DE102010001817A1 - Regelungskonzept mit Grenzwertmanagement für DC/DC-Wandler in einem Energiesystem - Google Patents

Regelungskonzept mit Grenzwertmanagement für DC/DC-Wandler in einem Energiesystem Download PDF

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Thomas 97631 Schneider
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung eines Energiesystems mit wenigstens einer Energieeinheit und wenigstens einem DC/DC-Wandler, wobei der DC/DC-Wandler mit wenigstens einer elektrischen Komponente gekoppelt ist und eine Leistungsabgabe an die elektrische Komponente durch den DC/DC-Wandler regelbar ist, wobei die maximal abgebbare Leistung an die elektrische Komponente durch einen Leistungsgrenzwert des DC/DC-Wandlers bestimmt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Energieeinheit und der DC/DC-Wandler und die elektrische Komponente über ein Grenzwertmanagementsystem gekoppelt sind, das die Leistungsabgabe derart regelt, dass bei einer Leistungsanforderung der elektrischen Komponente über den Leistungsgrenzwert des DC/DC-Wandlers eine Leistungsabgabe bis maximal des Leistungsgrenzwertes erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung eines Energiesystems mit wenigstens einer Energieeinheit und wenigstens einem DC/DC-Wandler, wobei der DC/DC-Wandler mit wenigstens einer elektrischen Komponente gekoppelt ist und eine Leistungsabgabe an die elektrische Komponente durch den DC/DC-Wandler regelbar ist, wobei die maximal abgebbare Leistung an die elektrische Komponente durch einen Leistungsgrenzwert des DC/DC-Wandlers bestimmt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung eines Energiesystems mit wenigstens einer Energieeinheit und wenigstens einem DC/DC-Wandler, wobei der DC/DC-Wandler mit wenigstens einer elektrischen Komponente gekoppelt ist und eine Leistungsabgabe an die elektrische Komponente durch den DC/DC-Wandler geregelt wird, wobei die maximal abgebbare Leistung an die elektrische Komponente durch einen Leistungsgrenzwert des DC/DC-Wandlers bestimmt ist.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 102 23 117 A1 ist bekannt, dass Energiesysteme aus mehreren Teilkomponenten aufgebaut sind. Das Leistungsverhalten der einzelnen Komponenten hat dabei Einfluss auf die gesamte Betriebsweise des Energiesystems. Dabei dienen DC/DC-Wandler unter anderem zur Regelung von Leistungsabgaben an elektrische Komponenten, wobei bei dem DC/DC-Wandler eine bestimmte Leistungsgrenze nicht überschritten werden darf. Die maximal abzugebende Leistung an die elektrische Komponente, die ein elektrischer Antrieb für ein Kraftfahrzeug sein kann, wird demnach durch die Leistungsgrenze des DC/DC-Wandlers begrenzt. Zusätzliche an den DC/DC-Wandler angeschlossene weitere elektrische Komponenten wie z. B. elektrische Verbraucher verringern die maximale abzugebende Leistung an den elektrischen Antrieb. Die optimale Verfügbarkeit des elektrischen Antriebs wird dadurch verringert. Zudem ist es möglich, dass durch eine Leistungsanforderung an die elektrische Komponente über die Leistungsgrenze des DC/DC-Wandlers, dieser beschädigt werden könnte.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verfügbarkeit der elektrischen Komponente zu erhöhen, um so eine optimale Betriebsverfügbarkeit der elektrischen Komponente sicherzustellen und den DC/DC-Wandler vor Beschädigungen zu schützen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 7 vorgeschlagen, insbesondere mit den Merkmalen des jeweiligen kennzeichnenden Teils. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Energieeinheit und der DC/DC-Wandler und die elektrische Komponente über ein Grenzwertmanagementsystem gekoppelt sind, das die Leistungsabgabe derart regelt, dass bei einer Leistungsanforderung der elektrischen Komponente über den Leistungsgrenzwert des DC/DC-Wandlers eine Leistungsabgabe bis maximal des Leistungsgrenzwertes erfolgt.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, dass bei einer möglichen Überschreitung eines Leistungsgrenzwertes in einem Energiesystem die Leistungsbilanz derart geregelt wird, dass der Leistungsgrenzwert eingehalten werden kann. Dazu sind die Teilkomponenten des Energiesystems mit einem Energiemanagementsystem gekoppelt, so dass eine durchgängige Überwachung der einzelnen Teilkomponenten erfolgen kann. Im Falle einer möglichen Überschreitung des Leistungsgrenzwertes kann durch das Energiemanagementsystem die Leistungsabgabe derart geregelt werden, dass diese unter der maximalen Leistungsgrenze liegt.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass eine erste Energieeinheit und eine zweite Energieeinheit miteinander gekoppelt sind, wobei die erste Energieeinheit mit einem ersten DC/DC-Wandler gekoppelt ist und die zweite Energieeinheit mit einem zweiten DC/DC-Wandler gekoppelt ist, wobei der erste DC/DC-Wandler und der zweite DC/DC-Wandler parallel geschaltet sind, wodurch eine Erhöhung der möglichen Leistungsabgabe an die elektrische Komponente erzielbar ist. Dadurch kann bei einer möglichen Überschreitung des Leistungsgrenzwertes des ersten DC/DC-Wandlers die Leistung durch den zweiten DC/DC-Wandler derart erhöht werden, dass die gewünschte abzugebende Leistung an der elektrischen Komponente erreicht werden kann. Zudem ist eine Leistungsteilung zwischen der ersten und der zweiten Energieeinheit denkbar. Ferner kann die Ausfallsicherheit durch mehrere Energieeinheiten erhöht werden.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der DC/DC-Wandler wenigstens ein Regelelement aufweist, so dass der DC/DC-Wandler strom- oder spannungsgeregelt betreibbar ist. Diese Regelelemente können in klassischer Regelungstechnik, Zustandsregelung, Fuzzy-Logic oder in anderen Ausführungsformen realisiert werden. Zudem ist es vorstellbar, dass die Regelelemente leistungsgeregelt oder temperaturgeregelt ausgeführt sein können. Es sind auch kaskadierte Regelelemente vorstellbar die mehrere Größen gleichzeitig einregeln können. Auch ist es vorstellbar, Regelelemente einzusetzen, die eine Kombination verschiedener regelungstechnischer Prinzipien darstellen können. Dabei ist ein Regelungskonzept vorstellbar, bei dem mehrere Regelelemente eingesetzt werden, um eine bestimmte Energiemanagementstrategie im Energiesystem umsetzen zu können. Durch eine Kaskadenregelung kann die Gesamtregelstrecke in kleinere bessere regelbare Teilstrecken untergliedert werden. Damit erhöht sich gegenüber einem direkt wirkenden Regelelement die Regelgenauigkeit. Jedes Regelelement ist dabei in seiner Leistungsschaltbarkeit mathematisch technisch als auch technisch physikalisch begrenzt. So kann z. B. ein Boost- oder Buck-Konverter nur mit einem Tastverhältnis zwischen 0 und 100% angesteuert werden. Die technisch physikalische Begrenzung entspricht der Leistungsfähigkeit der physikalischen Strecke und dient gleichzeitig dem Eigenschutz der physikalischen Strecke. Damit ist ein DC/DC-Wandler auf eine bestimmte Stromtragfähigkeit ausgelegt und die Bauteile sind einer bestimmten Spannungsklasse zugeteilt. Daher sollte der Reglerausgang begrenzt werden, um die Hardware des DC/DC-Wandlers zu schützen. Ferner müssen im DC/DC-Wandler bestimmte geforderte Grenzen am Ein- und Ausgang eingehalten werden. Werden die Grenzwerte überschritten, kann der Regler seine Aufgabe, den Sollwert einzuregeln, nicht mehr übernehmen. Somit kann eine Energiemanagementstrategie derart ausgestaltet sein, dass bei einer Überschreitung von Regelelementgrenzwerten das Grenzwertmanagementsystem die Regelelemente des Energiesystems mit einer vorhandenen Restkapazität derart regelt, so dass die Teilkomponenten mit einer hohen Betriebspriorität in dem Energiesystem vorrangig energetisch versorgt werden. Dies kann auch in einer Abschaltung und/oder Reduzierung der Energiezufuhr von Teilkomponenten geschehen, was bei einer Überschreitung von Grenzwerten aller Regelelemente von dem Grenzwertmanagementsystem als notwendig erachtet werden kann. Zudem ist es denkbar, dass das Grenzwertmanagementsystem eine Lastpunktverschiebung einer oder mehrerer Energieeinheiten durchführen kann, um eine Wirkungsgradoptimierung des Energiesystems zu ermöglichen.
  • Vorteilhaft ist es, dass die erste Energieeinheit und/oder zweite Energieeinheit eine Brennstoffzelle, einen Energiespeicher, insbesondere einen Kondensator, ein ELDC (Electrochemical Double Layer Capacitor) oder ein Akku ist. Damit ist ein hybrides Energiesystem für die elektrische Versorgung eines Fahrantriebes und für Verbraucher eines Brennstoffzellenfahrzeuges denkbar. Damit können bei diesem hybriden Energiesystem über die DC/DC-Wandler ein Leistungsaustausch zwischen den Energiequellen und den Verbrauchern umgesetzt werden. Durch die hohe Energiedichte, die die Energiespeicher haben, können auch elektrische Komponenten betrieben werden, die hohe Leistungsanforderungen haben. Zudem können kurzzeitig angeforderte Leistungsspitzen der elektrischen Komponente abgedeckt werden. Da es sich bei der elektrischen Komponente um einen elektrischen Motor und/oder einen Generator oder eine kombinierte Generator-Motoreinheit handeln kann, kann die vom Generator erzeugte Energie wieder den Energiespeichern zugefügt werden. Damit kann ein Einsatz des Energiesystems in einem Kraftfahrzeug ermöglicht werden.
  • Zudem ist vorteilhaft, dass die elektrische Komponente, ein elektrischer Motor und/oder Generator ist. Damit ist ein Einsatz des Energiesystems ebenfalls in einem Kraftfahrzeug denkbar. Ein elektrischer Motor, der als Antrieb an einer ersten Achse des Kraftfahrzeuges gekoppelt ist, kann somit das Kraftfahrzeug antreiben. Zudem kann vorgesehen sein, dass ein Generator an der zweiten Achse des Kraftfahrzeuges angebracht wird, der überschüssige gebrauchte Energie über den DC/DC-Wandler einem Energiespeicher, der an das Energiesystem gekoppelt werden kann, zurückführt. Zudem ist es denkbar, dass eine Speicherung von Rekuperationsenergie z. B. der Bremsenergie eines Kraftfahrzeuges dem Energiespeicher wieder zugefügt werden kann.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass das Grenzwertmanagementsystem eine wirkungsgradoptimierte Energiemanagement-Strategie mit einem Traktionsbordnetz-Grenzwertmanagement aufweist, wobei das Traktionsbordnetz-Grenzwertmanagement ein Energieeinheit-Grenzwertmanagement, ein Regelelement-Grenzwertmanagement und/oder ein Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement umfasst, insbesondere dass das Energieeinheit-Grenzwertmanagement mit der Energieeinheit und das Regelelement-Grenzwertmanagement mit dem DC/DC-Wandler und das Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement mit der elektrischen Komponente verbunden ist. Das Transaktionsbordnetz-Grenzwertmanagement, Energieeinheit-Grenzwertmanagement, Regelelement-Grenzwertmanagement und Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement sorgen für die Koordination der DC/DC-Wandler und der Traktionsbordnetzkomponenten. Diese Blöcke können die Regelungen der DC/DC-Wandler koordinieren, begrenzen ebenfalls die Traktionsbordnetzverbraucher und koordinieren die Interessen der Energieeinheiten mit denen des Traktionsbordnetzes. Ein Traktionsbordnetz kann dabei aus zwei DC/DC-Wandlern, die jeweils an einer Energieeinheit gekoppelt sind, aufgebaut sein, die über eine Parallelschaltung einen elektrischen Antrieb versorgen. Dabei können die Energieeinheiten aus einer Brennstoffzelle und einem Energiespeicher bestehen. Neben diesen Blöcken, die die DC/DC-Regelungen und die Grenzwerte der Traktionsbordnetzkomponenten koordinieren, kann es auch einen Funktionsblock geben, der sich um eine wirkungsgradoptimierte Energiemanagement-Strategie kümmert. Diese Strategie kann in der Regel im Traktionsbordnetz umgesetzt werden. Bei einem aktiven Grenzwertmanagement kann es nötig sein, diese Strategie zu verlassen, um Komponenten zu schützen oder andere Ziele zu erreichen. Das Energieeinheit-Grenzwertmanagement kann dabei die Grenzwerte der Energieeinheiten berücksichtigen und koordinieren, wobei Werte wie z. B. Leistungen, Ströme, Spannungen und/oder Werte des SOC (State of Charge) der Energieeinheiten durch das Energieeinheit-Grenzwertmanagement registriert werden. Damit kann z. B. bei einer Ladeanforderung eines Energiespeichers, welcher einen kleinen SOC aufweist, das Energieeinheit-Grenzwertmanagement einen Ladewunsch an die Brennstoffzelle weiterleiten. Das Regelelement-Grenzwertmanagement berücksichtigt und koordiniert die Grenz- und Sollwerte für die DC/DC-Wandler, wobei das Erreichen eines Strom- oder Spannungsgrenzwertes eines DC/DC-Wandlers vom Regelelement-Grenzwertmanagement erkannt wird und die eigentliche zu erfüllende Aufgabe des DC/DC-Wandlers an einen anderen DC/DC-Wandler in dem Energiesystem übergeben werden kann. Ferner kann in dem hybriden Energiesystem der an dem Energiespeicher gekoppelte DC/DC-Wandler die Spannungsregelung in dem Energiesystem übernehmen, wobei der an der Brennstoffzelle gekoppelte DC/DC-Wandler die Stromregelung übernehmen kann. Im Falle, dass der an der Energieeinheit gekoppelte DC/DC-Wandler an seine Leistungsgrenze gerät, kann der DC/DC-Wandler, der an der Brennstoffzelle gekoppelt ist, durch das Regelelement-Grenzwertmanagement die Aufgabe der Spannungsregelung in dem Energiesystem übernehmen. Das Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement kann dabei nach bestimmten Regeln bestimmte Teilkomponenten in dem Energiesystem energetisch limitieren, reduzieren oder abschalten. Dabei ist es vorstellbar, bei Einsatz des hybriden Energiesystems in einem Kraftfahrzeug, dass in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit, Temperatur oder generell des Zustandes der Energieeinheiten eine bestimmte Gesamtleistung aus dem hybriden Energiesystem entnommen werden darf. Im Falle einer möglichen Überschreitung der Gesamtleistung kann dann von dem Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement eine Priorisierung vorgenommen werden, wobei dadurch die Teilkomponenten in dem Energiesystem entsprechend der Priorisierung energetisch limitiert, reduziert oder abgeschaltet werden können. Das Traktionsbordnetz-Grenzwertmanagement koordiniert das Energieeinheit-Grenzwertmanagement, das Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement und das Regelelement-Grenzwertmanagement und sorgt für einen intelligenten Datenaustausch zwischen den Managementkomponenten. Dabei können verfügbare Leistungen, Ströme oder Spannungen von dem Energieeinheit-Grenzwertmanagement an das Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement und/oder Regelelement-Grenzwertmanagement übergeben werden, wobei das Elektrische-Komponenten-Grenzwertmanagement Leistungswünsche an das Traktionsbordnetz-Grenzwertmanagement, das Regelelement-Grenzwertmanagement und/oder das Energieeinheit-Grenzwertmanagement melden kann. Dabei besteht die Hauptaufgabe des Traktionsbordnetz-Grenzwertmanagement darin, die Verfügbarkeit der Teilkomponenten in dem Energiesystem sicherzustellen und die Energiebilanz das Energiesystem in einem definierten Bereich zu halten. Die wirkungsgradoptimierte Energiemanagement-Strategie umfasst dabei die Einhaltung des maximalen Wirkungsgrads des Energiesystems unter Berücksichtigung der Einzelwirkungsgrade aller Teilkomponenten.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Regelung eines Energiesystems mit wenigstens einer Energieeinheit und wenigstens einem DC/DC-Wandler, wobei der DC/DC-Wandler mit wenigstens einer elektrischen Komponente gekoppelt ist und einer Leistungsabgabe an die elektrische Komponente durch den DC/DC-Wandler geregelt wird, wobei die maximal abgebbare Leistung an die elektrische Komponente durch einen Leistungsgrenzwert des DC/DC-Wandlers bestimmt ist. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Energieeinheit und der DC/DC-Wandler und die elektrische Komponente über ein Energiemanagementsystem gekoppelt sind, das die Leistungsabgabe derart regelt, dass bei einer Leistungsanforderung der elektrischen Komponente über den Leistungsgrenzwert des DC/DC-Wandlers eine Leistungsabgabe bis maximal des Leistungsgrenzwertes erfolgt.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass bei einer Überschreitung des Leistungsgrenzwertes des DC/DC-Wandlers, dieser dem Energiemanagement über eine Schnittstelle eine Information mitteilt, wodurch eine entsprechende Gegenmaßnahme zur Einhaltung des Grenzwertes eingeleitet wird, wobei ein Energieeinheit-Grenzwertmanagement oder ein Regelelement-Grenzwertmanagement oder ein Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement durchgeführt wird. Dabei kann das Grenzwertmanagement in mehreren Stufen arbeiten. In der ersten Stufe arbeitet das Energiesystem innerhalb der vorgesehenen Leistungsgrenzen. Die durch das Energiesystem vorgegebene Energiemanagement-Strategie wird dabei umgesetzt. Es wird dabei eine ausgeglichene Leistungsbilanz im Energiesystem sichergestellt, d. h., dass die elektrische Komponente, die einen Fahrantrieb und/oder weitere Verbraucher aufweisen kann, auf die im Energiesystem verfügbare elektrische Leistung begrenzt wird. Dabei kann je nach Energiemanagement-Strategie die gesamte benötigte Leistung von den Energieeinheiten angefordert und abgerufen werden oder nur eingeschränkt zur Verfügung gestellt werden. Dabei können kleinere Begrenzungen von dem Energieeinheit-Grenzwertmanagement, dem Regelelement-Grenzwertmanagement oder dem Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement durchgeführt werden, wobei niedriege Prioritäten an ein Traktionsbordnetz-Grenzwertmanagement übermittelt werden können. Zudem kann eine Reduzierung der Aufnahmeleistung der Komponenten durch das Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement vorgenommen werden. Weiterhin ist es denkbar, dass eine Energieeinheit, die ein Energiespeicher sein kann, eine Lade- oder Entladeinformation an das Energieeinheit-Grenzwertmanagement übermittelt, wobei eine weitere Energieeinheit, die ebenfalls an das Energieeinheit-Grenzwertmanagement angeschlossen sein kann, Informationen über die notwendige Sollleistung über das Traktionsbordnetz-Grenzwertmanagement erhält. Eine kurzzeitige minimale Strombegrenzung einer Energieeinheit, die über einen DC/DC-Wandlers an dem Regelelement-Grenzwertmanagement gekoppelt ist, kann dabei von einer zweiten Energieeinheit, die über einen weiteren DC/DC-Wandler ebenfalls an das Regelelement-Grenzwertmanagement gekoppelt ist, übernommen werden. In der zweiten Stufe meldet der DC/DC-Wandler bei einer aktiven Begrenzung bzw. Überschreitung eines Grenzwertes, wobei diese Information an das Energiemanagement-Grenzwertsystem übermittelt wird, worauf im Regelelement-Grenzwertmanagement der DC/DC-Wandler die Leistungsaufnahme durch die elektrischen Komponenten unterhalb des Leistungsgrenzwertes einregelt. Dabei können durch das Regelelement-Grenzwertmanagement Probleme der Leistungsabgabe und Leistungszunahme, an das Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement gesendet werden, wobei eine Begrenzung der Aufnahmeleistung oder die Aufnahme einer Rekuperationsleistung durch das Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement durchgeführt werden kann. In der dritten Stufe kann bei einer Meldung einer aktiven Begrenzung des DC/DC-Wandlers bzw. das Überschreiten eines Grenzwertes nicht mehr allein über eine Regelung der Regelelemente in dem DC/DC-Wandler gelöst werden. In diesem Fall wird das Energieeinheit-Grenzwertmanagement und/oder das Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement mit in die Energiemanagement-Strategie herangezogen. Damit kann die Leistungsaufnahme der elektrischen Komponente zusätzlich begrenzt werden oder die Leistungsanforderung an die Energieeinheit wird zusätzlich erhöht. Ferner ist vorstellbar, dass die Aufgabe der Spannungsregelung über einen weiteren DC/DC-Wandler, der an das Regelelement-Grenzwertmanagement gekoppelt ist, übernommen werden kann.
  • Weiterhin ist vorteilhaft, dass bei einer Überschreitung des Leistungsgrenzwertes des DC/DC-Wandlers der Nutzer des Energiesystems benachrichtigt wird. Damit kann der Nutzer aktiv in das Energiemanagement eingreifen, da dieser die angeforderte Leistung der elektrischen Komponente manuell drosseln kann, um die Überschreitung des Grenzwertes zu verhindern.
  • Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Energiemanagement-Grenzwertsystems mit einer elektrischen Komponente und
  • 2 eine schematische Ansicht eines Energiemanagement-Grenzwertsystems mit mehreren elektrischen Komponenten und den Funktionsblöcken eines Energiemanagement-Grenzwertsystems.
  • In 1 ist schematisch ein Energiesystem 1 dargestellt, bei dem eine Energieeinheit 10 mit einem DC/DC-Wandler 11 elektrisch verbunden ist. Am Ausgang des DC/DC-Wandlers 11 ist eine elektrische Komponente 12 angeordnet. Parallel zu dem Ausgang des DC/DC-Wandlers 11 ist eine zweite elektrische Komponente 22 geschaltet. Die Energieeinheit 10 weist eine Schnittstelle 14 auf, die über einen Informationskanal 15 mit einem Grenzwertmanagementsystem 13 über eine Schnittstelle 14 gekoppelt ist. Auch der DC/DC-Wandler 11 ist über eine Schnittstelle 14 über einen Informationskanal 15 mit dem Grenzwertmanagementsystem 13 über eine Schnittstelle 14 verbunden. Zudem werden die elektrische Komponente 12, die ebenfalls über eine Schnittstelle 14 verfügt, und die zweite elektrische Komponente 22, die auch über eine Schnittstelle 14 verfügt, mit dem Grenzwertmanagementsystem 13 über jeweils eine Schnittstelle 14 miteinander verbunden. Über die Informationskanäle 15 können Signale zwischen den einzelnen Komponenten mit dem Grenzwertmanagementsystem 13 ausgetauscht werden. Hierbei kann es sich um Informationen über Istwerte, Grenzwerte als auch Sollwerte der einzelnen Komponenten handeln. Über den Informationskanal 15 kann der DC/DC-Wandler 11 vom Grenzwertmanagementsystem 13 veranlasst werden, die maximal abgebbare Leistung im Falle einer Grenzwertüberschreitung zu drosseln. Dadurch wären die elektrische Komponente 12 und die zweite elektrische Komponente 22 betroffen. Da es sich bei der ersten elektrischen Komponente um einen Antrieb eines Kraftfahrzeuges handeln kann, würde dies mit einer Begrenzung der Fahrdynamik einhergehen. Um dennoch dem Fahrer des Kraftfahrzeuges eine ansprechende Fahrdynamik, auch im Falle einer Grenzwertüberschreitung des DC/DC-Wandlers 11 zu gewährleisten, kann das Grenzwertmanagementsystem 13 über einen Informationskanal 15 die zweite elektrische Komponente 22 veranlassen die Leistungsaufnahme zu verringern. Damit wäre die Energiebilanz in der Summe wieder ausgeglichen. Die zweite elektrische Komponente 22 kann im Falle der Nutzung des Energiesystems 1 in einem Kraftfahrzeug aus Verbrauchern, wie z. B. Komfortsysteme, insbesondere Audiosysteme, Navigationssysteme als auch Beleuchtungsmitteln bestehen. Dabei können diese Verbraucher im Falle einer Überschreitung der maximal zulässigen Leistung des DC/DC-Wandlers 11 ohne Gefahr für den Fahrer des Kraftfahrzeuges ausgeschaltet werden.
  • In 2 ist schematisch ein Energiesystem 1 dargestellt, bei dem ein erster DC/DC-Wandler 11 mit einer Energieeinheit 10 elektrisch verbunden ist. Am Ausgang des ersten DC/DC-Wandlers 11 ist eine elektrische Komponente 12 ebenfalls elektrisch gekoppelt. Eine zweite Energieeinheit 20 ist mit einem zweiten DC/DC-Wandler 21 elektrisch gekoppelt, wobei der Ausgang des zweiten DC/DC-Wandlers 21 mit einer zweiten elektrischen Komponente 22 gekoppelt ist. Der Ausgang des ersten DC/DC-Wandlers 11 ist dabei mit dem Ausgang des zweiten DC/DC-Wandlers 21 parallel geschaltet, wobei vorstellbar ist, die Parallelschaltung der DC/DC-Wandlerausgänge zu unterlassen. Die erste Energieeinheit 10, der erste DC/DC-Wandler 11, die erste elektrische Komponente 12, die zweite Energieeinheit 20, der zweite DC/DC-Wandler 21 und die zweite elektrische Komponente 22 weisen jeweils eine Schnittstelle 14 auf, die über einen Informationskanal 15 jeweils mit dem Grenzwertmanagementsystem 13 über eine Schnittstelle 14 verbunden sind. Es ist vorstellbar, dass weitere Energieeinheiten, vorzugsweise jeweils über einen DC/DC-Wandler, ebenfalls an das Grenzwertmanagementsystem 13 gekoppelt sind. Das Grenzwertmanagementsystem 13 weist dabei verschiedene Funktionsblöcke auf, wie eine wirkungsgradoptimierte Energiemanagement-Strategiefunktion 30 und eine Traktionsbordnetz-Grenzwertmanagementfunktion 31, die eine Energieeinheit-Grenzwertmanagementfunktion 32, eine Regelelement-Grenzwertmanagementfunktion 33 und eine Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagementfunktion 34 aufweist, welche miteinander in Kommunikation stehen. Die Energieeinheit 10 und die zweite Energieeinheit 20 übermitteln über die Informationskanäle 15 direkt über eine Schnittstelle 14 des Grenzwertmanagementsystems 13 ihre Informationen an die Energieeinheit-Grenzwertmanagementfunktion 32. Dabei kann über einen Signalaustausch Informationen übermittelt werden. Dazu können gemessene Istwerte, einer aktiven Begrenzung der elektrischen Einheit als auch der zweiten elektrischen Einheit übermittelt werden, wie z. B. die aktuelle Spannung, SOC (State of Charge), SOH (State of Health), SOF (State of Function), maximale Entladeleistung, maximale Ladeleistung, maximaler Ladestrom, maximaler Entladestrom, Energieinhalt, aktuelle Temperatur, maximal erlaubte Temperatur, sowie andere informative Kenngrößen. Im Fall, dass die Energieeinheit 10, 20 ein Brennstoffzellensystem ist, können Signale wie z. B. Leistungsanforderungen, Informationen über zukünftige Leistungsanforderungen oder andere Informationen an das Brennstoffzellensystem gesendet werden. Das Brennstoffzellensystem selber kann an das Grenzwertmanagementsystem 13 Signale wie z. B. die maximal mögliche Abgabeleistung, mindestens abzunehmende Leistung, maximal erlaubte Spannung, minimal erlaubte Spannung sowie andere Informationen an das Grenzwertmanagementsystem 13 senden. Die elektrische Komponente 12 und die zweite elektrische Komponente 22 können an das Grenzwertmanagementsystem 13 einen Leistungsaufnahmewunsch bzw. einen Leistungseinspeisewunsch übermitteln. Im Falle, dass die elektrische Komponente 12 aus einem Fahrantrieb besteht, sind Informationen über ein Ist-Moment, eine Ist-Drehzahl, oder eine Ausgabe von berechneten Werten für mögliche Antriebsmomente und Drehzahl bei einer exemplarisch zur Verfügung stehenden Aufnahme bzw. Abgabeleistung möglich. Die zweite elektrische Komponente kann dabei Informationen über die maximal erlaubte Leistungsaufnahme oder eine Prognose über die nächstmögliche maximale Leistungsaufnahme erhalten. Dies kann im Falle, dass die zweite elektrische Komponente 22 aus Verbrauchern eines Kraftfahrzeuges besteht, die nicht zu dem eigentlichen Fahrantrieb benötigt werden, sinnvoll sein. Zudem kann der Fahrer des Kraftfahrzeuges über eine mögliche Begrenzung der elektrischen Verbraucher wie z. B. Audiosysteme, Videosysteme oder einer elektrischen Sitzheizung informiert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10223117 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Regelung eines Energiesystems (1) mit wenigstens einer Energieeinheit (10, 20) und wenigstens einem DC/DC-Wandler (11, 21), wobei der DC/DC-Wandler (11, 21) mit wenigstens einer elektrischen Komponente (12, 22) gekoppelt ist und eine Leistungsabgabe an die elektrische Komponente (12, 22) durch den DC/DC-Wandler (11, 21) regelbar ist, wobei die maximal abgebbare Leistung an die elektrische Komponente (12, 22) durch einen Leistungsgrenzwert des DC/DC-Wandlers (11, 21) bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinheit (10, 20) und der DC/DC-Wandler (11, 21) und die elektrische Komponente (12, 22) über ein Grenzwertmanagementsystem (13) gekoppelt sind, das die Leistungsabgabe derart regelt, dass bei einer Leistungsanforderung der elektrischen Komponente (12, 22) über den Leistungsgrenzwert des DC/DC-Wandlers (11, 21) eine Leistungsabgabe bis maximal des Leistungsgrenzwertes erfolgt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Energieeinheit (10) und eine zweite Energieeinheit (20) miteinander gekoppelt sind, wobei die erste Energieeinheit (10) mit einem ersten DC/DC-Wandler (11) gekoppelt ist und die zweite Energieeinheit (20) mit einem zweiten DC/DC-Wandler (21) gekoppelt ist, wobei der erste DC/DC-Wandler (11) und der zweite DC/DC-Wandler (21) parallel geschaltet sind, wodurch eine Erhöhung der möglichen Leistungsabgabe an die elektrische Komponente erzielbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (11, 21) wenigstens ein Regelelement aufweist, so dass der DC/DC-Wandler (11, 21) strom- oder spannungsgeregelt betreibbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energieeinheit (10) und/oder zweite Energieeinheit (20) eine Brennstoffzelle und/oder ein Energiespeicher, insbesondere ein Kondensator, ein ELDC (Electrochemical Double Layer Capacitor) oder ein Akku ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente (12, 22) ein elektrischer Motor und/oder Generator ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grenzwertmanagementsystem (13) eine wirkungsgradoptimierte Energiemanagement-Strategie (30) mit einem Traktionsbordnetz-Grenzwertmanagement (31) aufweist, wobei das Traktionsbordnetz-Grenzwertmanagement (31) ein Energieeinheit-Grenzwertmanagement (32), ein Regelelement-Grenzwertmanagement (33) und/oder ein Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement (34) umfasst, insbesondere dass das Energieeinheit-Grenzwertmanagement (32) mit der Energieeinheit (10, 20) und das Regelelement-Grenzwertmanagement (33) mit dem DC/DC-Wandler (11, 21) und das Elektrische-Komponente-Grenzwertmanagement (34) mit der elektrischen Komponente (12, 22) verbunden ist.
  7. Verfahren zur Regelung eines Energiesystems (1) mit wenigstens einer Energieeinheit (10, 20) und wenigstens einem DC/DC-Wandler (11, 21), wobei der DC/DC-Wandler (11, 21) mit wenigstens einer elektrischen Komponente (12, 22) gekoppelt ist und eine Leistungsabgabe an die elektrische Komponente (12, 22) durch den DC/DC-Wandler (11, 21) geregelt wird, wobei die maximal abgebbare Leistung an die elektrische Komponente (12, 22) durch einen Leistungsgrenzwert des DC/DC-Wandlers (11, 21) bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinheit (10, 20) und der DC/DC-Wandler (11, 21) und die elektrische Komponente (12, 22) über ein Grenzwertmanagementsystem (13) gekoppelt sind, das die Leistungsabgabe derart regelt, dass bei einer Leistungsanforderung der elektrischen Komponente (12, 22) über den Leistungsgrenzwert des DC/DC-Wandlers (11, 21) eine Leistungsabgabe bis maximal des Leistungsgrenzwertes erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Überschreitung des Leistungsgrenzwerts des DC/DC-Wandlers (11, 21), dieser dem Grenzwertmanagementsystem (13) über eine Schnittstelle (14) eine Information mitteilt, wodurch eine entsprechende Gegenmaßnahme zur Einhaltung des Grenzwertes eingeleitet wird, wobei ein Energieeinheit-Grenzwertmanagement (32) und/oder ein Regelelement-Grenzwertmanagement (33) und/oder ein Elektrische-Komponenten-Grenzwertmanagement (34) durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Überschreitung des Leistungsgrenzwerts des DC/DC-Wandlers (11, 21) der Nutzer des Energiesystems (1) benachrichtigt wird.
  10. Verfahren nach 7 bis 9, mit dem eine Vorrichtung gemäß 1 bis 6 betreibbar ist.
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