DE19816777A1

DE19816777A1 - Energiemanagement für Mehrsystemantriebe

Info

Publication number: DE19816777A1
Application number: DE19816777A
Authority: DE
Inventors: Matthias Viehmann
Original assignee: IMG INST fur MASCHINEN ANTRIE
Current assignee: BRUNEL IMG GMBH, 99734 NORDHAUSEN, DE
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 1998-04-16
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: DE19816777C2

Description

Ein Mehrsystemantrieb besteht mindestens aus zwei verschiedenen Energiequellen zur Erzeugung der Antriebsenergie, die sich in ihrer Antriebsaufgabe ergänzen (Hybrid). Da es sich hierbei überwiegend um die Kombination eines Brennstoffmotors mit einer Elektromaschine handelt, wobei letztere als E-Motor und als E-Generator dienen kann, ergeben sich unterschiedliche Energieflußrichtungen. Kommt ein Akkumulator zur Bereitstellung und Speicherung der elektrischen Energie hinzu, ändern sich auch die Funktionen Energiesenke und Energiequelle einzelner Komponenten. Für die Betrachtung der Richtung der elektrischen Energie ist der Akkumulator im Motorbetrieb der E-Maschine Energiequelle mit dem E-Motor als Energiesenke. Im Generatorbetrieb kehren sich die Funktionen um.

Ein umfangreicher Mehrsystemantrieb besitzt jedoch noch weitere Komponenten, die in ihrer Gesamtheit in der Figur zu sehen sind. Es handelt sich dabei um: Traktionsakku (7), Rotationsspeicher (8) in Form eines Kreisels oder Schwungrades, Traktionskondensator (9), Thermogenerator (10), Solargenerator (11), E-Tankstelle (12), Brennstoffmotor (13), E- Motor/Generator (14), Verbraucher (15) mit Sensorik, Audio, Beleuchtung usw. sowie Pufferakku (16).

Nach der Betrachtung des dargestellten Mehrsystemantriebes ist einsehbar, daß ein multifaktorielles Zusammenwirken aller Komponenten notwendig ist Unabdingbar für die optimale Ausnutzung der Energie ist ein Energiemanagement, welches Zugriff hat auf jede Systemkomponente. Auf Grund der Tatsache, daß neben den heute bereits vorhandenen mittelfristig weitere Systemkomponenten zur Verfügung stehen werden, die als Energiequelle und Energiesenke arbeiten können, ist die Zusammenfassung über ein Energiemanagement zwingend notwendig.

Mit dem in das in der Figur integrierte Energiemanagement wird diese Aufgabenstellung erfüllt.

Der Vorteil des dargestellten Energiemanagements gegenüber sternförmigen Strukturen ist die module Strukturierung und damit Austauschbarkeit und Universalität. Die Bestandteile des Energiemanagementes sind: Energy Bus EB 1 (1), Energy Bus EB 2 (2), Energy Interfaces EI 1-EI 4 (3), Control Bus CB (4), Local Control LC (5), Zentralrechner (6) sowie Verbraucher (15) mit der Sensorik.

Der Energy Bus 1 (1) verbindet alle Energy Interfaces EB 1-EB 4 (3) und dient als Transportbus für höhere Energien in beide Richtungen. Er bildet die Spannungsebene 1 mit einem höheren Spannungswert, was die Stromverluste und Leitungsquerschnitte reduziert. Als Spannungsform bietet sich Gleichspannung an, da diese bereits bei den meisten Systemkomponenten vorliegt und bei ihr keine Synchronisation der einzelnen Spannungen für ihre Zusammenfassung auf einem Bus nötig ist.

Der Energy Bus 2 (2) bildet die Spannungsebene 2, die von ihrem Wert unter dem der Spannungsebene 1 liegt. Die Spannungsanpassung sowie Festlegung der Energieflußrichtung zwischen Energy Bus EB 1 (1) und Energy Bus EB 2 (2) übernimmt Energy Interface EI 3 (3).

Die Energy Interfaces EB 1 (3) können bidirektional mit Systemkomponenten zusammenarbeiten. Die Energy Interfaces EB 2 (3) arbeiten nur in eine Richtung mit dem Thermogenerator (10) und dem Solargenerator (11). Energy Interface EB 4 (3) adaptiert die E-Tankstelle (12) an das System, wobei unterschiedliche Tankspannungen an die Spannungsebene 1 angepaßt werden können.

Der Zentralrechner (6) ist mit allen Systemkomponenten verbunden. Er erhält z. B. über die Local Controls (5) bzw. die Sensorik (15) Informationen über momentane Energiezustände der Komponenten. Je nach Energiebedarf des Fahrzeuges entscheidet der Zentralrechner (6) dann, welche Komponenten zur Energiebereitstellung herangezogen werden, welche also Energiequellen werden. Für den Fall der Energierückspeisung durch den E-Generator (14) wählt er die Komponenten aus, die als Energiesenken geschaltet und damit geladen werden. Thermogenerator (10) und Solargenerator (11) als ständige Energiequellen, vorausgesetzt ihre Funktionsbedingungen sind vorhanden, können zum Fahrzeugantrieb und zum Aufladen verwendet werden.

Ein Expertensystem erhält alle im System verfügbaren Daten der Sensorik (15), die mit der Energie in Verbindung stehen. Auf der Basis eines schnellen Control Bus CB (4), über den alle Daten durch den Zentralrechner (6) eingelesen und auch wieder ausgegeben werden, beeinflußt das Expertensystem den Energiefluß auf optimale Weise.

Das Energiemanagement erfüllt mehrere Aufgaben. Es übernimmt die ständige Ermittlung der Energiezustände bzw. des Energiebedarfs der einzelnen Komponenten und die Ermittlung der Komponenten, die als nächste belastet werden können oder aufgeladen werden müssen. Das Energiemanagement muß also festlegen, welche Komponente Energiequelle bzw. Energiesenke wird und damit die Energieflußrichtung festlegen. Das Energiemanagement hat die Spannungsanpassung der einzelnen Komponenten untereinander zu übernehmen. Es hat nichtbenötigte oder nichteinsatzbereite Komponenten vom System zu trennen, wenn zu dem entsprechenden Zeitpunkt keine Regenerationsmöglichkeit für diese besteht. Das Energiemanagement hat Überlastungen, Stromspitzen und transiente Überspannungen im System zu vermeiden. Es hat sicherzustellen, daß neben dem Fahrbetrieb auch solche Betriebszustände wie Anlassen, Ladung über E-Tankstelle (12) oder Crash-Sicherheits- Trennung realisiert werden können. Es ist so auszulegen, daß die Anzahl der Komponenten variabel ist, so daß in den Mehrsystemantrieb Komponenten hinzugefügt oder entfernt werden können. Es hat den Einsatz für unterschiedliche Leistungsklassen des Antriebes zu realisieren.

Aus der klaren Struktur des Energiemanagementes sind die Aufgaben der Komponenten überschaubar. Zu erkennen ist eine leichte Anpaßbarkeit für unterschiedliche Einsatzzwecke. Vorstellbar ist die Modulform der Software, die zuläßt, Systemkomponenten mit den dazugehörigen Energy Interfaces (3) bei Bedarf zu ergänzen. Somit wird auch eine große Einsatzbreite ermöglicht.

Auch Energieversorgungsstationen sind mit diesem Management denkbar. So lassen sich z. B. Windgeneratoren über ein Energy Interface EI 1 (3) einkoppeln, die neben Thermogenerator (10) und Solargenerator (11) auf einen gemeinsamen Energy Bus EB 1 (1) arbeiten und durch Speicherelemente bei Lastspitzen unterstützt werden.

Bezugszeichenliste

1

Energy Bus EB

1

2

Energy Bus EB

2

3

Energy Interfaces EI 1-EI

4

Control Bus CB

5

Local Control LC

6

Zentralrechner

7

Traktionsakku

8

Rotationsspeicher

9

Traktionskondensator

10

Thermogenerator

11

Solargenerator

12

E-Tankstelle

13

Brennstoffmotor

14

E-Motor/Generator

15

Verbraucher

16

Pufferakku

Claims

1. Energiemanagement zur optimalen Beeinflussung des Energieflusses eines Mehrsystemantriebes mit den Komponenten Traktionsakku (7), Rotationsspeicher (8) insbesondere in Form eines Kreisels oder Schwungrades, Traktionskondensator (9), Thermogenerator (10), Solargenerator (11), E-Tankstelle (12), Brennstoffmotor (13), E- Motor/Generator (14), Verbraucher (15) insbesondere mit Sensorik, Audio, Beleuchtung sowie einem Pufferakku (16), dadurch gekennzeichnet, daß es aus Energy Bus EB 1 (1), Energy Bus EB 2 (2), Energy Interfaces EI 1-EI 4 (3), Control Bus CB (4), Local Control LC (5), Zentralrechner (6) sowie Verbraucher (15) mit der Sensorik besteht und durch ein Expertensystem ergänzt wird, wobei der Energy Bus EB 1 (1) als Spannungsebene 1 mit hoher Spannung bidirektional die Hochenergiekomponenten des Mehrsystemantriebes energetisch verbindet, und der Energy Bus EB 2 (2) als Spannungsebene 2 mit niedriger Spannung bidirektional die Niedrigenergiekomponenten verbindet, und Energy Bus EB 1 (1) mit Energy Bus EB 2 (2) durch ein Energy Interface EI 3 (3) verbunden ist, wobei die an Energy Bus EB 1 (1) angeschlossenen und einzeln ab- und zuschaltbaren Energy Interfaces EI 1-EI 4 (3) die Energieflußrichtungen festlegen, als Trenner arbeiten, Spannungsanpassung zwischen den Komponenten des Mehrsystemantriebes und dem Energy Bus EB 1 (1) durchführen, eine Stromdosierung vornehmen und transiente Überspannungen im System vermeiden, wobei alle Komponenten ein Local Control LC (5) zur Vermeidung von Überlastung und zur Erfassung des Energiezustandes besitzen, so daß Energy Interfaces EI 1-EI 4 (3), Local Control LC (5) sowie Verbraucher (15) mit der Sensorik über den Control Bus CB (4) mit dem Zentralrechner (6) und Expertensystem verbunden sind, und der Mehrsystemantrieb durch Erweiterung mit Energy Interfaces EI 1-EB 4 (3) mit Komponenten auf einfache Art und Weise ergänzt werden kann.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Local Control (5) ein Software-System Energy Control EC enthält, welches die Ermittlung des momentanen Energiegehaltes einer Komponente über die Erfassung der Spannung, des Stromes vektoriell, der Zeit und der Eigenverlust-Kennlinie der Komponente durchführt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Control Bus CB (4) mit Lichtleitkabel realisiert ist und/oder mit dem Energy Bus EB 1 (1) und dem Energy Bus EB 2 (2) über ein Modulationsverfahren kombiniert ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, Anspruch 2 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiemanagement in Energieversorgungsanlagen, bestehend aus Traktionsakku (7), Rotationsspeicher (8), Traktionskondensator (9), Thermogenerator (10), Solargenerator (11) und Windkraftanlagen zum Einsatz kommt.