DE102014211701A1

DE102014211701A1 - Kraftfahrzeug mit elektrischer und thermischer Energieversorgung für externe Verbraucher und Regelungsverfahren

Info

Publication number: DE102014211701A1
Application number: DE102014211701.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Felgenhauer; Christian Knobel; Andreas Danzer; Bodo Gohla-Neudecker
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2015-12-24

Abstract

Es wird ein Kraftfahrzeug mit einer Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung thermischer und/oder elektrischer Energie, einer Übertragungsvorrichtung für thermische Energie an einen fahrzeugexternen Verbraucher und/oder einem Anschluss zur Übertragung von elektrischer Energie an einen ruhenden oder mit dem Kraftfahrzeug mitbewegten fahrzeugexternen Verbraucher beschrieben. Das Kraftfahrzeug weist eine Steuerungseinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, eine für den fahrzeugexternen Verbraucher vorgegebene Temperatur und/oder eine für den fahrzeugexternen Verbraucher zu erzeugende elektrische Leistung, zu regeln. Weiterhin wird ein Verfahren zur Erzeugung und Übertragung thermischer und/oder elektrischer Energie durch ein Kraftfahrzeug an einen fahrzeugexternen Verbraucher beschrieben. Dabei werden eine für den fahrzeugexternen Verbraucher vorgegebene Temperatur und/oder eine für den fahrzeugexternen Verbraucher zu erzeugende elektrische Leistung geregelt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einer Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung thermischer und/oder elektrischer Energie sowohl bei ruhendem als auch bei bewegtem Kraftfahrzeug, einer Wärmeübertragungsvorrichtung zur Übertragung von thermischer Energie an einen ruhenden oder mit dem Kraftfahrzeug mitbewegten fahrzeugexternen Verbraucher und einem Anschluss zur Übertragung von elektrischer Energie an einen ruhenden oder mit dem Kraftfahrzeug mitbewegten fahrzeugexternen Verbraucher. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Energieversorgungssystem. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung und Übertragung thermischer und/oder elektrischer Energie durch ein Kraftfahrzeug an einen fahrzeugexternen Verbraucher.
Herkömmlich wird die Wärmeversorgung von fahrzeugexternen Verbrauchern, wie zum Beispiel Wohnwagen, Wohnmobilen, Ferienhäusern oder andere Wohnanlagen, durch ein Kraftfahrzeug üblicherweise nur durch eine fahrzeugexterne, elektrisch-thermische Energieumwandlung gedeckt. Dabei wird von dem Kraftfahrzeug beispielsweise über einen Generator elektrische Energie erzeugt, die anschließend, zum Beispiel durch ein elektrisches Heizsystem, in thermische Energie gewandelt wird. Durch die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie ergibt sich eine höhere Systemkomplexität, da ein zusätzlicher Energiewandler benötigt wird. Ferner führt der zusätzliche Energieumwandlungsschritt zu einem schlechteren Gesamtwirkungsgrad, da bei der Wandlung der Energieformen Verluste auftreten und zudem die Fahrzeugabwärme nicht genutzt werden kann.
In DE 10 2009 010 095 A1 wird ein hybrid-elektrisches Fahrzeug beschrieben, das ein Haus mit elektrischer Energie und Wärmeenergie versorgt. Dabei werden die Wärmeenergie führenden Medien, wie zum Beispiel das Kühlwasser oder die Abgase, direkt dem Wärmekreislauf des Hauses zugeführt. Dieses Konzept lässt sich jedoch nur bei einem entsprechend eingerichteten externen Wärmeverbraucher realisieren. Beispielsweise muss ein Wärmetauscher im Kamin des Hauses installiert sein, um die Wärme der Abgase des Fahrzeugs nutzen zu können. Zur Speicherung überschüssiger Wärmeenergie wird ein Wärmespeicher erwähnt. Allerdings ist eine derartige Einrichtung für den Fall eines schwankenden Bedarfs nur für eine kurzfristige Speicherung von Wärmeenergie geeignet.
Es ist folglich Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug sowohl bei ruhendem als auch bewegtem Kraftfahrzeug mit einer flexibleren und universeller nutzbaren elektrischen und thermischen Energieversorgung externer ruhender oder mit dem Kraftfahrzeug bewegter Verbraucher zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände des Patentanspruchs 1, des Patentanspruchs 10 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, wobei insbesondere die Möglichkeit besteht, die Ansprüche einer Kategorie entsprechend den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weiterzubilden.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst eine Steuerungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, sowohl bei ruhendem als auch bei bewegtem Kraftfahrzeug eine für den ruhenden oder mit dem Kraftfahrzeug mitbewegten fahrzeugexternen Verbraucher vorgegebene Temperatur und eine für den ruhenden oder mit dem Kraftfahrzeug mitbewegten fahrzeugexternen Verbraucher zu erzeugende, beispielsweise über den Anschluss zur Übertragung elektrischer Energie zur Verfügung stehende, elektrische Leistung zu regeln. Durch die Regelung der Temperatur und der elektrischen Leistung lässt sich die Energieerzeugung des Kraftfahrzeugs an den aktuellen Bedarf des fahrzeugexternen Verbrauchers bezüglich Energiemenge und Energieart anpassen. Somit ergibt sich eine effektivere Ausnutzung der von dem Kraftfahrzeug verbrauchten Primärenergie. Als Primärenergieträger kommen beispielsweise Kraftstoffe, insbesondere Kohlenwasserstoffe oder andere fossile Kraftstoffe, Wasserstoff, Alkohole, wie zum Beispiel Ethanol oder Methanol, oder andere Träger chemischer Energie in Betracht.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem umfasst das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und einen fahrzeugexternen Verbraucher. Wie später noch ausführlicher beschrieben wird, kann der fahrzeugexterne Verbraucher an das die Energie erzeugende Kraftfahrzeug entsprechend angepasst sein und zum Beispiel Funktionen des Energieversorgungssystems, wie zum Beispiel der Steuerung des Systems oder die Speicherung von Energie, wahrnehmen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung und Übertragung thermischer und/oder elektrischer Energie durch ein ruhendes oder bewegtes Kraftfahrzeug an einen ruhenden oder mit dem Kraftfahrzeug mitbewegten fahrzeugexternen Verbraucher wird eine für den fahrzeugexternen Verbraucher vorgegebene Temperatur und/oder eine für den fahrzeugexternen Verbraucher zu erzeugende elektrische Leistung geregelt. Anders ausgedrückt, werden die Temperatur des externen Verbrauchers bzw. die Temperatur, auf die der externe Verbraucher geheizt werden soll, sowie die für den externen Verbraucher zur Verfügung stehende elektrische Leistung geregelt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist die Steuerungseinrichtung eine Recheneinheit auf, die dazu eingerichtet ist, auf Basis einer vorgegebenen Temperatur und/oder einer vorgegebenen elektrischen Leistung eine Soll-Leistung der Energieerzeugungseinrichtung zu berechnen, welche ausreichend ist, um den vorgegebenen Temperaturwert und/oder den vorgegebenen elektrischen Leistungswert zu erreichen. Die Soll-Leistung der Energieerzeugungseinrichtung muss also groß genug sein, um sowohl den Wärmebedarf des externen Verbrauchers als auch die von diesem benötigte elektrische Leistung zu erzeugen. Die vorgegebene Temperatur und die vorgegebene elektrische Leistung kann von einer beispielsweise von der Steuerungseinrichtung umfassten Eingabeeinrichtung als Eingabesignal empfangen werden.
Die Recheneinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine erste Soll-Leistung der Energieerzeugungseinrichtung zu berechnen, welche ausreichend ist, um die vorgegebene elektrische Leistung zu erreichen, und/oder eine zweite Soll-Leistung der Energieerzeugungseinrichtung zu berechnen, welche ausreichend ist, um die vorgegebene Temperatur zu erreichen.
Die Recheneinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, die zweite Soll-Leistung unter Berücksichtigung der durch Temperatursensoren gemessenen Temperaturen und der durch die Länge eines Wärmeübertragungswegs entstehenden Wärmeverluste zu berechnen. Der Wärmeübertragungsweg kann beispielsweise mehrere stoffführende Systeme, wie zum Beispiel einen Kühlkreislauf, einen Wärmetauscher und einen zweiten Stoffkreislauf zur Wärmeübertragung umfassen. Die gemessenen Temperaturen können zum Beispiel in dem Kühlkreislauf und in dem zweiten Stoffkreislauf gemessene Temperaturwerte sein. Weiterhin kann auch eine Umgebungstemperatur mit in die Berechnung der Wärmeverluste einfließen. Der Wärmeverlust erhöht sich auch mit der Länge des Wärmeübertragungswegs.
Die Steuerungseinrichtung kann zudem eine Auswahleinheit aufweisen, die dazu eingerichtet ist, falls die erste Soll-Leistung größer als die zweite Soll-Leistung ist, die erste Soll-Leistung als Soll-Leistung auszuwählen und die Energieerzeugungseinrichtung eventuell auch mit Hilfe einer zusätzlichen Ansteuerungseinheit, die Teil der Steuerungseinrichtung ist, auf die ausgewählte Soll-Leistung einzustellen. Optional kann die Steuerungseinrichtung in diesem Fall dazu eingerichtet sein, die vom externen Verbraucher nicht benötigte elektrische Energie in einem fahrzeuginternen elektrischen Energiespeicher zu speichern oder an Peripheriegeräte des Kraftfahrzeugs weiterzuleiten. Falls die erste Soll-Leistung kleiner als die zweite Soll-Leistung ist, kann die Auswahleinheit dazu eingerichtet sein, die zweite Soll-Leistung als Soll-Leistung auszuwählen und die Energieerzeugungseinrichtung auf die ausgewählte Soll-Leistung eventuell auch mit Hilfe einer zusätzlichen Ansteuerungseinheit, die Teil der Steuerungseinrichtung ist, einzustellen. Zusätzlich kann die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet sein, die von dem externen Verbraucher nicht benötigte thermische Energie abzuführen und/oder den Wärmetransport zu dem externen Verbraucher zu reduzieren bzw. die genannten Vorgänge entsprechend zu steuern. Das Abführen der überschüssigen thermischen Energie kann beispielsweise über einen Radiator des Kraftfahrzeugs geschehen. Der Wärmetransport zu dem externen Verbraucher hin kann zum Beispiel durch Verringern oder Erhöhen des Stoffflusses der stoffführenden Systeme reguliert werden. Sind die erste und die zweite Sollleistung gleich, so kann als ausgewählter Sollwert ein beliebiger der beiden in diesem Fall gleichen Sollwerte ausgewählt werden.
In einer besonders benutzerfreundlichen Variante kann die Steuerungseinrichtung einen Komfortmodus aufweisen, bei dem die vorgegebenen Temperatur- und Leistungswerte im Rahmen der Steuergenauigkeit eingehalten werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuerungseinrichtung einen Effizienzmodus aufweisen, bei dem vorbestimmte Abweichungen von den vorgegebenen Temperatur und/oder Leistungs-Werten zugelassen werden, um einen energieeffizienten Betriebsbereich der Energieerzeugungseinrichtung, beispielsweise einen Verbrennungsmotor, anzusteuern. Ferner kann die Steuerungseinrichtung auch einen Wärmemodus umfassen, bei dem ein Betriebspunkt mit schlechtem mechanischem Wirkungsgrad gewählt wird, um bei gleichbleibender elektrischer Leistung dem externen Verbraucher mehr thermische Energie zur Verfügung stellen zu können.
Die Energieerzeugungseinrichtung des Kraftfahrzeugs kann vorteilhaft vom Fahrzeugabtrieb entkoppelbar sein, so dass auch bei stehendem Kraftfahrzeug elektrische Energie erzeugt werden kann. Als Fahrzeugabrieb sind die von der Energieerzeugungseinrichtung angetriebenen mechanischen Einheiten, wie zum Beispiel die Räder des Fahrzeugs, die Antriebswelle und ähnliches zu verstehen. Beispielsweise kann die Energieerzeugungseinrichtung einen Verbrennungsmotor und einen Generator als Energieerzeuger bzw. als Energiewandler aufweisen. Um einen stationären Betrieb zu gewährleisten, wird sinnvollerweise der Verbrennungsmotor vom Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs abgekoppelt.
Alternativ kann die Energieerzeugungseinrichtung als Energieerzeuger auch eine Brennstoffzelle aufweisen. Die bei der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie freigesetzte Reaktionswärme bzw. Reaktionsenthalpie kann vorteilhaft als Heizwärme genutzt werden, wodurch sich das Anwendungsgebiet der Brennstoffzelle erweitert und die Effizienz der Brennstoffzelle verbessert wird.
Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein hybrid-elektrisches Fahrzeug (PHEV) sein. Alternativ kann das Kraftfahrzeug ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV) sein. Ferner kann das Kraftfahrzeug ein batteriegespeistes elektrisches Fahrzeug (range-extended BEV) mit einem Verbrennungsmotor als Reichweitenverlängerer sein. Die Erfindung kann jedoch auch Anwendung bei einem Fahrzeug (ICEV) finden, das nur mit einem Verbrennungsmotor und einem Generator ausgestattet ist.
Das Kraftfahrzeug und/oder der externe Verbraucher des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems können gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung Informationsübertragungseinrichtungen aufweisen, mit denen Steuerungsinformationen zwischen dem Kraftfahrzeug und dem externen Verbraucher übertragbar sind.
Zudem können der externe Verbraucher und/oder das Kraftfahrzeug eine Steuerungseinrichtung mit einem Energiemanagementsystem aufweisen. Beispielsweise kann die gesamte Regelung der Erzeugung von Wärme und elektrischem Strom durch das Kraftfahrzeug von der in dem externen Verbraucher installierten Steuerungseinrichtung übernommen werden. Die Übertragung der Steuerungsbefehle an die Energieerzeugungseinrichtung des Kraftfahrzeugs kann in diesem Fall über die genannten Informationsübertragungseinrichtungen realisiert sein.
Die Informationsübertragungseinrichtungen können Schnittstellen aufweisen, mit denen Informationen über ein Ladekabel des Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines hybridelektrischen Fahrzeugs oder rein elektrischen Fahrzeugs, und/oder über eine Funkeinrichtung, beispielsweise WLAN, LTE oder eine ähnliche kabellose Kommunikation und/oder über ein Mobilfunknetz übermittelbar sind. Mit dieser Ausgestaltung kann eine standardisierte und leistungsfähige sowie zuverlässige Informationsübertragung zwischen dem externen Verbraucher und dem Kraftfahrzeug realisiert werden.
Das Energieversorgungssystem kann dazu eingerichtet sein, nicht benötigte elektrische Energie in ein öffentliches Stromnetz einzuspeisen. Mit dieser Variante kann die Flexibilität, Anpassungsfähigkeit und Effizienz des Energieversorgungssystems weiter erhöht werden.
Ist das Kraftfahrzeug beispielsweise als hybrid-elektrisches Kraftfahrzeug bzw. als Plug-in-Hybridfahrzeug oder als aufladbares batteriegespeistes elektrisches Kraftfahrzeug ausgebildet, kann gemäß einer besonders praktikablen Variante kurzfristig nicht von dem externen Verbraucher benötigte elektrische Energie in einem fahrzeuginternen elektrischen Energiespeicher, wie zum Beispiel einem Akkumulator, zwischengespeichert werden. Bei dieser Variante dient der elektrische Energiespeicher des Kraftfahrzeugs bei Bedarf als Zwischenspeicher für elektrische Energie. Dadurch kann unter Umständen ein zusätzlicher externer elektrischer Speicher als Puffer eingespart werden.
In einer technisch besonders einfach zu realisierenden Ausgestaltung wird der bidirektionale Ladeanschluss eines hybrid-elektrischen Kraftfahrzeugs bzw. Plug-in-Hybridfahrzeugs oder eines aufladbaren batteriegespeisten elektrischen Kraftfahrzeugs genutzt, um die erzeugte elektrische Energie an einen fahrzeugexternen Verbraucher weiterzuleiten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die elektrische Energie an den fahrzeugexternen Verbraucher als Gleichstrom weiterleitbar. Alternativ ist die elektrische Energie über einen Wechselrichter als Wechselstrom an den fahrzeugexternen Verbraucher weiterleitbar.
Die Übertragungsvorrichtung für thermische Energie, auch Wärmeübertragungsvorrichtung genannt, kann den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors umfassen. In diesem Fall erhält der Kühlmittelkreislauf eine zusätzliche Funktion als Wärmetransportweg für die an den externen Verbraucher zu übertragende Wärmeenergie.
Besonders bevorzugt weist die Wärmeübertragungsvorrichtung ein zusätzliches Stoffführungssystem als Sekundärkreislauf auf, über welchen die thermische Energie konvektiv an den externen Verbraucher übertragbar ist. Dabei umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung auch einen Wärmetauscher zwischen dem Kühlmittelkreislauf und dem zusätzlichen Stoffführungssystem bzw. stoffführenden System. Zusätzlich kann der Kühlmittelkreislauf mindestens einen ersten Temperatursensor und das Stoffführungssystem mindestens einen zweiten Temperatursensor aufweisen. Auf Basis der Messgrößen Temperatur und Durchflussmenge der beiden Energieübertragungswege sowie der zu erwartenden Wärmeverluste kann die Wärmeleistung des Systems rechnerisch ermittelt werden. Die Wärmeleistung kann beispielsweise durch Änderung der genannten Größen variiert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmeübertragungsvorrichtung das Abgassystem umfassen. In dieser Variante wird die thermische Energie über die erwärmten Motorabgase transportiert. Dabei kann zusätzlich ein Wärmetauscher zwischen dem Abgassystem und dem zusätzlichen stoffführenden System angeordnet sein. Das Abgassystem dient in diesem Fall als primärer Wärmeübertragungsweg, während das zusätzliche stoffführende System die Funktion eines sekundären Wärmeübertragungswegs wahrnimmt, wobei die Wärmeenergieübertragung zwischen diesen beiden Systemen durch einen Wärmetauscher realisiert sein kann.
Bevorzugt kann das zusätzliche stoffführende System ein Rohr sein, das ein gasförmiges und/oder flüssiges Transportmedium umfasst. Beispielsweise kann im Sekundärkreislauf eine Flüssigkeit mit hoher Wärmekapazität, insbesondere Wasser, verwendet werden.
Das zusätzliche stoffführende System kann eine Förderpumpe aufweisen, welche dazu eingerichtet ist, das Transportmedium zu transportieren.
Der zweite Temperatursensor kann derart in dem zusätzlichen stoffführenden System angeordnet sein, dass er die Temperatur des in dem stoffführenden System rückgeführten Transportmediums misst. In diesem Fall gibt der Temperaturwert des zweiten Temperatursensors Auskunft über die an den stationären Verbraucher abgeführte Wärmeenergie.
Die Förderpumpe des stoffführenden Systems kann vorteilhaft am Fahrzeug montiert sein. Damit ist das Fahrzeug als flexibles Energieversorgungssystem nutzbar, da alle für die Wärmeenergieübertragung notwendigen Einheiten von dem Fahrzeug umfasst sind.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf Basis der vorgegebenen Temperatur und der vorgegebenen elektrischen Leistung eine Soll-Leistung einer Energieerzeugungseinrichtung des Kraftfahrzeugs berechnet, welche ausreichend ist, um den vorgegebenen Temperaturwert und den vorgegebenen elektrischen Leistungswert zu erreichen. Durch die Berechnung einer Soll-Leistung der Energieerzeugungseinrichtung kann eine gezielte Steuerung bzw. beschleunigte Regelung von Temperatur und elektrischer Leistung vorgenommen werden. Falls mit der berechneten Soll-Leistung nicht die gewünschte Temperatur bzw. elektrische Leistung erreicht werden soll, kann das System entsprechend nachgeregelt werden, damit die gewünschten Werte erreicht werden.
Bevorzugt ist es, eine erste Soll-Leistung (P_ICE, E) der Energieerzeugungseinrichtung (3, 4) zu berechnen, welche ausreichend ist, um die vorgegebene elektrische Leistung (P_el) zu erreichen, und eine zweite Soll-Leistung (P_ICE, W) der Energieerzeugungseinrichtung (3, 4) zu berechnen, welche ausreichend ist, um die vorgegebene Temperatur zu erreichen. Die zweite Soll-Leistung kann beispielsweise auf Basis von durch Temperatursensoren gemessenen Temperaturwerten und der durch die Länge eines Wärmeübertragungswegs entstehenden Wärmeverluste berechnet werden. Falls die erste Soll-Leistung größer als die zweite Soll-Leistung ist, kann als die Soll-Leistung der Energieerzeugungseinrichtung die erste Soll-Leistung gewählt werden. Zudem kann die vom externen Verbraucher nicht benötigte elektrische Energie in einem fahrzeuginternen elektrischen Energiespeicher gespeichert werden oder an Peripheriegeräte des Kraftfahrzeugs weitergeleitet werden. Falls die erste Soll-Leistung kleiner als die zweite Soll-Leistung ist, kann als die Soll-Leistung der Energieerzeugungseinrichtung die zweite Soll-Leistung gewählt werden. In diesem Fall kann die von dem externen Verbraucher nicht benötigte thermische Energie abgeführt werden und/oder der Wärmetransport zu dem externen Verbraucher hin reduziert werden.
Die beschriebenen Verfahrensschritte können auch von der Steuerungseinrichtung im fahrzeugexternen Verbraucher des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems durchgeführt werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines hybrid-elektrischen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers an einem Abgassystem eines hybrid-elektrischen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers an einem Wärmekreislauf eines hybrid-elektrischen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 ein Flussdiagramm eines Regelungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In 1 ist schematisch der Aufbau eines Systems aus einem Kraftfahrzeug 1 und einem externen Verbraucher 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Die oben rechts im Bild eingezeichnete Legende hat folgende Bedeutung: MET symbolisiert die mechanische Energieübertragung zwischen zwei Bauelementen des Systems. EET kennzeichnet die elektrische Energieübertragung zwischen zwei Einheiten des Systems. TET zeigt die thermische Energieübertragung zwischen zwei Einheiten des Systems an. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Hybridfahrzeug (seriell, REX (= range extender) oder parallel) sein, das über einen Elektromotor 2 als Antriebsmotor und einen Generator 3 verfügt. Weiterhin umfasst das Fahrzeug 1 einen Verbrennungsmotor 4 sowie einen elektrischen Energiespeicher 5. Dabei können der Verbrennungsmotor 4 und der elektrische Generator 3 vom Fahrzeugabtrieb, d. h. von den die erzeugte mechanische Energie an mechanische Einrichtungen, wie zum Beispiel die Räder, des Fahrzeugs übertragenden Einheiten, entkoppelt werden. Somit kann auch bei stehendem Fahrzeug elektrische Energie über den Generator 3 erzeugt werden, wenn dieser vom Verbrennungsmotor 4 angetrieben wird. Die erzeugte elektrische Energie kann wahlweise im fahrzeuginternen Batteriespeicher 5 zwischengespeichert oder direkt über einen bidirektionalen Ladeanschluss 6 an einen mit dem Fahrzeug mitbewegten fahrzeugexternen Verbraucher 20 abgegeben werden. Die elektrische Energie E_el kann beispielsweise in Form von elektrischem Gleichstrom übertragen werden. Verfügt das Fahrzeug ferner über einen Wechselrichter 7, kann der Strom wahlweise auch als Wechselstrom an den fahrzeugexternen Verbraucher 20 abgegeben werden. Die Energieübertragung zwischen dem Fahrzeug 1 und dem fahrzeugexternen Verbraucher 20 kann über elektrische Leitungen 8 realisiert werden. Beim Einsatz des Wechselrichters 7 für die Erzeugung von Wechselstrom kann die elektrische Energie auch induktiv über eine induktive Schnittstelle 9 übertragen werden. Das Fahrzeug 1 umfasst ferner einen Kühlmittelkreislauf 10, über den die durch den Betrieb des Verbrennungsmotors 4 entstehende Wärme am Kühlmittelkreislauf 10 des Verbrennungsmotors 4 und/oder des Elektromotors abgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die von dem Verbrennungsmotor 4 erzeugte Wärme am Abgassystem 11 abzuführen. Eine weitere Wärmequelle am Fahrzeug 1 bzw. ein zusätzliches System, das die von dem Verbrennungsmotor 4 erzeugte Wärme führt, ist der Kreislauf 13 der Klimaanlage. Auch die von dem Klimakreislauf 13 aufgenommene Wärme kann dem externen Verbraucher 20 entweder zusätzlich oder alternativ zugeführt werden. Zudem ist in dem Kraftfahrzeug 1 ein Sekundärkreislauf 12 als Stoffführungssystem hin zu dem fahrzeugexternen Verbraucher 20 ausgebildet. Der Sekundärkreislauf 12 dient als Wärmetransportweg für die von dem Verbrennungsmotor 4 erzeugte Wärme E_w zu dem externen Verbraucher 20. Das geschlossene Stoffführungssystem 12 kann beispielsweise eine Rohrleitung, die mit einem Medium (flüssig oder dampfförmig) gefüllt ist, aufweisen.
Zwischen dem Abgassystem 11 und dem Stoffführungssystem 12 hin zum fahrzeugexternen Verbraucher 20 kann ein Wärmetauscher 16 angeordnet sein. Der Wärmetauscher 16 überträgt die in dem Abgassystem 11 gespeicherte Wärme auf das Stoffführungssystem 12. Der Wärmetauscher 16 ist in der 2 detailliert veranschaulicht. Zwischen dem Kühlmittelkreislauf 10 und dem Stoffführungssystem 12 hin zum fahrzeugexternen Verbraucher 20 kann ein Wärmetauscher 14 angeordnet sein. Der Wärmetauscher 14 überträgt die in dem Kühlkreislauf 10 anfallende Wärme auf das Stoffführungssystem 12. Der Wärmetauscher 14 ist in der 3 im Detail veranschaulicht. Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich ein Wärmetauscher 15 zwischen dem Klimakreislauf 13 und dem Sekundärkreislauf, d. h. dem Stoffführungssystem 12, angeordnet sein. Der Wärmetauscher 15 überträgt die in dem Klimakreislauf 13 anfallende Wärme auf das Stoffführungssystem 12. Darüber hinaus weist das Fahrzeug 1 einen Temperatursensor TS1 (nicht gezeigt) im Kühlmittelkreislauf 10 auf, mit dem die Temperatur T1 des Kühlmittelkreislaufs erfasst wird. In 1 ist auch eine Steuerungseinrichtung 30 gezeigt, welche das in 4 ausführlich veranschaulichte Regelungsverfahren ausführt. Die Steuerungseinrichtung 30 umfasst eine Eingabeeinheit 31, über welche beispielsweise eine vorgegebene Temperatur T des externen Verbrauchers 20 und/oder eine vorgegebene elektrische Leistung P_el als Eingabesignal eingegeben werden kann. Es kann zum Beispiel ein Benutzer die vorgegebenen Werte in die Eingabeeinheit 31 eingeben. Eine Recheneinheit 32 berechnet und vergleicht Sollwerte P_ICE, W und P_ICE, W, anhand derer die Steuerungseinrichtung 30 die Energieerzeugung und Energieübertragung des ruhenden oder bewegten Kraftfahrzeugs 1 regelt. Eine Auswahleinheit 33 kann einen Sollwert P_ICE aus den Sollwerten P_ICE, W und P_ICE, E auswählen, auf dessen Grundlage die Steuerungseinrichtung 30 die Leistung der Energieerzeugungseinrichtung regelt. Zum Ansteuern der einzelnen Systemeinheiten kann die Steuerungseinrichtung 30 auch eine Ansteuerungseinheit 34 umfassen. Diese erhält den von der Auswahleinheit 33 ausgewählten Sollwert und steuert die einzelnen Systemkomponenten, insbesondere die Energieerzeugungseinrichtung 3, 4 derart an, dass der entsprechende Sollwert erreicht wird. Details der Berechnung der Sollwerte und der Regelungsschritte, die von den einzelnen Einheiten der Steuerungseinrichtung ausgeführt werden, sind in der Figurenbeschreibung zur 4 beschrieben.
2 zeigt den Energieaustausch zwischen dem Abgassystem 11 und dem Stoffführungssystem 12. Zwischen dem Abgassystem 11 des Fahrzeugs 1 und dem Stoffführungssystem 12 hin zum fahrzeugexternen Verbraucher ist beispielsweise ein Wärmetauscher 16 angeordnet. Der Wärmetauscher 16 ist in diesem Fall als Teil des Sekundärkreislaufs, d. h. des Stoffführungssystems 12, ausgebildet. Das Wärmetransportmedium des Stoffführungssystems 12 nimmt im Kontaktbereich des Wärmetauschers 16 mit dem Abgassystem 11 Wärme aus dem Abgassystem 11 auf und transportiert sie zu dem fahrzeugexternen Verbraucher 20. Das Wärmetransportmedium wird mit einer Förderpumpe 23 durch das Rohrsystem des Sekundärkreislaufs 12 bewegt. Die Fließrichtung des Wärmetransportmediums ist durch Pfeile gekennzeichnet. Das Stoffführungssystem 12 verfügt zudem über einen eigenen Temperatursensor TS2, um die Temperatur T2 des rückgeführten Mediums messen zu können.
3 veranschaulicht den Energieaustausch zwischen dem Kühlmittelkreislauf 10 und dem Stoffführungssystem 12. Zwischen dem Kühlmittelkreislauf 10 des Fahrzeugs 1 und dem Stoffführungssystem 12 hin zu dem fahrzeugexternen Verbraucher 20 ist ein Wärmetauscher 14 angeordnet. Der Wärmetauscher 14 ist in diesem Fall als Teil des Sekundärkreislaufs, d. h. des Stoffführungssystems 12, ausgebildet. Der Wärmetauscher 14 windet sich im Kontaktbereich zu dem Kühlmittelkreislauf 10 um ein Rohr des Kühlmittelkreislaufs 10. Das Wärmetransportmedium des Stoffführungssystems 12 nimmt im Kontaktbereich des Wärmetauschers mit dem Kühlmittelkreislauf 10 Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf 10 auf und transportiert sie konvektiv zu dem externen Wärmeverbraucher 20. Die Fließrichtung sowohl des Kühlmittels des Kühlkreislaufs bzw. Kühlmittelkreislaufs 10 als auch die Fließrichtung des Wärmetransportmediums des Sekundärkreislaufs 12 sind mit Pfeilen gekennzeichnet. Der Antrieb für den Stofftransport des fahrzeugseitig am Wärmetauscher 14 erwärmten Wärmetransportmediums erfolgt durch eine im Stoffführungssystem 12 fahrzeugseitig und oder verbraucherseitig befindliche Förderpumpe 23. Auch bei dieser Ausführungsform ist ein Temperatursensor TS2 in dem Stoffführungssystem 12 im Rückführungsbereich des Sekundärkreislaufs angeordnet, um die Temperatur T2 des rückgeführten Wärmetransportmediums zu messen.
4 veranschaulicht in einem Flussdiagramm das Regelungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Um den thermischen Energietransport vom Kraftfahrzeug 1 hin zum fahrzeugexternen Verbraucher 20 optimal betreiben zu können, wurde eine Regelung mit einem neuen Betriebsmodus für das Fahrzeug entwickelt. Es wird eine optimale Regelstrategie insbesondere zum Betreiben eines hybridelektrischen Fahrzeuges erreicht, wobei elektrische und/oder thermische Energie an fahrzeugexterne Verbraucher übertragen werden. Bei dem Schritt 4.1 wird die gewünschte Wärme- und/oder Stromversorgung für den fahrzeugexternen Verbraucher in Form einer Temperatur T und elektrischen Leistung P_el im Fahrzeug vom Benutzer beispielsweise über Bedienelemente bzw. die Eingabeeinheit 31 (siehe 1) eingegeben. Darüber hinaus wählt der Nutzer die Art und ungefähre Länge des Stoffführungssystems 12 aus. Alternativ können diese Daten auch aus einem Datenspeicher ausgelesen oder über ein Netzwerk bzw. ein Informationsübermittlungssystem oder ein Nachrichtenübermittlungssystem an die Steuerungseinrichtung 30 (siehe 1) übermittelt werden. Darauf basierend wird im Fahrzeug eine Soll-Leistung P_ICE für den Verbrennungsmotor berechnet, um die Anforderungen bzgl. thermischer und elektrischer Energie des fahrzeugexternen Verbrauchers 20 erfüllen zu können. Das Regelsystem bzw. die beschriebene Steuerungseinrichtung 30 ermittelt in einem Schritt 4.II aus den elektrischen Anforderungen des fahrzeugexternen Verbrauchers 20 eine erste Sollleistung P_ICE, E des Verbrennungsmotors, um unter Berücksichtigung des Wirkungsgrad-Kennfeldes genügend elektrische Energie bzw. entsprechende Leistung P_el über den Generator 3 zu erzeugen. Um bedarfsweise auch genügend thermische Energie für den Wärmetransfer zum fahrzeugexternen Verbraucher 20 zur Verfügung zu haben, ist es in diesem Fall notwendig, auch eine zweite Sollleistung bzw. Soll-Motorleistung P_ICE, W zu definieren. Diese Soll-Motorleistung wird in einem Schritt 4.III berechnet. Bei dem Schritt 4.IV wird ermittelt, ob P_ICE, E > P_ICE, W ist. Liegt P_ICE, E über P_ICE, W, so wird als bei dem Schritt 4.V als Soll-Leistung P_ICE der Wert von P_ICE, E gewählt und es kann die etwaig zusätzlich bzw. zu viel erzeugte thermische Energie über eine Wärmeabgabeeinrichtung, beispielsweise über einen Radiator, des Fahrzeuges 1 abgeführt und der Austausch zum fahrzeugexternen Verbraucher 20 durch eine Drosselung der Pumpenförderrate im Sekundärkreislauf 12 eingeschränkt werden. Umgekehrt wird im Fall P_ICE, E < P_ICE, W bei dem Schritt 4.VI als Soll-Leistung P_ICE der Wert von P_ICE, W gewählt und es kann die etwaig zusätzlich bzw. zu viel erzeugte elektrische Energie bei dem Schritt 4.VI entweder in der Fahrzeugbatterie 5 gespeichert oder durch Peripheriegeräte im Fahrzeug 1 verbraucht werden. Grundlage für die Berechnung der Sollleistung P_ICE, W stellen dabei die Temperatur T1 im Kühlmittelkreislauf 10, die Temperatur T2 des rückgeführten Mediums im Stoffführungssystem 12, gewünschte Temperatur T des externen Verbrauchers sowie die Länge des Stoffführungssystems 12 (therm. Verluste) dar. Falls bei dem Schritt 4.IV ermittelt wird, dass P_ICE, W = P_ICE, E ist, d. h., dass keine überschüssige Wärmeenergie oder elektrische Energie erzeugt wird, so kann das Abführen der überschüssigen Wärmeenergie oder elektrischen Energie entfallen.
Es können auch weitere Untermodi für das Regeln der Energieerzeugung des Kraftfahrzeugs definiert werden. Diese können beispielsweise von einem Benutzer je nach Anforderungen der aktuellen Situation ausgewählt werden. Einerseits kann der Untermodus „Comfort” gewählt werden. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass die vom Nutzer vorgegebenen Sollwerte im Rahmen der Steuergenauigkeit eingehalten werden. Darüber hinaus gibt es den Modus „Efficient”, der durch einen Toleranzbereich Abweichungen von den definierten Sollwerten zulässt, um einen effizienteren Betriebspunkt des Systems anzufahren. Dabei kann der Verbrennungsmotor beispielsweise mit einer geänderten Drehzahl arbeiten, bei der ein besonders energieeffizienter Betrieb möglich ist. Alternativ kann auch eine Regelung gewählt werden, bei der ein Betriebspunkt mit einem schlechteren bzw. niedrigeren mechanischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors, also ein Betriebsbereich, bei dem ein größerer Anteil der von dem Verbrennungsmotor erzeugten Energie in Wärme umgesetzt wird, angefahren wird, um bei gleichbleibender Antriebsleistung für den Generator (somit gleiche elektrische Leistung) dem externen Verbraucher nach Bedarf mehr thermische Energie bereitstellen zu können. Dieser Modus kann beispielsweise einen „Wärmemodus” darstellen.
In einem Energieversorgungssystem mit einem Kraftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das System derart eingerichtet sein, dass das Fahrzeug über die vorhandene Power Line Communication der elektrischen Leitung (Ladekabel), das Mobilfunknetz oder WLAN mit dem fahrzeugexternen Verbraucher, beispielsweise einem Gebäude, einem Transportanhänger oder einem Wohnwagen, sowohl während deren Ruhezustand als auch während sie mit dem Kraftfahrzeug mitbewegt werden, kommuniziert. Dabei kann der fahrzeugexterne Verbraucher über ein Energiemanagementsystem, zum Beispiel ein HEMS, verfügen und dadurch die Regelung des Fahrzeugs übernehmen, um die elektrische und/oder thermische Energieerzeugung optimal ansteuern zu können. Dieses System umfasst wahlweise auch eine verbraucherseitig befindliche Förderpumpe, die den Stofftransport des fahrzeugseitig am Wärmetauscher erwärmten Mediums durchführt.
Ungeachtet dessen, ob die Regelung des Fahrzeuges im Fahrzeug oder durch ein fahrzeugexternes System vorgenommen wird, besteht die Möglichkeit, bedarfsweise mit dem Kraftfahrzeug elektrische Energie in ein Stromnetz einzuspeisen. Dies könnte zum Beispiel im Winter vorteilhaft sein, wenn der thermische Energiebedarf eines Hauses als externer Verbraucher den elektrischen Energiebedarf übersteigt und somit ein elektrischer Energieüberschuss vorhanden ist.
Mit dem beschriebenen Verfahren sowie den beschriebenen konstruktiven Merkmalen kann die Wärmeversorgung von fahrzeugexternen Verbrauchern, bedarfsweise kombiniert mit der Stromversorgung, verbessert und unterstützt werden. Als externe Verbraucher kommen beispielsweise Wohnwagen, Notunterkünfte, Zelte, Wohnmobile oder Ferienwohnungen oder Immobilien in Krisenregionen oder beliebige Verbraucher in einer Situation nach einer Naturkatastrophe in Frage. Bei der bedarfsgerechten Nutzung der Fahrzeugabwärme und/oder der elektrischen Energie ergibt sich zudem ein höherer Gesamtwirkungsgrad als bei herkömmlichen Energieversorgungssystemen.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem in den Figuren dargestellten Kraftfahrzeug bzw. dem detailliert beschriebenen Verfahren lediglich um ein Ausführungsbeispiel handelt, welches in vielerlei Hinsicht modifiziert werden kann. Weiterhin wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein, eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit” nicht aus, dass diese auch aus mehreren Untereinheiten besteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009010095 A1 [0003]

Claims

Kraftfahrzeug (1) mit einer Energieerzeugungseinrichtung (3, 4) zur Erzeugung thermischer und/oder elektrischer Energie (E_w, E_el) sowohl bei ruhendem als auch bei bewegtem Kraftfahrzeug (1), einer Wärmeübertragungsvorrichtung (10, 11, 12, 13, 14, 15) zur Übertragung thermischer Energie an einen ruhenden oder mit dem Kraftfahrzeug mitbewegten (1) fahrzeugexternen Verbraucher (20) und/oder einem Anschluss (6, 8, 9) zur Übertragung von elektrischer Energie an einen ruhenden oder mit dem Kraftfahrzeug mitbewegten (1) fahrzeugexternen Verbraucher (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (1) eine Steuerungseinrichtung (30) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, eine für den externen Verbraucher (20) vorgegebene Temperatur (T) und/oder eine für den fahrzeugexternen Verbraucher (20) zu erzeugende elektrische Leistung (P_el), zu regeln.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (30) eine Recheneinheit (31) aufweist, die dazu eingerichtet ist, auf Basis einer vorgegebenen Temperatur (T) und/oder einer vorgegebenen elektrischen Leistung (P_el) eine Soll-Leistung (P_ICE) der Energieerzeugungseinrichtung (3, 4) zu berechnen, welche ausreichend ist, um den vorgegebenen Temperaturwert (T) und/oder den vorgegebenen elektrischen Leistungswert (P_el) zu erreichen.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (31) dazu eingerichtet ist, eine erste Soll-Leistung (P_ICE, E) der Energieerzeugungseinrichtung (3, 4) zu berechnen, welche ausreichend ist, um die vorgegebene elektrische Leistung (P_el) zu erreichen, und/oder eine zweite Soll-Leistung (P_ICE, W) der Energieerzeugungseinrichtung (3, 4) zu berechnen, welche ausreichend ist, um die vorgegebene Temperatur (T) zu erreichen.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (31) dazu eingerichtet ist, die zweite Soll-Leistung (P_ICE, W) unter Berücksichtigung von durch Temperatursensoren (TS1, TS2) gemessenen Temperaturistwerten (T1, T2) und der durch die Länge eines Wärmeübertragungswegs entstehenden Wärmeverluste zu berechnen.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (30) eine Auswahleinheit (32) aufweist, die dazu eingerichtet ist, falls die erste Soll-Leistung (P_ICE, E) größer als die zweite Soll-Leistung (P_ICE, W) ist, die erste Soll-Leistung (P_ICE, E) als Soll-Leistung (P_ICE) auszuwählen und die Energieerzeugungseinrichtung (3, 4) auf die ausgewählte Soll-Leistung (P_ICE, E) einzustellen, und, falls die erste Soll-Leistung (P_ICE, E) kleiner als die zweite Soll-Leistung (P_ICE, W) ist, die zweite Soll-Leistung (P_ICE, W) als Soll-Leistung (P_ICE) auszuwählen und die Energieerzeugungseinrichtung (3, 4) auf die ausgewählte Soll-Leistung (P_ICE, W) einzustellen.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (30) einen oder mehrere der folgenden Betriebsmodi aufweist: – einen Komfortmodus, bei dem die vorgegebenen Temperatur- und/oder Leistungswerte im Rahmen der Steuergenauigkeit eingehalten werden, – einen Effizienzmodus, bei dem vorbestimmte Abweichungen von den vorgegebenen Temperatur- und/oder Leistungs-Werten zugelassen werden, um einen energieeffizienten Betriebsbereich der Energieerzeugungseinrichtung (3, 4) anzusteuern, – einen Wärmemodus, bei dem ein Betriebspunkt mit niedrigem mechanischem Wirkungsgrad gewählt wird, um bei gleichbleibender elektrischer Leistung dem externen Verbraucher mehr thermische Energie zur Verfügung stellen zu können.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungseinrichtung (3, 4) vom Fahrzeugabtrieb entkoppelbar ist, so dass auch bei stehendem Kraftfahrzeug elektrische Energie erzeugt werden kann.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungseinrichtung (3, 4) einen Energieerzeuger und einen Energiewandler aufweist.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug ein hybrid-elektrisches Fahrzeug (PHEV) oder ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV) oder ein batteriegespeistes elektrisches Fahrzeug (range-extended BEV) mit einem Verbrennungsmotor als Reichweitenverlängerer oder ein Fahrzeug (ICEV) mit einem Verbrennungsmotor und einem Generator ist.
Energieversorgungssystem (40), aufweisend ein Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und einen fahrzeugexternen Verbraucher (20).
Energieversorgungssystem (40) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (1) und der externe Verbraucher (20) Informationsübertragungseinrichtungen aufweisen, mit denen Steuerungsinformationen zwischen dem Kraftfahrzeug (1) und dem externen Verbraucher (20) übertragbar sind.
Energieversorgungssystem (40) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Verbraucher (20) und/oder das Kraftfahrzeug (1) eine Steuerungseinrichtung mit einem Energiemanagementsystem aufweist.
Energieversorgungssystem (40) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsübertragungseinrichtungen zur Informationsübertragung über ein Ladekabel des Kraftfahrzeugs (1) und/oder über eine Funkeinrichtung und/oder über ein Mobilfunknetz eingerichtet sind.
Energieversorgungssystem (40) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (40) dazu eingerichtet ist, bedarfsweise elektrische Energie in ein Stromnetz einzuspeisen.
Verfahren (400) zur Erzeugung und Übertragung thermischer und/oder elektrischer Energie durch ein Kraftfahrzeug (1) an einen fahrzeugexternen Verbraucher (20), wobei eine für den fahrzeugexternen Verbraucher (20) vorgegebene Temperatur (T) und/oder eine für den fahrzeugexternen Verbraucher (20) zu erzeugende elektrische Leistung (P_el) geregelt werden.