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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr.
61/184988, eingereicht am 8.6.2009. Die Gesamtoffenbarung dieser
vorläufigen
Patentanmeldung wird hiermit durch Rückbeziehung inkorporiert.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und ein System
zum Organisieren von elektrischen Energieflüssen, und bezieht sich im Besonderen,
ohne darauf beschränkt
zu sein, auf einen smarten Energie-Netzübergang (SEG; smart energy
gateway), der betreibbar ist zum Optimieren des Energieverbrauchs
auf eine Weise, mit der Anwenderkosten und/oder Emissionen reduzierbar
sind.
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In
neueren Fahrzeugen ist eine Reduktion des Brennstoffverbrauchs ein
wichtiges Thema. Ein wohlbekanntes System ist eine Stopp/Start-Vorrichtung,
welche den Motor abschaltet, falls der Wagen an einer Ampel angehalten
wird, oder das regenerative Bremsen, bei welchem mechanische Bremsenergie
in elektrische Energie umgewandelt wird. Jedoch beschränken die
Einfachheit gegenwärtig
praktizierter Stromerzeugung und das Verteilungssystem in einem
Wagen, unter Verwendung einer einzigen Lichtmaschine und eines einzigen
Energie-Speicher-Elements (die Batterie), die beide an ein einziges
Stromnetz angeschlossen sind, die Möglichkeiten erheblich, den
Energieverbrauch zu optimieren. Gemäß eines nichtbeschränkenden
Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine multiple Stromerzeugung
verwendet (d. h. ein Solarpaneel ...) und werden mehrere Speicherelemente
(d. h. Ultra-Kondensatoren, zweite Batterien ...) verwendet, um
einen breiteren Optionsbereich zum Organisieren und Optimieren von
Energieflüssen
zu öffnen.
Dies kann mit einer vollständigen
Zwischenverbindung im System und einer Steuerung erzielt werden,
die so optimiert sind, dass sich damit die besten Energieverwendungsvorteile
erzielen lassen.
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Der
Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnung erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Illustration eines elektrischen Systems eines Fahrzeugs entsprechend
eines nichtbeschränkenden
Aspekts der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Illustration eines internen Blockdiagramms eines smarten Energie-Netzübergangs
(SEG; smart energy gateway) entsprechend eines nichtbeschränkenden
Aspekts der vorliegenden Erfindung;
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3 bis 7 schematisch
illustrierte Operationen des SEG entsprechend eines nichtbeschränkenden
Aspekts der vorliegenden Erfindung; und
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8 ein
Verfahren zum Organisieren der elektrischen Energieverteilung innerhalb
eines Fahrzeugs entsprechend eines nichtbeschränkenden Aspekts der vorliegenden
Erfindung.
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Nachfolgend
werden detaillierte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung offenbart. Es ist jedoch darauf hinzuweisen,
dass die offenbarten Ausführungsformen
für die
Erfindung nur beispielhaft sind, die in verschiedenen und alternativen
Formen ausgeführt
sein kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht;
einige Merkmale können übertrieben
oder minimiert sein, um Details spezifischer Komponenten hervorzuheben.
Deshalb sind hier offenbarte, spezifische strukturelle und funktionelle
Details nicht als beschränkend
aufzufassen, sondern nur als eine repräsentative Basis, um einen Durchschnittsfachmann
auf dem Gebiet eine Lehre zu vermitteln, wie die vorliegende Erfindung
unterschiedlich angewandt werden kann.
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Ein
in 1 gezeigtes elektrisches System 10 eines
Fahrzeugs ist mit mehreren Energie-Erzeugungs-Elementen, Energie-Speicher-Elementen
und Verbrauchern oder Lasten konfiguriert. 2 ist ein
internes Blockdiagramm eines smarten Energienetzübergangs (SEG; smart energy
gateway) 12. Der SEG 12 umfasst eine Reihe von
Leistungsschaltern 14, 16, 18, 20,
die von Kommandos C1, C2, ..., Cn nach Maßgabe durch einen Controller/Supervisor 22 gesteuert
werden, welcher den tatsächlichen
Energiefluss und Fahrzeugkonditionen überwacht und diese Informationen
benutzt, um in dem Fahrzeug den gesamten Energiefluss zu steuern.
Der SEG 12 enthält
Intelligenz mit Echtzeit-Verarbeitung und Speicherkapazitäten zum
Analysieren und Auswerten der typischen (und unterschiedlichen)
Fahrprofile, die mit dem Fahrzeug auftreten können. Diese Informationen können dann
benutzt werden, um zur Reduktion des Brennstoffverbrauches und/oder
zum Minimieren von z. B. CO2-Emissionen
die Energieerzeugung und die Energieflüsse zu optimieren.
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Der
SEG 12 kann zu jeder Zeit berechnen, welcher Bedarf für erzeugte
Leistung vorliegt, kann den besten Betriebspunkt für irgendeine
der Erzeugungsquellen ermitteln, kann entscheiden, wo Energie zu
speichern ist (in Kurzzeit- oder Langzeit-Speicherelementen), und
kann den Energieverbrauch der Lasten unter Berücksichtigung realer Fahrkonditionen
und/oder analysierter Informationen aus vorhergehenden Fahrzyklen planen.
Optional kann das System 10 den richtigen elektrischen
Leistungspfad festlegen, auf welchem die Energie zu irgendeiner
Zeit und für
irgendeine Realzeit-Fahrkondition unter den verschiedenen potenziellen Mehrfach-Spannungsquellen/Speicher/Verbraucher-Netzwerken
fließen
soll.
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3 illustriert
den SEG 12 derart, dass der SEG 12 mit drei unterschiedlichen
Typen an Energieagenten betrieben wird: Quellen (wie Lichtmaschinen
oder Solarzellen), welche stets als Eingabevorrichtungen agieren,
und nur einen Leistungsfluss in einer Richtung erfordern; andere
Vermittler, welche Energie speichern und abgeben können, d.
h. bidirektionale Vorrichtungen wie ein Speicherelement (Batterie
oder Ultra-Cap bzw. Ultrakondensator), und ein Leistungsnetz mit
mehreren angeschlossenen Elementen (z. B. eine Last oder mehrere
Lasten, eine Blei-Säure-Batterie
und eine externe Ladevorrichtung); und Lasten (wie Scheinwerfer oder
Gleichstrommotoren), welche im Betrieb stets Energie konsumieren.
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Die
unterschiedlichen Arbeitsbetriebs-Modi des SEG 12 sind
direkt mit dem Fahrzeugstatus verknüpft. Die 4–7 illustrieren
Beispiele der Verwendung des SEG 12 zum effizienten Steuern
der unterschiedlichen Quellen, um den Lasten durch Wählen der
am besten passenden Kombination von Leistungsquellen bei irgendeiner
Fahrsituation den geforderten Strom zuzuführen. Um die Zeichnungen zu
vereinfachen, berücksichtigen
die gezeigten Beispiele den SEG 12 so, dass dieser mit
zwei Quellentypen-Eingaben (der Lichtmaschine und einer anderen
Erzeugungsquelle wie einer Solarzelle), einer (bidirektionalen)
Speichereingabe/abgabe (einer Batterie) und einem Lasttyp-Ausgang
betrieben wird.
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4 illustriert
und einen Parkmodus (Motor aus), bei welchem die Lasten im Fahrzeug
nahezu keinen Verbrauch generieren und die Lichtmaschine ausgeschaltet
ist. In diesem Szenario, falls eine Quelle verfügbar ist (beispielsweise eine
Solarzelle oder eine Netzverbindung), dann leitet der SEG 12 Strom
zu dem Last-Leistungsnetz (einem Netzwerk, das verwendet wird, Strom
zu den Aktivstrom anfordernden Lasten zu führen). Falls die Quelle dann
mehr Leistung generiert als die in dem Lasten-Leistungsnetz erforderliche
Leistung, kann der Überschuss
zum Wiederaufladen der Batterie oder von Batterien verwendet werden,
die in dem System vorhanden ist bzw. sind. 5 illustriert
ein Szenario im Parkmodus, wobei das Lasten-Leistungsnetz zusätzlich zu
den Lasten auch andere Elemente umfasst, wie Speicherungselemente
(Batterie, Ultra-Cap, Ultrakondensator), oder Generatoren (wie z.
B. eine externe Ladevorrichtung), die zum Wiederaufladen der Batterie
oder von Batterien verwendet werden können. Falls das Lasten-Leistungsnetz
keine Elemente enthält, die
in der Lage sind, als Quellen zu agieren, ist dieser Modus nicht
möglich.
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6 illustriert
einen Fahrmodus (Motor läuft),
in welchem zum Versorgen von Lasten Energie durch eine Kombination
verfügbarer
Quellen bereitgestellt werden kann. Allgemein wird die Energie,
die zu den Lasten geleitet wird, die Summe der Energien sein, die
von der Quelle #1 (der Lichtmaschine), der Quelle #2 (einer Solarzelle)
und dem jeweiligen Speicherungselement (der Batterie) fließen. Abhängig vom
Fahrzeugzustand variiert die Energieeffizienz einer jeden Quelle.
Zum Beispiel hat die Lichtmaschine beim Start und bei niedriger Fahrgeschwindigkeit
niedrige Effizienz. Deshalb kann es in diesem Fall effizienter sein,
zum Versorgen der Lasten Energie von einigen der verfügbaren Quellen
zu benutzen (in diesem Beispiel aus der Batterie und von der Solarzelle),
während
die Energie minimiert wird, die von einer anderen Erzeugungsquelle
abgenommen wird (in diesem Beispiel, der Lichtmaschine). Der SEG 12 kann
dabei sicherstellen, dass der Ladungszustand (SOC) der Batterie
(oder der Batterien) oberhalb eines spezifizierten Minimums gehalten
bleibt. Bei hoher Fahrgeschwindigkeit kann es hingegen effizienter
sein, Energie von der Lichtmaschine zu verwenden, da dann die Effizienz
der Lichtmaschine sehr hoch ist. Abhängig von einem Effizienzkennfeld
oder einem Plan jeder Erzeugungsquelle überwacht der SEG 12 den
Lastbedarf und nimmt er von jeder Quelle einen Teilbereich der angeforderten
Energie ab. Falls die von den (reinen) Quellen generierte Energie
höher ist
als die erforderliche Last (z. B. in einem typischen Fall, in welchem
Energie aus einer regenerativen Bremsung verfügbar ist) kann die zusätzlich generierte
Energie wiederum verwendet werden, um, wie in 7 gezeigt,
die Batterie (oder die Batterien) wiederaufzuladen.
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Ein
nichtbeschränkender
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Steuern des Energieflusses oder
der Energieflüsse
zwischen den unterschiedlichen Elementen in einem Fahrzeug. Obwohl
die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Kombination
von Energievorrichtungen beschränkt
aufzufassen ist, umfasst die vorliegende Erfindung dennoch einen
Anwendungsfall, in welchem das Fahrzeug eine Solarenergiequelle,
eine Beiprodukt-Energiequelle, eine Lichtmaschine, und eine passive
Energiequelle aufweist.
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Die
Solarenergiequelle ist betreibbar zum Generieren elektrischer Energie
aus Solarenergie, wie beispielsweise unter Verwendung von Solarpaneelen,
die auf einer dem Sonnenlicht ausgesetzten Oberfläche des
Fahrzeugs positioniert sind. Die Beiprodukt-Energiequelle, oder
-Energiequellen ist bzw. sind betreibbar zum Generieren elektrischer
Energie aus sogenannter „freier
Energie”,
die geschaffen wird als ein Beiprodukt beim Betreiben des Fahrzeugs.
Dies könnte
ein thermoelektrischer Generator sein, der aus der Abwärme von Abgasen
elektrische Energie erzeugt, oder ein Generator, der elektrische
Energie aus Fahrzeugvibrationen erzeugt, oder eine Turbine, die
aus einer Luftströmung
elektrische Energie erzeugt. Die Lichtmaschine ist betreibbar zum
Erzeugen elektrischer Energie aus dem Betrieb eines mit Brennstoff
betriebenen Motors, wie eines Verbrennungsmotors oder einer Brennstoffzelle,
der bzw. die zum Antreiben des Fahrzeuges verwendet wird. Die passive
Energiequelle ist betreibbar zum Speichern elektrischer Energie
und zum Wiederabgeben zuvor gespeicherter elektrischer Energie,
und kann eine Batterie oder ein Ultra-Cap oder Ultra-Kondensator oder eine
Kondensator-Batterieanordnung sein.
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht beabsichtigt, die Organisation
der Verteilung von Energie auf ein Fahrzeug zu beschränken, welches
nur die oben erwähnten
Energievorrichtungen aufweist. Die vorliegende Erfindung umfasst
vielmehr auch Anwendungsfälle
in Fahrzeugen, die mit anderen und/oder weiteren Energiequellen
ausgestattet sind. Eine zusätzliche
Energiequelle kann ein Bremsgenerator sein, der verwendet wird,
elektrische Energie aus regenerativen Bremsvorgängen zu erzeugen, d. h., sich
auf die Radrotation zu verlassen, mit der der bremsende Generator
gedreht wird. Der bremsende Generator ist nicht als eine „freie
Energiequelle” anzusehen,
obwohl er Energie aus dem Betrieb des Fahrzeuges erzeugt, da die
von ihm auf die Fahrzeugeffizienzen aufgebrachte Last selektiv gesteuert
werden kann, während
die Lasten, welche in dem Fahrzeug als „freie Energiequellen” platziert
sind, nicht wahlweise gesteuert werden können, d. h., die Vibration,
die Abwärme
und die Luftströmung
entlang des Fahrzeuges, die beim Fahren jederzeit auftreten können, und
deren Verwendung zum Erzeugen elektrischer Energie bei der Bewegung
des Fahrzeuges nur minimalen Effizienzverlust, falls überhaupt
einen Effizienzverlust, bedeuten.
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8 illustriert
ein Flussdiagramm 40 eines Verfahrens zum Organisieren
der elektrischen Energieverteilung in einem Fahrzeug entsprechend
eines nichtbeschränkenden
Aspekts der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann mit einem
Controller oder einem anderen logisch arbeitenden Element ausgeführt werden, der
bzw. das Instruktionen und Kommandos ausgibt, die zum Steuern des
SEG 12 oder einer anderen Vorrichtung in dem Fahrzeug ausreichen,
um die Operationen implementieren zu lassen, die notwendig sind,
die Aktionen zu erzielen, die erfindungsgemäß von der Organisation von
der Energieverteilung umfasst werden.
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Ein
Block 42 bezieht sich auf die Bestimmung einer Menge an
Strom, wie er von jeder der Energiequellen verfügbar ist. Die Menge des verfügbaren Stroms
kann basiert werden auf gegenwärtigen
Fahrzeugbetriebskonditionen, wie z. B. der Geschwindigkeit, der
Belastung, dem Untergrund, etc. Die Menge verfügbaren Stroms kann für jede der
Energiequellen bestimmt werden, um die Energie zu erfassen, die
von jeder Quelle bereitstellbar ist, falls das Fahrzeug den gegenwärtigen Betriebszustand
fortsetzt. Die Menge verfügbaren Stroms
kann sich dynamisch ändern,
wenn sich der Zustand des Fahrzeugbetriebs verändert. Solche Änderungen
können
beispielsweise auftreten, falls von der Solarstromquelle als Folge
einer Änderung
der Wolkendecke oder bei zunehmender Dunkelheit weniger Energie
verfügbar
wird, falls sich der Fahrzeugzustand von Stadtfahrt zu Autobahnfahrt,
etc. verändert,
und dergleichen. Die Menge des von jeder der Quellen verfügbaren Stroms
kann kontinuierlich und/oder dynamisch aktualisiert werden in Bezug
auf irgendwelche Änderungen
im Fahrzeugbetriebszustand, und/oder kann in vordefinierten Intervallen
automatisch aktualisiert werden.
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Ein
Block
44 bezieht sich auf die Bestimmung der Kosten für jede Strom
bereitstellende Quelle. Die Kosten können basiert werden auf einer
Geldmenge pro Ampere, wie US-Dollar pro Ampere (oder emittiertes CO
2, ppm). Die darunter gezeigte Tabelle illustriert
eine beispielhafte, auf Geld basierenden Ratentabelle zum Bereitstellen
von Energie aus einer Vielzahl von Quellen, basierend zumindest
teilweise auf Stromleistungsfähigkeiten,
welche als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit fluktuieren.
| | Geschwindigkeit
(MPH, Meilen pro Stunde) |
| 10 | 20 |
| Solar | 0,5
A @ $ 0 | 0,5
A @ $ 0 |
| Beiprodukt | 1
A @ $ 0 | 1,1
A @ § 0 |
| Lichtmaschine | 2
A @ 1 | 2
A @ $ 5 |
| 4
A @ $ 1,5 | 4
A @ $ 1 |
| 6A
@ $ 1,75 | 6
A @ 1,25 |
| N/A | 8
A @ $ 1,5 |
| Passiv | 3A
@ Kosten | 3A
@ Kosten |
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Die
Kosten jeder Quelle für
die Bereitstellung des Stroms können
basieren auf den Kosten, die erforderlich sind, um die verfügbare Energie
zu erzeugen. Diese Kosten können
abhängig
vom Betrieb des Fahrzeugs variieren. Beispielsweise können die
Kosten, um Energie von der Lichtmaschine abzunehmen, basiert werden
auf einer Menge an Brennstoff, der durch den brennstoffbetriebenen
Motor konsumiert wird, um die Lichtmaschine zu betreiben. Die Effizienz
der Lichtmaschine zum Umwandeln des Brennstoffs in Energie kann variieren,
bezüglich
der Menge an Energie, die erzeugt wird, und von den Betriebskonditionen
des Motors. Die Kosten zum Beschaffen von Energie von den Beiprodukt-Quellen
können
mit Null angesetzt werden, da diese Energie unkontrollierbar erzeugt
wird, ohne absichtlich zunehmende Anforderungen an das Fahrzeug
zu stellen, obwohl, diese Energie wie im Fall der Solarquelle intermittierend
verfügbar
sein kann, nicht voll zuverlässig verfügbar ist,
und von unkontrollierbaren Tatsachen abhängt.
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Anstelle
der Kostenberechnung unter Berücksichtigung
der Energieerzeugung zu einem gegebenen Zeitpunkt können die
Kosten auch basiert werden auf Kosten, die zuvor verursacht wurden,
um Energie zu erzeugen. Die passiven Energiequellen, beispielsweise,
sind nur in der Lage, zuvor gespeicherte Energie bereitzustellen.
Die Kosten, die zuvor zum Laden der passiven Energiequellen verursacht
wurden, können
dann als die Kosten genommen werden, die zum nachfolgenden Bereitstellen
von Energie anzusetzen sind, zumindest für die Zwecke des Blocks 44.
Die Kosten zum Aufladen der passiven Energiequellen können im Übrigen über die
Zeit in einem Speicher aufbewahrt werden. Da die passiven Energiequellen
mit unterschiedlichen Energiemengen periodisch geladen und entladen
werden können,
können
diese Kosten auch als ein Durchschnittswert für eine vordefinierte Anzahl
an Ladevorgängen
angesetzt werden. Die vordefinierte Anzahl an Ladevorgängen kann
basiert werden auf der Anzahl vorhergehender Ladevorgänge, die
durchgeführt
wurden, um um einen Strom SC der passiven Energiequelle verfügbar zu
haben.
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Die
Kosten zum Bereitstellen des verfügbaren Stroms aus jeder Quelle
können
auch mit unterschiedlichen Raten berechnet werden, abhängig von
Betriebseinstellungen der korrespondierenden Energiequelle. Beispielsweise
kann die Menge des von jeder Quelle verfügbaren Stroms den gesamten
Strom anzeigen, der davon abgezogen werden kann oder dadurch bereitstellbar
ist, wobei aber sichere Betriebsstandards aufrechtgehalten werden.
Zumindest in diesem Sinn repräsentiert
die Menge des Stroms ein maximales Ausmaß an Strom, der bereitgestellt
werden kann. In einigen Fällen
kann eine oder können
mehrere der Quellen in der Lage sein, Strom effizienter bereitzustellen,
falls sie bei unterschiedlichen Kapazitätsniveaus betrieben werden.
Die Lichtmaschine, beispielsweise, ist in der Lage, Strom zu niedrigeren
Kosten bereitzustellen, falls sie bei gegenwärtigen Fahrzeugbetriebskonditionen
unterhalb der maximalen Leistungsfähigkeit betrieben wird.
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Der
Block 44 kann es auch umfassen, die Kosten zum Bereitstellen
des verfügbaren
Stroms entsprechend einer Rate zu bestimmen, die abhängig von
den Betriebskonditionen der Quelle variiert. Die Kosten können unterschiedliche
Werte umfassen, abhängig
davon, ob die Quelle an oder unterhalb ihrer maximalen Leistungsfähigkeiten
betrieben wird, und zwar für
die gegenwärtigen
Fahrzeugsbetriebskonditionen. Im Falle eines vom Fahruntergrund
abhängigen
Systems können
die Kosten ähnlich
berechnet werden, abhängig
davon, ob das Fahrzeug wahrscheinlich eine Stadtfahrt oder eine
Autobahnfahrt ausführen
wird. Der Untergrund kann aus einer Reisekarte bestimmt werden,
die in ein globales Positionssystem (GPS) eingegeben ist, oder aus einer
Referenz, die angefertigt wurde, basierend auf vergangenen Fahrerfahrungen,
z. B. aus historischen Daten, die eine typische Route repräsentieren,
die ein Fahrer zur Fahrt zur Arbeit für die gegenwärtige Tageszeit nimmt.
Es können
sogar noch mehr Informationen verwendet oder verarbeitet werden,
um die Energieverbrauchsoptimierung zur gegenwärtigen Zeit zu verbessern,
wann immer Mittel verfügbar
sind, mit denen ein zukünftiger
Fahrzeugstatus voraussagbar ist, wie auf GPS basierende Navigationsassistenzvorrichtungen oder
historische Fahrzeugbenutzungsdaten, von welchen das System beispielsweise
weiß,
dass (nähere
Zukunft) ein längeres
abfallendes Gefälle
naht, wobei hiermit die Optimierung beispielsweise dadurch verbessert werden
kann, dass Extraenergie (unterhalb eines zulässigen Schwellwerts) von der
Batterie abgezogen wird, da in kurzer Zeit das System ohne dies
in der Lage sein wird, die Batterie wiederaufzuladen.
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Die
die Kosten repräsentierenden
Werte für
die Bereitstellung der Menge des Stroms können durch einen Benutzer eingegeben
werden, beispielsweise durch einen Benutzer, der die Kosten eingibt,
die anfallen zum Betreiben des mit Brennstoff betriebenen Motors,
und/oder durch eine drahtlose Nachricht, die an das Fahrzeug übermittelt
wird von einer Betankungsquelle während einer Betankungsoperation,
d. h. falls Brennstoff in das Fahrzeug eingefüllt wird. Die Kosten können auch
basiert werden auf zuvor zugewiesenen Werten für bestimmte Fluktuationen des
Fahrzeugbetriebsverhaltens. Die Abnahme von Energie von einem regenerativ
bremsenden Element resultiert beispielsweise in gesteigerter Schlepplast
für das
Fahrzeug und einer Beeinflussung des Fahrzeugbetriebsverhaltens,
d. h., es wird die Last an den Fahrzeugrädern im Austausch für die Erzeugung
von Energie erhöht.
Diesem und anderen Vorfällen
kann für
die Zwecke der Berechnung der Kosten zum Bereitstellen der resultierenden
Energie ebenfalls ein Wert zugewiesen werden.
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Ein
Block 46 bezieht auf die Bestimmung des Stroms, der durch
eine oder mehrere Fahrzeuglasten gefordert wird. Der angeforderte
Strom kann basiert werden auf den elektrischen Betriebsnotwendigkeiten
irgendeiner Fahrzeugvorrichtung (die in diesem Zusammenhang als
eine Last bezeichnet wird). Der angeforderte Strom kann basiert
werden auf einer kumulativen Gesamtheit aller derjenigen Lasten
für die
gegenwärtigen
Fahrzeugbetriebskonditionen. Falls solche Lasten nicht unmittelbar
Strom anfordern, könnten
diese doch wahrscheinlich Strom in nächster Zukunft anfordern, beispielsweise,
um kritische Fahrzeugbetriebsleistungsfähigkeiten, wie Wiederanlassen,
Einschalten einer Alarmquelle, und dergleichen, in jedem Fall sicherzustellen.
Einige der in die Strombedarfsbestimmung eingehenden Fahrzeuglasten
können
Strom repräsentieren, der
erforderlich ist, um ein Infotainmentsystem, ein Heizungssystem,
ein Kühlsystem,
ein Beleuchtungssystem, und ein Sicherheitssystem ordnungsgemäß zu betreiben
zu können.
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In
einigen Fällen
können
einige Vorrichtungen in dem Fahrzeug fluktuieren zwischen Zuständen, in welchen
sie eine Energiequelle und eine Last sind. Die passiven Energiequellen
können
beispielsweise eine solche Vorrichtung umfassen, die abhängig ist
von ihrer SOC. In dem Fall, dass die passive Energiequelle benötigt wird,
um ein Wiederanlassen des Fahrzeugs zu unterstützen, kann diese Quelle beispielsweise
einen Minimum-SOC erfordern, um sicherzustellen, dass das Wiederanlassen
durchführbar
bleibt. Dieser SOC kann als ein Schwellwert benutzt werden, um zu
entscheiden, ob die passive Energiequelle in der Lage ist, Strom zur
Verfügung
zur Verfügung
zu stellen, oder ob es erforderlich ist, dass sie Strom fordert.
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Der
Schwellwert kann variiert werden, z. B. abhängig vom Alter der passiven
Energiequelle, der Temperatur, und von anderen Faktoren, die relevant
sind, um die gewünschte
Operation sicherzustellen. In einem Fall, in welchem der SOC oberhalb
des Schwellwerts liegt, kann die passive Energiequelle so angesehen
werden, als ob von ihr Strom bis zu dem Schwellwert verfügbar wäre. In dem
Fall, dass sich die passive Energiequelle unterhalb des Schwellwerts
befindet, beispielsweise dann, wenn Strom abgenommen werden musste bis
unterhalb des Schwellwerts, um kritische Operationen zu unterstützen, die
nicht ausreichend unterstützbar waren
durch die anderen Energiequellen, dann kann die passive Energiequelle
so berücksichtigt
werden, als wäre
sie eine Last, zumindest bis zu dem Schwellwert.
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Ein
Block 48 bezieht sich auf das Identifizieren eines oder
mehrerer Pläne
oder Schemata zum Bereitstellen des angeforderten Stroms. Die Pläne können basiert
sein auf unterschiedlichen Kombinationen von zumindest einer der
Energiequellen, die Strom bereitstellen, der ausreichend ist, um
insgesamt der angeforderten Strommenge gerecht zu werden. Jeder
der Pläne
kann geplanten bereitzustellenden Strom von der einen oder den mehreren
der Quellen bei unterschiedlichen Niveaus einplanen. Die nachfolgend
gezeigten Tabellen illustrieren mögliche Pläne (fettgedruckt) für einen
angeforderten Strom von 5 A, während
das Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit von 10 MPH (36 km/h) fährt.
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Plan
#1 würde
darin resultieren, dass die Energiequellen gesteuert werden zum
Bereitstellen einer Gesamtheit von 7,5 A bei $ 1,75 pro Ampere.
Plan #2 würde
darin resultieren, dass die gesteuerten Energiequellen eine Gesamtheit
von 5,5 A zu $ 1,5 pro Ampere bereitstellen. In jedem Plan ist die
Strommenge oberhalb der geforderten Menge. Die Pläne können identifiziert
werden mit irgendeiner Anzahl an Kombinationen der notierten Werte
und brauchen nicht stets in Überschussstrom
zu resultieren. Die Überschussstrompläne werden
nur gezeigt, um Gelegenheiten zum Aufladen der passiven Energiequellen
und die zugehörigen
Kosten zu demonstrieren.
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Unter
der Annahme, dass 5 A abgenommen werden, um die Stromanforderungen
zu erfüllen,
resultiert Plan #1 in 2,5 A, die verfügbar sind zum Aufladen der
passiven Energiequelle, und resultiert Plan #2 in 0,5 A verfügbaren Strom
zum Aufladen. Obwohl Plan #1 teurer ist, kann er dennoch wünschenswerter
sein, abhängig
von dem Strom SOC der Batterie, d. h., falls sich die Batterie geringfügig unterhalb
des Schwellwerts befindet und es wünschenswert sein kann, die
Batterie zu laden. Innerhalb jedes Plans kann der von jeder Quelle abgezogene
Strom richtungsmäßig zu spezifischen
Fahrzeuglasten gesteuert werden. Im Fall des Bedarfs, eine der passiven
Quellen aufzuladen, kann Strom von der Beiproduktquelle und/oder
Solarquelle zu der Batterie geleitet werden, so dass die kritischeren
Lasten dann durch die Lichtmaschine versorgt werden. Dies kann vorteilhaft
sein, da die Solarenergie aufgrund variierender Wetterkonditionen
weniger zuverlässig
ist.
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Plan
#2 kann für
den Fall ausgewählt
werden, dass die Lösung
mit den niedrigsten Kosten gewünscht wird,
da Plan #2 in den niedrigsten Gesamtkosten resultiert. Natürlich können auch
andere Kombinationen geplant werden, um die Kosten noch weiter zu
vermindern, z. B. solche, bei denen die Lichtmaschine gesteuert wird,
3,5 A bereitzustellen. Die Plane #1 und #2 umfassen die passive
Energiequelle nicht als Teil von Strom bereitstellenden Quellen.
Dies kann zweckmäßig sein,
um den Betrieb der passiven Energiequelle zu konservieren, beispielsweise
für den
Fall, dass die passive Energiequelle SOC bereits nahe am Schwellwert
ist, und/oder in dem Fall, dass die Kosten zum Laden der passiven
Energiequelle zu hoch wären,
so dass unter den gegenwärtigen
Fahrzeugbetriebskonditionen ihre Entladung toleriert wird.
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Ein
Block 50 bezieht sich auf die Organisation der Verteilung
des Stroms entsprechend eines der zwei im Block bestimmten Plane.
Dies kann es beispielsweise umfassen, die Energieverteilung der
geplanten (Plan #2) zu organisieren entsprechend, der basierend
auf den Kosten die niedrigsten Kosten verursachen wird. Weiterhin
können,
z. B. abhängig
von Fahrzeugprioritäten
und Sicherheitspolitik, einige Lasten sogar abgekoppelt oder nur
zum Teil mit Leistung versorgt werden, um das Aufladen der Batterie
vorrangig zu machen (unter Berücksichtigung
einer Priorität,
mit der genügend
Energie zum Starten des Motors in naher Zukunft sichergestellt wird).
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Natürlich kann
zum Auswählen
des zu verwendenden Plans bei der Organisation der Energieverteilung
auch irgendeine Anzahl anderer Strategien verwendet werden. Beispielsweise
kann unter Berücksichtigung
einer Emissionskosten-Bewertung eine ähnliche Steuerstrategie implementiert
werden, bei welcher der Wert oder die Kosten eingesetzt werden entsprechend
einer Menge an CO2-Emissionen, die zum Erzeugen der
Energie generiert werden, eher als eine Auswahl der Plane entsprechend
einer geldbezogenen Struktur, gemäß welcher die Vorteile der
Bereitstellung von Energie aus einer Quelle oder einer anderen auf
einem geldbezogenen Wert basiert wird. Der Plan, der die niedrigsten
Emissionskosten im vorerwähnten
Fall erbringt, d. h. der Plan, gemäß welchem das geringste Ausmaß an Emissionen
produziert wird, kann dann gewählt
werden.
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Optional
kann zum Organisieren der Energieverteilung die Emissionskosten-Bewertung
in Kooperation mit der geldbezogenen Kostenbewertung, verwendet
werden. Beispielsweise können
in einem Fall multiple Pläne
benutzt werden, die dieselben geldbezogenen Kosten hervorrufen,
oder zumindest annähernd
dieselben Kosten hervorrufen (z. B. innerhalb von 5–15% voneinander
abweichen), wobei letztendlich der Plan ausgewählt werden kann, der zu den
niedrigeren Emissionskosten führt.
Die Bewertung in Bezug auf Emissionen oder auf Geld kann auch entsprechend
Emissionskostenschwellwerten kombiniert werden, derart, dass nur Plane
berücksichtigt
werden, die zu Emissionskosten unterhalb eines bestimmten Schwellwerts
führen,
sobald der Plan ausgewählt
wird, welcher zu den niedrigsten geldbezogenen Kosten führt.
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Um
das hiermit umschlossene, auf Emissionen basierende Bewertungssystem
zu ermöglichen,
können
ein oder mehrere Emissionssensoren eingeschlossen und benutzt werden,
um die Emissionen der Brennstoff verbrauchenden Quellen (Motor,
Brennstoffzelle, etc.) zu ermitteln, während elektrische Energie erzeugt wird.
Im Falle der passiven Elemente können
die Emissionskosten für
die Bereitstellung von Energie basiert werden auf Emissionen, die
zuvor beim Aufladen der zumindest einen passiven Quelle erzeugt
wurden.
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Wie
durch Obiges gestützt,
bezieht sich ein nichtbeschränkender
Aspekt der vorliegenden Erfindung auf eine Vorrichtung, wie einen
smarten Energienetzübergang
(SEG; Smart Energy Gateway), der betreibbar ist, um die Energieflüsse in einem
Fahrzeug vollständig
zu steuern. Beispielsweise kann der SEG unterschiedliche Spannungen
und eine oder mehrere Stromflüsse
zwischen unterschiedlichen Komponenten des elektrischen Verteilungssystems
steuern (z. B. Generatoren und Quellen, Speicherungssysteme, Verbraucher
oder andere passende Komponenten).
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Wie
durch Obiges gestützt,
lässt sich
mit nichtbeschränkenden
Aspekten der vorliegenden Erfindung ein optimiertes System erzielen,
welches mehrere Erzeugungsquellen und mehrere Speicherungselemente umfasst.
Optional ist die vorliegende Erfindung in der Lage, eine oder mehrere
der folgenden Fähigkeiten
zu unterstützen:
- • Leistungsquellen
mit unterschiedlichen Leistungs- und Spannungs/Strom-Variationsbereichen;
- • Leistungsquellen,
welche zu einer Last Leistung individuell oder gleichzeitig liefern
können;
- • der
von irgendeiner Quelle/einem Speicherungselement zu irgendeiner
Last/Speicherungselement fließende
Strom sollte stets steuerbar sein; hierzu wird eine Einstellung
getroffen für
den passenden Energieflusspfad und die passende Transformationsstrategie
zum Kombinieren der mehreren Quellen in einer einzigen Leistungsnetzleitung;
- • Auswählen der
passenden Quellen/Speicher-Zuführkonfiguration
basierend auf Fahrzeugkonditionen zur Energieeffizienz;
- • Maximieren
der Effizienzumwandlung für „nicht
freie” Energie
(d. h., von einem Brennstoffverbrauch erhaltener Energie;
- • Fähigkeit
zum Integrieren von Steueralgorithmen wie maximale Leistungspunktverfolgung
(MPPT; Maximum Power Point Tracking), verwendet für Erzeugungselemente
wie Photovoltaik- oder Thermoelektrische-Erzeugungs-Reihen.
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Entsprechend
eines nichtbeschränkenden
Aspekts der vorliegenden Erfindung werden mehrere Erzeugungsquellen
(d. h. Solarpaneel ...) und Speicherungselemente (d. h. Ultra-Caps, Ultrakondensatoren, zweite
Batterien ...) verwendet, um einen breiten Bereich die Optionen
bereitzustellen, die zum Organisieren und Optimieren von Energieflüssen geboten
sind. Dies kann erzielt werden mit einer vollständigen Systemquerverbindung
und -steuerung, die daraufhin optimiert ist, die besten Energieverwendungsvorteile
zu erzielen.
