車載電路組件和用於使可利用燃料電池電驅動的交通工具的車載電路運行的方法與流程

2023-06-07 10:14:21

本發明涉及一種獨立供電網絡組件、以下「車載電路組件」，以及一種用於使可電驅動的交通工具的獨立供電網絡組件、以下稱為「車載電路」運行的方法。尤其地，本發明涉及一種當在獨立供電網絡/車載電路中存在動態功率消耗器時的功率管理方案。

背景技術：

目前，私人交通車輛的電氣化飛速發展。利用電能供給車輛和其它交通工具的方案以使用燃料電池為基礎。例如藉助於電驅動的渦輪壓縮機、壓縮器或鼓風機為燃料電池供給新鮮空氣並且由此供給氧氣。如果需要高的燃料電池功率輸出，必須確立高的渦輪壓縮機轉速，這例如在使用在車載電路中(例如在電池中)電化學地儲存的能量實現。於是，對於動態過程，為動態部件(例如渦輪壓縮機)準備確定的功率有效性。由此，這一部分不可用於車輛的電動行駛或加速，而駕駛員察覺不到扭矩損失。

文獻DE 10 2007 036 665 A1公開了一種用於根據情況匹配電的車載電路的功率有效性的方法，在其中，通過適配車載電路的最小電壓，根據實際需要的電功率預定由車載電路為車載電路的電子機械的消耗器提供的功率。為了保證車載電路運行，考慮消耗器可轉化的最大功率的最壞情況，並且相應地調整車載電路電壓。對於突變式增加的功率水平，提出概率考慮，以減小車載電路的過載概率。

文獻DE 198 10 467 C1公開了一種用於燃料電池車輛的混合動力驅動方案，在其中，設置兩個獨立的、設有開關裝置的電流迴路以用於選擇性地使電動車馬達或電的附加消耗器與燃料電池或蓄能器相連接。根據開關狀態，可相應於車輛運行狀態連接附加消耗器、蓄能器和燃料電池。

文獻DE 101 60 480 A1公開了一種用於協調地控制在機動車中的機械、電和熱功率流的方法和裝置。在此，通過質量標準描述電功率儲備的不同形式並且以此為基礎確定用於機動車的理論運行狀態。

存在對用於管理在車載電路中的功率儲備的更好的方法的需求。

技術實現要素：

根據本發明，以上確定的目的通過具有根據權利要求1的特徵的方法，並且通過具有根據權利要求12的特徵的車載電路組件實現。該方法用於使可電驅動的交通工具的車載電路運行，該交通工具例如具有燃料電池作為蓄能器。在第一步驟中，測定具有動態功率消耗特性的部件(例如消耗器)的當前電功率消耗。尤其地對於燃料電池的渦輪壓縮機給出這種類型的動態的功率消耗特性。高的轉速和加速以及在此待加速的質量與渦輪壓縮機的輸出功率相結合也用於在電的車載電路中的高動態過程。在第二步驟中，通過使在時間上的功率消耗特性平整，提供用於部件的功率消耗特性的基礎值。換句話說，通過部件的功率消耗特性的平整提供基礎值函數(「隨時間變化的基礎值」)。緊接著，通過將靜態的功率偏量加到之前測定的基礎值上，定義用於部件的功率儲備。以這種方式，通過基礎值反映對於靜態運行情況的渦輪壓縮機的功率消耗，並且通過功率偏量在電的車載電路上考慮和預留用於渦輪壓縮機的動態過程的功率消耗。

緊接著，限制可供交通工具的牽引機使用的車載電路功率以用於提供已定義的功率儲備。例如，可如此操控交通工具的牽引機，即，其功率消耗不使可供部件使用的車載電路功率下降到已定義的功率儲備之下。可供使用的車載電路功率例如基本上可通過電化學的蓄能器提供，該蓄能器可基本上立即為部件提供所需的電功率。例如，傳統的電池具有相應的端子特性。根據本發明，例如實現起動渦輪壓縮機以用於使燃料電池運行，而在此不會由於可供使用的電功率過小得到延遲。這改善了例如藉助於燃料電池驅動的交通工具的動態特性。

從屬權利要求顯示了本發明的優選的改進方案。

優選地，在第二時刻可識別，部件的當前的電功率消耗大於功率儲備。作為對其的響應，可將功率儲備至少提高到這樣的值上，即，該值相應於在第二時刻的部件的當前電功率消耗。例如，為此可限制交通工具的電驅動的牽引機的電功率消耗。也可根據其它電消耗器的運行狀態，減小或停止其電功率消耗以提高功率儲備。

為了避免功率儲備過低，可在這樣的點處修正基礎值，即，在該點處在第二時刻部件的當前電功率消耗大於或已經大於功率儲備。以這種方式，可為將來提供修正的基礎值，該基礎值與靜態的功率偏量相結合被定義成以後的功率儲備。以這種方式，可更靠地保證用於使部件運行所需的車載電路的電的功率有效性。

更為優選地，該方法可包括識別部件的靜態的運行狀態，其中，該運行狀態的特徵尤其是部件系統的最大運行點(例如最大轉速或燃料電池的功率輸出，一般小於最大電功率消耗)。換句話說，「尋找」這樣的運行點，即，在其中，不出現其它需要比部件的當前功率消耗更高的電功率的動態過程。作為對靜態的運行狀態識別的響應，可減小用於部件的功率儲備。這例如可通過減小靜態偏量和/或基礎值實現。尤其地在用於燃料電池的渦輪壓縮機的最大轉速時達到部件的靜態運行狀態，因為在該時刻需要附加能量的加速過程已經消退。這種運行狀態尤其地與相關聯的燃料電池的最大電輸出功率相關，從而不能實現進一步提高所需的功率。例如在交通工具的持續的加速狀態的情況中，可使用通過減小功率儲備釋放的功率用於交通工具的電驅動。以這種方式，與根據現有技術實現的相比，可更靈敏地設計交通工具的行駛特性。

例如可在時間上逐步地進行在部件的靜態運行狀態中的功率儲備的減小。例如，可在預定的時刻/時間間隔實現初始預留的功率儲備的不同的(減小的)百分比。備選地或附加地，可從識別出靜態運行狀態開始在預定的持續時間之後實現功率儲備的減小。此外，可連續地進行功率儲備的減小，以便例如為交通工具的牽引機釋放的功率不可導致駕駛員可察覺到的驅動力矩波動。

部件例如可為空調壓縮機、渦輪壓縮機、螺旋式壓縮機、液壓機組、(電)加熱裝置、電動機、功率電子設備或增壓裝置。上述示例表示這樣的車載電路消耗器，即，其可相對動態地發揮、確切地說取用偶爾的顯著的功率。在此，根據本發明的方法可在不損失舒適性的情況下實現這些部件的可靠運行。

在平整在時間上的功率消耗特性以建立基礎值/基礎函數的情況中，可減小側面斜度。尤其優選地，可以與下降的側面不同地來平整上升的側面。例如，如果更弱地平整具有正的梯度的區段以便尤其好地塑造功率消耗特性、確切地說從中測定的基礎值的特別的動態上升，則可較弱地平整具有負的梯度的區段，以在功率消耗下降的情況中，在車載電路上的明顯劇烈變化的過程消退之前，首先準備更高的功率儲備。根據本發明，也可以使用其它濾波或「平整變型方案」。

根據本發明提出的功率儲備的定義例如可在車載電路的第一運行狀態中進行，並且應用在與第一運行狀態相似或相同的第二運行狀態中。例如，為此可使用測量數據，單個消耗器的功率消耗和功率消耗特性曲線和/或對在車載電路上預期的過程的了解。如果與在數據儲存器中保存的、根據本發明已經為其測定了功率儲備的第一運行狀態相比，得到當前運行狀態是相似的或相同的，則可在出現相應的功率情況之前已經使緩衝量與其相匹配，以便在不損失舒適性的情況下實現電子動態的部件的可靠運行。

根據本發明的第二方面，提出一種用於可電驅動的交通工具的車載電路組件。車載電路組件包括至少一個具有動態功率消耗特性的部件(例如交通工具的燃料電池的渦輪壓縮機)、至少一個用於供給車載電路的電能量源或能量轉換器(例如牽引電池/起動機電池、燃料電池)、至少一個能量消耗器(例如牽引馬達)、處理單元(例如包括微控制器的電控制器)和用於檢測在車載電路上或在其部件中的電過程的檢測單元。檢測單元也可實施成電控制器並且例如可與處理單元一起實施成一個空間單元。通過以上所述的硬體，車載電路組件設定成，用於實施根據第一所述的發明方面的方法。特徵、特徵組合和從中得到的優點相應於結合根據本發明的方法所實施的而明顯的是，為了避免重複參考以上實施方案。

根據本發明的第三方面，提出一種可電驅動的交通工具(例如車輛、優選地乘用車、運輸機或載重貨車)，其包括根據第二所述的發明方面的車載電路組件。尤其地對於交通工具包括作為牽引能量源的燃料電池和用於支持車載電路的電化學的蓄能器的情況，根據本發明可保證用於使燃料電池運行的渦輪壓縮機的功率有效性並且提高交通工具的靈敏性。

附圖說明

接下來參考附圖詳細描述本發明的實施例。其中：

圖1顯示了根據本發明的實施例的車載電路組件的原理圖；

圖2顯示了圖解說明根據本發明的車載電路組件的實施例的運行方式的轉速-時間圖和功率時間圖；

圖3顯示了圖解說明在根據現有技術的可電驅動的交通工具的示例中的功率流的功率分支圖；

圖4顯示了圖解說明在根據本發明的可電驅動的交通工具的實施例中的功率流的功率分支圖；

圖5和6顯示了圖解說明在瞬時功率、基礎值、靜態偏量和匹配的基礎值之間的關係的功率-時間圖；

圖7顯示了圖解說明平整過程的功率-時間圖；以及

圖8顯示了圖解說明根據本發明的方法的實施例的步驟的流程圖。

具體實施方式

圖1顯示了車載電路組件10的示意圖，通過作為電化學的蓄能器的電池3和燃料電池1以電能供給車載電路10。通過電導線4使牽引機5、加熱裝置6和空調設備7與燃料電池1和起動機電池3電連接。為了使燃料電池1運行，設置電的渦輪壓縮機2作為具有動態功率消耗特性的部件。渦輪壓縮機2同樣通過電導線4供電。

圖2根據功率-時間圖顯示了燃料電池的功率輸出增加的狀態，其中，在時間t上描繪了用於燃料電池的渦輪壓縮機的增加的轉速n(以百分比)。附加地，在時間t上描繪了用於渦輪壓縮機的電功率消耗PTV(以百分比)。由於在渦輪壓縮機的轉速提高的情況中消退的動態過程，功率消耗PTV在達到最大電功率消耗PTV max之後又下降，儘管絕對轉速nTV首先還是繼續緩慢增加。

根據現有技術，通過預留最大功率消耗PTV max已經保證了渦輪壓縮機的運行準備。然而，僅僅在有限的時間段中出現該最大功率消耗。而在整個時間周期上儲備功率提前量PRes,SdT。出於該原因，根據本發明動態地適配功率提前量PRes，從而保證，在任意時刻都可充分地提供功率儲備。通過與現有技術相比更少地儲備的功率提前量(PRes,SdT＞PRes)這導致牽引驅動部的功率潛力Ptrak,zus提高。由於在達到最大電功率消耗PTV max之後如示出的那樣預期到更小的功率消耗PTV，根據本發明此外進行功率儲備PRes的逐漸減小。在達到最大功率PTV並且識別出(局部)靜態的運行點之後，維持功率儲備PRes經預定的持續時間td且緊接著才使其減小，以便為牽引機提供附加的功率Ptrak,zus。功率儲備PRes表示在為渦輪壓縮機提供的緩衝功率PP和實際上由渦輪壓縮機消耗的功率PTV之間的差。由此，在最大功率消耗PTV max和功率PP之間，得到根據本發明活動的功率儲備Ptrak,zus，其例如可供交通工具的牽引機使用。結果，尤其地在其中可預期其電功率消耗不再提高的電部件的運行狀態中，保證交通工具的提高的敏捷性。換句話說，可有利地影響全負載狀態(快速加速或在尤其高的速度下行駛)。

圖3顯示了在車載電路中可供使用的功率PB的功率流，其大部分Ptrakt被輸送給交通工具的牽引機5。如在現有技術中通常的那樣，儲備固定的份額PTV max供渦輪壓縮機2使用。如果渦輪壓縮機2不消耗全部功率PTV max，而是僅僅消耗部分的當前功率PTV，不用功率儲備PRes。根據現有技術，其不能用於牽引機5。

圖4顯示了在所有局部的動態過程(應意味著，所有為此重要的動態過程)消退之後在車載電路中可供使用的功率PB的相對於圖3根據本發明改進的功率流，其中，由渦輪壓縮機2消耗的電功率PTV相對圖3不變。然而根據本發明，功率儲備PRes明顯損失更小，因為可為牽引機5提供附加的功率Ptrakt,zus。相應地，可更好地完成加速過程和其它高的負載狀態。

圖5圖解說明了在建立根據本發明的功率儲備Pp1的情況中的根據本發明的過程。在此，平整在時間上的渦輪壓縮機的當前功率消耗PTV，其中，所產生的基礎值函數Pbas1或所產生的基礎值尤其地跟隨功率PTV的「基礎線」。在該基礎值函數Pbas1上加上在時間上基本上恆定的偏量Poff。結果作為Pp1給出。可看出，在區域8,9中渦輪壓縮機的功率需求PTV大於準備的緩衝量Pp1。

圖6顯示了用於避免在圖5中圖解說明的問題的根據本發明的措施。在此，在區域8,9中使基礎值Pbas1相應於在功率PTV與功率提前量Pp1之間的差來提升。結果作為Pbas2示出。如果使修改的基礎值Pbas2以從圖5中已知的靜態偏量Poff提高到修改的準備的功率Pp2，可無延遲地從車載電路中提供渦輪壓縮機的功率PTV的所有範圍，而為此不必事先減小其它消耗器的功率消耗。

圖7顯示了用於減小為渦輪壓縮機儲備的功率Pp.的可能性。相對於在現有技術中準備的渦輪壓縮機的最大功率消耗PTV max，得到根據本發明更大的釋放的功率Ptrak,zus。

圖8顯示了根據本發明的實施例的方法的步驟。在步驟100中，測定在第一時刻的渦輪壓縮機的功率消耗特性。這例如可通過在已知車載電路電壓/獨立供電網絡電壓時測量通過渦輪壓縮機的電流來進行。在步驟200中，檢查，渦輪壓縮機的功率的功率梯度是否小於0。如果是這種情況(Y)，則在步驟300中通過具有時間常數t1的濾波器平整渦輪壓縮機的功率，以建立或修正基礎值。如果功率梯度不小於0(N)，則在步驟400中使用具有時間常數t2的濾波器用於平整渦輪壓縮機的功率。在該實施例中，t1＜t2。緊接著在步驟500中檢查，渦輪壓縮機消耗的電功率是否是靜態的。如果是這樣的情況(Y)，則在步驟600中減小功率儲備PRes並且調度車載電路功率用於另外的消耗器(例如牽引機)。然而，如果功率不是靜態的(N)，則在步驟700中將功率提前量PRes提高到之前定義的最大值(或者額定值或默認值)並且如有必要為此減小在車載電路中其它消耗器的功率消耗。緊接著在步驟800中，相應地確定緩衝量。例如，將之前在步驟600或700中測定的靜態的偏量加到在步驟300和400中測定的基礎值上，以定義在時間上的功率提前量。

在步驟900中檢查，渦輪壓縮機的當前功率消耗是否大於為渦輪增壓機儲備的電功率。換句話說，檢查，渦輪增壓機的理論輸出功率所需的電功率是否被提供到其端子處。如果不是這種情況，則在步驟1000中修正在步驟800中確定的功率提前量。

在此，在功率儲備不充分的時刻可如此提高在步驟300或400中確定的基礎值，即，從渦輪壓縮機的功率值中減小靜態的偏量得到該基礎值。換句話說，使功率提前量自動地提高到相應於渦輪壓縮機的當前電功率消耗的值上。相反地如果在步驟900中測定，預留的功率等於或大於渦輪壓縮機的當前功率需求，則在步驟1100中結束方法。

為了考慮用於使燃料電池運行的渦輪壓縮機的動態性能，設置緩衝量。就此而言，發明者確定，雖然靜態的緩衝量可有助於可靠地供給渦輪壓縮機的功率需求。然而，在另一方面也已經已知，如此設計的車載電路落後於理論的可能性(例如相對於車輛的電池加速)。因此，根據本發明，優選地，僅僅當還未達到燃料電池的最大功率時，才進行預留。在最大功率時，才不再通過渦輪壓縮機預測動態過程，並且可減小功率提前量。如果燃料電池在稍後的時刻需要比最大功率更少的功率，可為了準備可能的動態過程再次提高功率提前量。

雖然已經根據結合附圖闡述的實施例詳細描述了根據本發明的方面和有利的實施形式，對於本領域技術人員來說可實現對所示出的實施例的特徵的修改和組合，只要脫離本發明的範圍，其保護範圍通過所附權利要求限定。

附圖標記清單

1燃料電池

2渦輪壓縮機

3電池

4電導線

5牽引機

6加熱裝置

7空調設備

8,9有問題的功率範圍

10車載電路

100-1100方法步驟

Pres用於渦輪壓縮機的動態過程的功率儲備

Pp為渦輪壓縮機預留的功率

PTV max渦輪壓縮機的最大功率消耗

Ptrakt zus附加的可供牽引機使用的功率

n轉速

nTV渦輪壓縮機的轉速

PB車載電路功率

Ptrakt牽引機的功率

Pbas1,2基礎值，基礎值函數

Poff功率偏量

td預定的時間延遲。