CN106794771B

CN106794771B - 车载电路组件和用于使可利用燃料电池电驱动的交通工具的车载电路运行的方法

Info

Publication number: CN106794771B
Application number: CN201580054310.4A
Authority: CN
Inventors: M.迪韦尔; A.韦斯; O.阿克塔斯; H.施勒德
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2035-06-29
Also published as: WO2016020117A1; US10076972B2; CN106794771A; US20170225590A1; DE102014215536A1

Abstract

本发明提出一种车载电路组件和用于使可电驱动的交通工具的车载电路运行的方法。该方法包括以下步骤：‑在第一时刻测定具有动态功率消耗特性的部件的当前电功率消耗，‑通过使在时间上的功率消耗特性平整，提供基础值，‑通过将静态的功率偏量加到基础值上，定义用于组件的功率储备(P_res)，以及‑限制可供交通工具的牵引机使用的车载电路功率以用于为部件提供已定义的功率储备。

Description

车载电路组件和用于使可利用燃料电池电驱动的交通工具的车载电路运行的方法

技术领域

本发明涉及一种独立供电网络组件、以下“车载电路组件”，以及一种用于使可电驱动的交通工具的独立供电网络组件、以下称为“车载电路”运行的方法。尤其地，本发明涉及一种当在独立供电网络/车载电路中存在动态功率消耗器时的功率管理方案。

背景技术

目前，私人交通车辆的电气化飞速发展。利用电能供给车辆和其它交通工具的方案以使用燃料电池为基础。例如借助于电驱动的涡轮压缩机、压缩器或鼓风机为燃料电池供给新鲜空气并且由此供给氧气。如果需要高的燃料电池功率输出，必须确立高的涡轮压缩机转速，这例如在使用在车载电路中(例如在电池中)电化学地储存的能量实现。于是，对于动态过程，为动态部件(例如涡轮压缩机)准备确定的功率有效性。由此，这一部分不可用于车辆的电动行驶或加速，而驾驶员察觉不到扭矩损失。

文献DE 10 2007 036 665 A1公开了一种用于根据情况匹配电的车载电路的功率有效性的方法，在其中，通过适配车载电路的最小电压，根据实际需要的电功率预定由车载电路为车载电路的电子机械的消耗器提供的功率。为了保证车载电路运行，考虑消耗器可转化的最大功率的最坏情况，并且相应地调整车载电路电压。对于突变式增加的功率水平，提出概率考虑，以减小车载电路的过载概率。

文献DE 198 10 467 C1公开了一种用于燃料电池车辆的混合动力驱动方案，在其中，设置两个独立的、设有开关装置的电流回路以用于选择性地使电动车马达或电的附加消耗器与燃料电池或蓄能器相连接。根据开关状态，可相应于车辆运行状态连接附加消耗器、蓄能器和燃料电池。

文献DE 101 60 480 A1公开了一种用于协调地控制在机动车中的机械、电和热功率流的方法和装置。在此，通过质量标准描述电功率储备的不同形式并且以此为基础确定用于机动车的理论运行状态。

存在对用于管理在车载电路中的功率储备的更好的方法的需求。

发明内容

根据本发明，以上确定的目的通过根据本发明的方法，并且通过根据本发明的车载电路组件实现。该方法用于使可电驱动的交通工具的车载电路运行，该交通工具例如具有燃料电池作为蓄能器。在第一步骤中，测定具有动态功率消耗特性的部件(例如消耗器)的当前电功率消耗。尤其地对于燃料电池的涡轮压缩机给出这种类型的动态的功率消耗特性。高的转速和加速以及在此待加速的质量与涡轮压缩机的输出功率相结合也用于在电的车载电路中的高动态过程。在第二步骤中，通过使在时间上的功率消耗特性平整，提供用于部件的功率消耗特性的基础值。换句话说，通过部件的功率消耗特性的平整提供基础值函数(“随时间变化的基础值”)。紧接着，通过将静态的功率偏量加到之前测定的基础值上，定义用于部件的功率储备。以这种方式，通过基础值反映对于静态运行情况的涡轮压缩机的功率消耗，并且通过功率偏量在电的车载电路上考虑和预留用于涡轮压缩机的动态过程的功率消耗。

紧接着，限制可供交通工具的牵引机使用的车载电路功率以用于提供已定义的功率储备。例如，可如此操控交通工具的牵引机，即，其功率消耗不使可供部件使用的车载电路功率下降到已定义的功率储备之下。可供使用的车载电路功率例如基本上可通过电化学的蓄能器提供，该蓄能器可基本上立即为部件提供所需的电功率。例如，传统的电池具有相应的端子特性。根据本发明，例如实现起动涡轮压缩机以用于使燃料电池运行，而在此不会由于可供使用的电功率过小得到延迟。这改善了例如借助于燃料电池驱动的交通工具的动态特性。

此外说明了本发明的优选的改进方案。

优选地，在第二时刻可识别，部件的当前的电功率消耗大于功率储备。作为对其的响应，可将功率储备至少提高到这样的值上，即，该值相应于在第二时刻的部件的当前电功率消耗。例如，为此可限制交通工具的电驱动的牵引机的电功率消耗。也可根据其它电消耗器的运行状态，减小或停止其电功率消耗以提高功率储备。

为了避免功率储备过低，可在这样的点处修正基础值，即，在该点处在第二时刻部件的当前电功率消耗大于或已经大于功率储备。以这种方式，可为将来提供修正的基础值，该基础值与静态的功率偏量相结合被定义成以后的功率储备。以这种方式，可更靠地保证用于使部件运行所需的车载电路的电的功率有效性。

更为优选地，该方法可包括识别部件的静态的运行状态，其中，该运行状态的特征尤其是部件系统的最大运行点(例如最大转速或燃料电池的功率输出，一般小于最大电功率消耗)。换句话说，“寻找”这样的运行点，即，在其中，不出现其它需要比部件的当前功率消耗更高的电功率的动态过程。作为对静态的运行状态识别的响应，可减小用于部件的功率储备。这例如可通过减小静态偏量和/或基础值实现。尤其地在用于燃料电池的涡轮压缩机的最大转速时达到部件的静态运行状态，因为在该时刻需要附加能量的加速过程已经消退。这种运行状态尤其地与相关联的燃料电池的最大电输出功率相关，从而不能实现进一步提高所需的功率。例如在交通工具的持续的加速状态的情况中，可使用通过减小功率储备释放的功率用于交通工具的电驱动。以这种方式，与根据现有技术实现的相比，可更灵敏地设计交通工具的行驶特性。

例如可在时间上逐步地进行在部件的静态运行状态中的功率储备的减小。例如，可在预定的时刻/时间间隔实现初始预留的功率储备的不同的(减小的)百分比。备选地或附加地，可从识别出静态运行状态开始在预定的持续时间之后实现功率储备的减小。此外，可连续地进行功率储备的减小，以便例如为交通工具的牵引机释放的功率不可导致驾驶员可察觉到的驱动力矩波动。

部件例如可为空调压缩机、涡轮压缩机、螺旋式压缩机、液压机组、(电)加热装置、电动机、功率电子设备或增压装置。上述示例表示这样的车载电路消耗器，即，其可相对动态地发挥、确切地说取用偶尔的显著的功率。在此，根据本发明的方法可在不损失舒适性的情况下实现这些部件的可靠运行。

在平整在时间上的功率消耗特性以建立基础值/基础函数的情况中，可减小侧面斜度。尤其优选地，可以与下降的侧面不同地来平整上升的侧面。例如，如果更弱地平整具有正的梯度的区段以便尤其好地塑造功率消耗特性、确切地说从中测定的基础值的特别的动态上升，则可较弱地平整具有负的梯度的区段，以在功率消耗下降的情况中，在车载电路上的明显剧烈变化的过程消退之前，首先准备更高的功率储备。根据本发明，也可以使用其它滤波或“平整变型方案”。

根据本发明提出的功率储备的定义例如可在车载电路的第一运行状态中进行，并且应用在与第一运行状态相似或相同的第二运行状态中。例如，为此可使用测量数据，单个消耗器的功率消耗和功率消耗特性曲线和/或对在车载电路上预期的过程的了解。如果与在数据储存器中保存的、根据本发明已经为其测定了功率储备的第一运行状态相比，得到当前运行状态是相似的或相同的，则可在出现相应的功率情况之前已经使缓冲量与其相匹配，以便在不损失舒适性的情况下实现电子动态的部件的可靠运行。

根据本发明的第二方面，提出一种用于可电驱动的交通工具的车载电路组件。车载电路组件包括至少一个具有动态功率消耗特性的部件(例如交通工具的燃料电池的涡轮压缩机)、至少一个用于供给车载电路的电能量源或能量转换器(例如牵引电池/起动机电池、燃料电池)、至少一个能量消耗器(例如牵引马达)、处理单元(例如包括微控制器的电控制器)和用于检测在车载电路上或在其部件中的电过程的检测单元。检测单元也可实施成电控制器并且例如可与处理单元一起实施成一个空间单元。通过以上所述的硬件，车载电路组件设定成，用于实施根据第一所述的发明方面的方法。特征、特征组合和从中得到的优点相应于结合根据本发明的方法所实施的而明显的是，为了避免重复参考以上实施方案。

根据本发明的第三方面，提出一种可电驱动的交通工具(例如车辆、优选地乘用车、运输机或载重货车)，其包括根据第二所述的发明方面的车载电路组件。尤其地对于交通工具包括作为牵引能量源的燃料电池和用于支持车载电路的电化学的蓄能器的情况，根据本发明可保证用于使燃料电池运行的涡轮压缩机的功率有效性并且提高交通工具的灵敏性。

附图说明

接下来参考附图详细描述本发明的实施例。其中：

图1显示了根据本发明的实施例的车载电路组件的原理图；

图2显示了图解说明根据本发明的车载电路组件的实施例的运行方式的转速-时间图和功率时间图；

图3显示了图解说明在根据现有技术的可电驱动的交通工具的示例中的功率流的功率分支图；

图4显示了图解说明在根据本发明的可电驱动的交通工具的实施例中的功率流的功率分支图；

图5和6显示了图解说明在瞬时功率、基础值、静态偏量和匹配的基础值之间的关系的功率-时间图；

图7显示了图解说明平整过程的功率-时间图；以及

图8显示了图解说明根据本发明的方法的实施例的步骤的流程图。

具体实施方式

图1显示了车载电路组件10的示意图，通过作为电化学的蓄能器的电池3和燃料电池1以电能供给车载电路10。通过电导线4使牵引机5、加热装置6和空调设备7与燃料电池1和起动机电池3电连接。为了使燃料电池1运行，设置电的涡轮压缩机2作为具有动态功率消耗特性的部件。涡轮压缩机2同样通过电导线4供电。

图2根据功率-时间图显示了燃料电池的功率输出增加的状态，其中，在时间t上描绘了用于燃料电池的涡轮压缩机的增加的转速n(以百分比)。附加地，在时间t上描绘了用于涡轮压缩机的电功率消耗P_TV(以百分比)。由于在涡轮压缩机的转速提高的情况中消退的动态过程，功率消耗P_TV在达到最大电功率消耗P_{TV max}之后又下降，尽管绝对转速n_TV首先还是继续缓慢增加。

根据现有技术，通过预留最大功率消耗_{PTV max}已经保证了涡轮压缩机的运行准备。然而，仅仅在有限的时间段中出现该最大功率消耗。而在整个时间周期上储备功率提前量P_Res,SdT。出于该原因，根据本发明动态地适配功率提前量P_Res，从而保证，在任意时刻都可充分地提供功率储备。通过与现有技术相比更少地储备的功率提前量(P_Res,SdT＞P_Res)这导致牵引驱动部的功率潜力P_trak,zus提高。由于在达到最大电功率消耗P_{TV max}之后如示出的那样预期到更小的功率消耗P_TV，根据本发明此外进行功率储备P_Res的逐渐减小。在达到最大功率P_TV并且识别出(局部)静态的运行点之后，维持功率储备P_Res经预定的持续时间t_d且紧接着才使其减小，以便为牵引机提供附加的功率P_trak,zus。功率储备P_Res表示在为涡轮压缩机提供的缓冲功率P_P和实际上由涡轮压缩机消耗的功率P_TV之间的差。由此，在最大功率消耗P_{TV max}和功率P_P之间，得到根据本发明活动的功率储备P_trak,zus，其例如可供交通工具的牵引机使用。结果，尤其地在其中可预期其电功率消耗不再提高的电部件的运行状态中，保证交通工具的提高的敏捷性。换句话说，可有利地影响全负载状态(快速加速或在尤其高的速度下行驶)。

图3显示了在车载电路中可供使用的功率P_B的功率流，其大部分P_trakt被输送给交通工具的牵引机5。如在现有技术中通常的那样，储备固定的份额P_{TV max}供涡轮压缩机2使用。如果涡轮压缩机2不消耗全部功率_{PTV max}，而是仅仅消耗部分的当前功率P_TV，不用功率储备P_Res。根据现有技术，其不能用于牵引机5。

图4显示了在所有局部的动态过程(应意味着，所有为此重要的动态过程)消退之后在车载电路中可供使用的功率P_B的相对于图3根据本发明改进的功率流，其中，由涡轮压缩机2消耗的电功率P_TV相对图3不变。然而根据本发明，功率储备P_Res明显损失更小，因为可为牵引机5提供附加的功率P_trakt,zus。相应地，可更好地完成加速过程和其它高的负载状态。

图5图解说明了在建立根据本发明的功率储备P_p1的情况中的根据本发明的过程。在此，平整在时间上的涡轮压缩机的当前功率消耗P_TV，其中，所产生的基础值函数P_bas1或所产生的基础值尤其地跟随功率P_TV的“基础线”。在该基础值函数P_bas1上加上在时间上基本上恒定的偏量P_off。结果作为P_p1给出。可看出，在区域8,9中涡轮压缩机的功率需求P_TV大于准备的缓冲量P_p1。

图6显示了用于避免在图5中图解说明的问题的根据本发明的措施。在此，在区域8,9中使基础值P_bas1相应于在功率P_TV与功率提前量P_p1之间的差来提升。结果作为P_bas2示出。如果使修改的基础值P_bas2以从图5中已知的静态偏量P_off提高到修改的准备的功率P_p2，可无延迟地从车载电路中提供涡轮压缩机的功率P_TV的所有范围，而为此不必事先减小其它消耗器的功率消耗。

图7显示了用于减小为涡轮压缩机储备的功率P_p.的可能性。相对于在现有技术中准备的涡轮压缩机的最大功率消耗P_{TV max}，得到根据本发明更大的释放的功率P_trak,zus。

图8显示了根据本发明的实施例的方法的步骤。在步骤100中，测定在第一时刻的涡轮压缩机的功率消耗特性。这例如可通过在已知车载电路电压/独立供电网络电压时测量通过涡轮压缩机的电流来进行。在步骤200中，检查，涡轮压缩机的功率的功率梯度是否小于0。如果是这种情况(Y)，则在步骤300中通过具有时间常数t1的滤波器平整涡轮压缩机的功率，以建立或修正基础值。如果功率梯度不小于0(N)，则在步骤400中使用具有时间常数t2的滤波器用于平整涡轮压缩机的功率。在该实施例中，t1＜t2。紧接着在步骤500中检查，涡轮压缩机消耗的电功率是否是静态的。如果是这样的情况(Y)，则在步骤600中减小功率储备P_Res并且调度车载电路功率用于另外的消耗器(例如牵引机)。然而，如果功率不是静态的(N)，则在步骤700中将功率提前量P_Res提高到之前定义的最大值(或者额定值或默认值)并且如有必要为此减小在车载电路中其它消耗器的功率消耗。紧接着在步骤800中，相应地确定缓冲量。例如，将之前在步骤600或700中测定的静态的偏量加到在步骤300和400中测定的基础值上，以定义在时间上的功率提前量。

在步骤900中检查，涡轮压缩机的当前功率消耗是否大于为涡轮增压机储备的电功率。换句话说，检查，涡轮增压机的理论输出功率所需的电功率是否被提供到其端子处。如果不是这种情况，则在步骤1000中修正在步骤800中确定的功率提前量。

在此，在功率储备不充分的时刻可如此提高在步骤300或400中确定的基础值，即，从涡轮压缩机的功率值中减小静态的偏量得到该基础值。换句话说，使功率提前量自动地提高到相应于涡轮压缩机的当前电功率消耗的值上。相反地如果在步骤900中测定，预留的功率等于或大于涡轮压缩机的当前功率需求，则在步骤1100中结束方法。

为了考虑用于使燃料电池运行的涡轮压缩机的动态性能，设置缓冲量。就此而言，发明者确定，虽然静态的缓冲量可有助于可靠地供给涡轮压缩机的功率需求。然而，在另一方面也已经已知，如此设计的车载电路落后于理论的可能性(例如相对于车辆的电池加速)。因此，根据本发明，优选地，仅仅当还未达到燃料电池的最大功率时，才进行预留。在最大功率时，才不再通过涡轮压缩机预测动态过程，并且可减小功率提前量。如果燃料电池在稍后的时刻需要比最大功率更少的功率，可为了准备可能的动态过程再次提高功率提前量。

虽然已经根据结合附图阐述的实施例详细描述了根据本发明的方面和有利的实施形式，对于本领域技术人员来说可实现对所示出的实施例的特征的修改和组合，而未脱离本发明的范围。

附图标记清单

1燃料电池

2涡轮压缩机

3电池

4电导线

5牵引机

6加热装置

7空调设备

8,9有问题的功率范围

10车载电路

100-1100方法步骤

P_res用于涡轮压缩机的动态过程的功率储备

P_p为涡轮压缩机预留的功率

P_{TV max}涡轮压缩机的最大功率消耗

P_{trakt zus}附加的可供牵引机使用的功率

n转速

n_TV涡轮压缩机的转速

P_B车载电路功率

P_trakt牵引机的功率

P_bas1,2基础值，基础值函数

P_off功率偏量

t_d预定的时间延迟。

Claims

1.一种用于使能电驱动的交通工具的独立供电网络运行的方法，其包括以下步骤：

- 在第一时刻测定具有动态功率消耗特性的第一部件(2)的当前电功率消耗，

- 通过使在时间上的功率消耗特性平整，提供基础值，

- 通过将静态的功率偏量加到所述基础值上，定义用于所述第一部件的功率储备P_res，以及

- 限制能供所述交通工具的第二部件使用的车载电路功率以用于为所述第一部件(2)提供已定义的功率储备，其中，所述交通工具的第二部件是牵引机。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述独立供电网络是车载电路(10)。

3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括，

- 识别出，在第二时刻所述第一部件(2)的当前的电功率消耗大于所述功率储备，并且作为对其的响应，

- 将所述功率储备至少提高到与在所述第二时刻所述第一部件(2)的当前电功率消耗相应的值上。

4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括，

- 在这样的点处修正所述基础值，即，在所述点处在所述第二时刻所述第一部件的当前电功率消耗大于所述功率储备。

5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括，

- 在稍后的第三时刻使用所述修正的基础值作为基础值。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其进一步包括，

- 识别所述第一部件(2)的静态的运行状态，在所述运行状态中，所述第一部件消耗最大电功率，并且作为对其的响应，

- 减小所述功率储备。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，减小所述功率储备到当前由所述第一部件消耗的电功率上。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，在时间上逐步进行所述功率储备的减小。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，从识别出所述静态运行状态开始在预定的持续时间t_d之后进行所述功率储备的减小。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，连续地进行所述功率储备的减小。

11.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其中，从以下列表中选出所述第一部件(2)：

- 空调压缩机，

- 涡轮压缩机，

- 螺旋式压缩机，

- 液压机组，

- PTC-加热装置，

- 电动机，

- 功率电子设备，

- 增压装置。

12.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其中，

- 通过燃料电池(1)为所述独立供电网络供给电能，并且

- 所述第一部件(2)包括所述燃料电池(1)的附加机组。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述燃料电池(1)的附加机组以涡轮压缩机的形式。

14.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其中，在平整的情况中减小在时间上的功率消耗特性的侧面斜度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，与具有负的梯度的区段相比更弱地平整具有正的梯度的区段。

16.一种用于能电驱动的交通工具的独立供电网络组件，其包括：

- 具有动态功率消耗特性的第一部件(2)，

- 用于供给所述独立供电网络的电能量源，

- 处理单元，以及

- 检测单元，

其中，所述独立供电网络组件设定成，用于执行根据权利要求1-15中任一项所述的方法。

17.一种能电驱动的交通工具，其包括根据权利要求16所述独立供电网络组件。

18.根据权利要求17所述的交通工具，其中，所述交通工具是车辆。

19.根据权利要求17所述的交通工具，其中，所述交通工具是乘用车或运输机或载重货车。