdurch gewonnene elektrische Energie zum aktiven Kühlen des Kryotanks genutzt. Hierdurch lässt sich der Tankinnendruck des Kryotanks besonders schnell absenken.
Bevorzugt wird eine obere und/oder untere Grenze des Ladezustandsbereichs und/oder der Zeitpunkt, die Zeitdauer und/oder die Anzahl der Fahrzeugstillstandzeiten wenigstens einmal während der Fahrzeugnutzung neu ermittelt. Während der Fahrzeugnutzung können unvorhergesehene Geschehnisse eintreffen, welche sich nachteilig auf die Planung der Fahrzeugstrategie auswirken, so dass ggf. beim Erreichen einer Fahrzeugstillstandzeit der Ladezustand der Traktionsbatterie nicht mehr innerhalb des festgelegten Ladezustandsbereichs eingehalten werden kann. Durch das Neuberechnen zumindest einer der genannten Größen kann die Fahrzeugnutzung zumindest für einen Abschnitt der Fahrzeugnutzung neu geplant werden, wodurch das Einhalten des Ladezustands der Traktionsbatterie innerhalb des festgelegten Ladezustandsbereichs wieder ermöglicht wird. Beispielsweise können hierzu Fahrzeugstillstandzeiten zeitlich nach vorne oder hinten verschoben werden, ihre Anzahl erhöht oder verringert werden, eine Dauer einer Fahrzeugstillstandzeit verkürzt oder verlängert werden und/oder auch der Ladezustandsbereich selbst angepasst werden, beispielsweise weil während einer Fahrzeugstillstandzeit von einem Drittverbraucher eine größere oder kleinere Energiemenge verbraucht wurde oder wird als vorher eingeplant. Bei einem Fahrzeug mit wenigstens einer Traktionsbatterie, einem Brennstoffzellensystem, einem Kryotank, einer elektrischen Antriebsmaschine und einer Recheneinheit sind erfindungsgemäße die Traktionsbatterie, das Brennstoffzellensystem, der Kryotank, die elektrische Antriebsmaschine und die Recheneinheit zur Durchführung eines im vorigen beschriebenen Verfahrens eingerichtet. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein beliebiges Fahrzeug wie einen PKW, LKW, Transporter, Bus oder auch eine Baumaschine wie einen Kran, Bagger, Betonmischer oder dergleichen handeln. Bei dem Brennstoffzellensystem handelt es sich insbesondere um ein PEM- Brennstoffzellensystem.
Das Fahrzeug ist bevorzugt als Nutzfahrzeug ausgeführt. Nutzfahrzeuge zeichnen sich durch vergleichsweise große Dimensionen und eine hohe transportierbare Zuladung aus. Ferner müssen Nutzfahrzeuge oftmals große Distanzen zurücklegen, was mit einem rein batterieelektrisch antreibbaren Fahrzeug nur schwer möglich ist, da somit vergleichsweise viele Ladestops eingelegt werden müssen. Somit eigenen sich Nutzfahrzeuge besonders zum vorsehen eines Brennstoffzellesystems zur Bereitstellung elektrischer Antriebsenergie. Damit ist ein erfindungsgemäßes Verfahren besonders vorteilhaft bei einem Nutzfahrzeug einsetzbar.
Weiterhin weist ein solches Fahrzeug bevorzugt eine zumindest teilautomatisierte Steuerung auf. Ganz besonders vorteilhaft ist das Fahrzeug vollautomatisiert steuerbar, was den Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer autonom gesteuerten Fahrzeugflotte ermöglicht. Somit lässt sich beispielsweise der Einsatz eines in einem Hub-to-Hub Betriebsmodus betriebenen autonomen LKW noch umweltfreundlicher und zuverlässiger planen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Fahrzeugs ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs; Fig. 2 zwei Ladezustandsdiagramme einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs; und Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 1. Bei dem Fahrzeug 1 kann es sich beispielsweise um einen PKW, LKW, Bus, eine Baumaschine oder dergleichen handeln. Das Fahrzeug 1 verfügt über wenigstens eine elektrische Antriebsmaschine 7 zum Antreiben eines Antriebsstrangs 24, wobei in der Ausführung in Figur 1 das Fahrzeug 1 zwei elektrische Antriebsmaschinen 7 aufweist. Zur Versorgung der elektrischen Antriebsmaschinen 7 mit Energie weist das Fahrzeug 1 wenigstens eine Traktionsbatterie 2 sowie ein Brennstoffzellensystem 5, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem auf. Die Traktionsbatterie 2, das Brennstoffzellensystem 5 sowie die elektrische Antriebsmaschine 7 sind an ein gemeinsames Hochvoltnetz 9 des Fahrzeugs 1 angeschlossen. Die Traktionsbatterie 2 kann im Stand des Fahrzeugs 1 über eine Ladeschnittstelle 10 Strom von einer Ladesäule 11 beziehen. Das Fahrzeug 1 kann zudem weitere Komponenten wie einen Retarder 12 und/oder einen Bremschopper 13 aufweisen.
Das Fahrzeug 1 umfasst ferner wenigstens eine Recheneinheit 8, beispielsweise einen zentralen Bordcomputer. Zur Steuerung und/oder Regelung einzelner Fahrzeugkomponenten sind die Fahrzeugkomponenten über einzelne Steuergeräte 14 über einen Datenbus 15 an die Recheneinheit 8 angeschlossen.
Ferner umfasst das Fahrzeug 1 eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 16, über die das Fahrzeug 1 Daten mit einer fahrzeugexternen Recheneinheit 17, beispielsweise einem Cloudserver austauschen kann. Beispielsweise kann das Fahrzeug 1 Steuerungsbefehle von einem Fahrzeugkontrollzentrum empfangen und/oder ein mit dem Fahrzeug 1 geplanter Einsatz kommuniziert werden.
Zur Versorgung des Brennstoffzellensystems 5 mit Kraftstoff ist das Brennstoffzellensystem 5 an einen Kryotank 6 angeschlossen. In dem Kryotank 6 wird ein Kraftstoff gas, beispielsweise Wasserstoff, bei einer vergleichsweise tiefen Temperatur und unter Druck in flüssiger Form gespeichert. Der Kryotank 6 ist gegenüber der Umgebung thermisch isoliert. Da eine solche Isolation den Kryotank 6 gegenüber der Umgebung jedoch nicht vollständig adiabat abschließen kann, heizt sich der Kryotank 6 beim Abstellen des Fahrzeugs 1 langsam auf. Dies führt dazu, dass flüssiges Kraftstoffgas mit der Zeit verdampft, wodurch der Tankinnendruck im Kryotank 6 ebenfalls langsam ansteigt. Übersteigt der Tankinnendruck einen kritischen Wert, so besteht die Gefahr, dass der Kryotank 6 berstet. Um dies zu verhindern, wird Kraftstoffgas aus dem Kryotank 6 entnommen und an die Umgebung abgelassen oder vom Brennstoffzellensystem 5 reagiert, wodurch Energie gewonnen wird.
Um zu gewährleisten, dass während einer Stillstandzeit des Fahrzeugs 1 so gewonnene Energie vollständig in der Traktionsbatterie 2 gespeichert werden kann, ist ein Ladezustand der Traktionsbatterie 2 bei Beginn einer Stillstandzeit so niedrig zu wählen, dass genug Puffer zur Aufnahme der vom Brennstoffzellensystem 5 im Stand des Fahrzeugs 1 abgegebenen elektrischen Energie in der Traktionsbatterie 2 gespeichert werden kann. Hierzu erfolgt eine Planung einer vorgesehenen Fahrzeugnutzung des Fahrzeugs 1 vor Fahrtantritt. Die Planung kann von der fahrzeuginternen Recheneinheit 8 oder auch von der fahrzeugexternen Recheneinheit 17 vorgenommen werden. Hierzu kann eine autorisierte Person entsprechende Informationen in die jeweiligen Recheneinheiten 8, 17 eingeben. Hierzu kann das Fahrzeug 1 zudem nicht dargestellte Eingabemittel wie einen Touchscreen oder dergleichen oder auch eine Schnittstelle zur Datenkommunikation mit einem mobilen Endgerät wie einem Laptop, Tabletcomputer oder Smartphone umfassen. Ein solches mobiles Endgerät kann mit dem Fahrzeug 1 kabelgebunden oder auch drahtlos, beispielsweise über WiFi, Bluetooth oder NFC kommunizieren. Ferner wird bei der Planung der Fahrzeugnutzung der Ladezustand der Traktionsbatterie 2 so eingestellt, dass am Ende einer Fahrzeugstillstandzeit noch genug elektrische Energie in der Traktionsbatterie 2 vorhanden ist, um ein Heizsystem des Brennstoffzellensystems 5 (nicht dargestellt) für eine ausreichende Zeitdauer zu betreiben, um ein eingefrorenes Brennstoffzellensystem 5 aufzutauen und/oder dieses auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen.
Ferner kann das Fahrzeug 1 wenigstens einen Drittverbraucher 4, beispielsweise einen Betonmischer, einen Kran, ein Kühlaggregat oder dergleichen aufweisen. Die Fahrzeugnutzung kann so geplant werden, dass überschüssige vom Brennstoffzellensystem 5 in einem sogenannten Boil-Off-Fall erzeugte elektrische Energie nicht nur in der Traktionsbatterie 2 gespeichert wird, sondern auch zum Betreiben des wenigstens einen Drittverbrauchers 4 genutzt wird. Dabei kann auch wenigstens eine der elektrischen Antriebsmaschinen 7 zur Gewinnung von Wellenleistung betrieben werden. Es kann auch sämtliche vom Brennstoffzellensystem 5 erzeugte elektrische Energie zum Betreiben des Drittverbrauchers 4 genutzt werden. Figur 2 zeigt zwei Ladezustandsdiagramme 18 der Traktionsbatterie 2 in einer qualitativen Darstellung. Ein oberes Ende eines Ladezustandsdiagramms 18 entspricht einer vollgeladenen Traktionsbatterie 2, angedeutet durch einen Ladezustand von 100%. Ein unteres Ende eines Ladezustandsdiagramms 18 entspricht einer erschöpften Traktionsbatterie 2, angedeutet durch einen Ladezustand von 0%.
Figur 2a) zeigt ein Ladezustandsdiagramm 18 während einer Fahrt mit dem Fahrzeug 1. Das Ladezustandsdiagramm 18 weist zwei dunkel schraffierte Bereiche 19 auf, welche eine Ladungsreserve zum Komponentenschutz darstellen. Ein heller Bereich 20 dient zur Symbolisierung eines zulässigen Bereichs in dem sich der Ladezustand der Traktionsbatterie 2 während der Fahrt bewegen darf. Der Bereich 20 ist vergleichsweise groß, wodurch vergleichsweise viele Freiheitsgrade zum Anpassen einer Betriebsstrategie des Fahrzeugs 1 an verschiedene Betriebssituationen unter Berücksichtigung verschiedener Optimierungsziele gegeben sind. Beispielsweise kann während der Fahrt das Fahrzeug 1 besonders verbrauchsoptimal, kostenoptimal, lebensdauerschonend oder dergleichen betrieben werden.
Figur 2b) zeigt ein weiteres Ladezustandsdiagramm 18 zur Symbolisierung eines zulässigen Ladezustandsbereichs 3 während einer Fahrzeugstillstandzeit. Dabei wird eine auf dem in Figur 2b) gezeigten Ladezustandsdiagramm 18 basierende Betriebsstrategie des Fahrzeugs 1 zur Gewährleistung des Einhaltens des Ladezustands der Traktionsbatterie 2 zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit innerhalb des Ladezustandsbereichs 3 bereits kurz vor Erreichen einer Fahrzeugstillstandzeit gefahren. Der zulässige Ladezustandsbereich 3 ist gegenüber einer Reserve für Heizvorgänge 21 durch eine untere Grenze 3.U und gegenüber einer Reserve zur Speicherung überschüssiger elektrischer Energie 22 durch eine obere Grenze 3.0 abgegrenzt.
Idealerweise wird das Fahrzeug 1 so spät wie möglich vor Erreichen einer Fahrzeugstillstandzeit gemäß der auf dem in Figur 2b) gezeigten Ladezustandsdiagramm 18 basierenden Betriebsstrategie betrieben. Dies führt dazu, dass der Ladezustand der Traktionsbatterie 2 zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit mit der oberen oder unteren Grenze 3.O, 3.U zusammenfällt. Dies erlaubt einen möglichst langen Betrieb des Fahrzeugs 1 gemäß einer auf dem in Figur 2a) gezeigten Ladezustandsdiagramm 18 basierenden Betriebsstrategie. Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem Verfahrensschritt 301 wird eine mit dem Fahrzeug 1 durchzuführende Fahrt inklusive dazugehöriger erwarteter Fahrzeugstillstandzeiten ermittelt. Als Eingangsgröße werden hierzu Planungsdaten 310 verwendet. Zu den Planungsdaten 310 zählen beispielsweise eine mit dem Fahrzeug 1 zu befahrende Fahrtroute, ein Startzeitpunkt, ein Ankunftszeitpunkt, eine Anzahl planmäßiger Fahrzeugstillstandzeiten sowie ihre Dauer oder dergleichen.
In einem sich hieran anschließenden Verfahrensschritt 302 werden die obere und die untere Grenz 3.O, 3.U des Ladezustandsbereichs 3 festgelegt, um den zulässigen Ladezustandsbereich 3 zu definieren. Analog wird ein Zeitpunkt und/oder Ort festgelegt, an dem vor dem Erreichen einer jeweiligen Fahrzeugstillstandzeit der Betriebsmodus des Fahrzeugs 1 angepasst werden muss, um den Ladezustand der Traktionsbatterie 2 in den Ladezustandsbereich 3 zu überführen. Als Eingangsgröße werden hierbei Prognosedaten 320 verwendet. Zu den Prognosedaten 320 zählen beispielsweise ein aktueller Tankinhalt des Kyotanks 6, ein Ladezustand der Traktionsbatterie 2, eine Beladung des Fahrzeugs 1 , ein Wetterbericht, Verkehrsprognosedaten oder dergleichen.
Im Verfahrensschritt 303 wird geprüft, ob der Zeitpunkt bzw. der Ort erreicht wurde, an dem das Fahrzeug 1 des Betriebsmodus so anpasst, dass der Ladezustand der Traktionsbatterie 2 zum Erreichen der nächsten Fahrzeugstillstandzeit dem Ladezustandsbereich 3 entspricht. Ist dies der Fall, erfolgen im Verfahrensschritt 304 die Einregelung der genannten Zielwerte bis zum Stand des Fahrzeugs 1. Ist dies hingegen nicht der Fall, werden ggf. durch das erneute Durchführen des Verfahrensschritts 302 einzelne Zielwerte erneut berechnet. Im Verfahrensschritt 305 werden im Falle eines Boil- Offs angemessene Maßnahmen getroffen, wie das Aktivieren des Brennstoffzellensystems 5, das Zuschalten eines Drittverbrauchers 4, eine Vorheizung des Brennstoffzellensystems 5, ein Temperieren des Kryotanks 6 oder dergleichen. Gemäß eines dargestellten Pfeils 23 können für die Verfahrensschritte 304 und 305 festgelegte Strategien bzw. Zielwerte durch das erneute Durchführen des Verfahrensschritts 302 angepasst werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich verhindern, dass während einer Fahrzeugstillstandzeit Kraftstoffgas ungenutzt verschwendet wird, um den Tankinnendruck des Kryotanks 6 innerhalb zulässiger Grenzen zu halten. Außerdem wird eine Zuverlässigkeit einer Einsatzbereitschaft des Fahrzeugs 1 verbessert. So lässt sich gewährleisten, dass bei einem abgestellten Fahrzeug 1 ausreichend Batteriekapazität am Ende einer Fahrzeugstillstandzeit vorhanden ist, um ein zugefrorenes Brennstoffzellensystem 5 aufzutauen und/oder auf Betriebstemperatur aufzuheizen.

Claims

Daimler T ruck AG Riege04.08.2022 Patentansprüche
1. Verfahren zur Planung einer Fahrzeugnutzung eines Fahrzeugs (1), wobei während der Fahrzeugnutzung wenigstens eine Fahrzeugkomponente vorkonditioniert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitpunkt, eine Zeitdauer und/oder eine Anzahl während einer Fahrzeugnutzung durchzuführender Fahrzeugstillstandzeiten so gewählt wird, dass wenigstens eine Traktionsbatterie (2) des Fahrzeugs (1) zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit einen innerhalb eines festgelegten Ladezustandbereich (3) liegenden Ladezustand aufweist, sodass eine während der Fahrzeugstillstandzeit von einem Boil-Off- Management-System bereitgestellte elektrische Energiemenge vollständig in der Traktionsbatterie (2) gespeichert werden oder teilweise in der Traktionsbatterie (2) gespeichert und durch einen Drittverbraucher (4) während der Fahrzeugstillstandzeit vollständig verbraucht wird, und eine zu Beginn der Fahrzeugstillstandzeit in der Traktionsbatterie (2) vorrätige elektrische Energiemenge zum ausreichenden Erwärmen eines Brennstoffzellensystems (5) des Fahrzeugs (1) auf eine Betriebstemperatur zum Ende der Fahrzeugstillstandzeit ausreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Planung der Fahrzeugnutzung zumindest einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird:
- eine für einen aktuellen und/oder künftigen Aufenthaltsort des Fahrzeugs (1) gültige Wettervorhersage;
- eine aktuelle und/oder künftige Fahrzeugbeladung; - eine für wenigstens einen Abschnitt einer mit dem Fahrzeug (1) zu befahrenden Route geltende Verkehrsprognose;
- ein aktueller und/oder ein künftiger Tankinnendruck eines Kryotanks (6) des Fahrzeugs (1);
- eine aktuelle und/oder eine künftige Kryotanktemperatur;
- eine aktuelle und/oder eine künftige Füllmenge eines Kraftstoff-Gases, mit dem der Kryotank (6) befüllt ist; und/oder
- eine während einer Fahrzeugstillstandzeit von einem Drittverbraucher (4) benötigte elektrische Energiemenge. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugnutzung so geplant wird, dass der Ladezustand der wenigstens einen Traktionsbatterie (2) zu Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit mit einer oberen (3.0) oder unteren Grenze (3.U) des Ladezustandbereichs (3) zusammenfällt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Planung der Fahrzeugnutzung fahrzeugintern oder fahrzeugextern erfolgt. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugexterne Planung der Fahrzeugnutzung von einem Dienstleistungsanbieter erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Beginn einer Fahrzeugstillstandzeit ein Kraftstoff-Gas-Verbrauch gegenüber einem Normalbetriebsmodus erhöht wird und/oder eine Heizleistung zum thermischen Konditionieren des Kryotanks (6) gegenüber dem Normalbetriebsmodus reduziert oder eine Kühlleistung zum thermischen Konditionieren des Kryotanks (6) gegenüber dem Normalbetriebsmodus erhöht wird, um den Tankinnendruck des Kryotanks (6) auf einen niedrigsten einstellbaren Druck einzustellen. 18 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine obere (3.0) und/oder untere Grenze (3.U) des Ladezustandsbereichs (3) und/oder der Zeitpunkt, die Zeitdauer und/oder die Anzahl der Fahrzeugstillstandzeiten wenigstens einmal während der Fahrzeugnutzung neu ermittelt wird. Fahrzeug (1) mit wenigstens einer Traktionsbatterie (2), einem Brennstoffzellensystem (5), einem Kryotank (6), einer elektrischen Antriebsmaschine (7) und einer Recheneinheit (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionsbatterie (2), das Brennstoffzellensystem (5), der Kryotank (6), die elektrische Antriebsmaschine (7) und die Recheneinheit (8) dazu eingerichtet sind ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen. Fahrzeug (1) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Ausführung als Nutzfahrzeug. Fahrzeug (1) nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine zumindest teilautomatisierte Steuerung.
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