本发明涉及一种用于控制电气的机动车驱动装置的控制装置和方法，机动车驱动装置包括电驱动装置、用于对电驱动装置馈电的基于燃料电池的第一能量源和无燃料电池的第二能量源。本发明还涉及一种具有这种控制装置的相应的机动车驱动装置。
背景技术：
为了向尤其是用于轿车、卡车或公共汽车的电气的机动车驱动装置供应电能，已知在相应的机动车中携带的不同能量源。这主要包括——尤其是基于锂离子二次电池的——所谓的高电压电池。此外，也已知使用燃料电池、尤其是那些以释放电能为目的将氢气与空气中的氧气进行反应产生水的燃料电池作为用于机动车驱动装置的电能源。
虽然在许多车辆中仅使用一种类型的电能源来对电驱动装置馈电，但也已知这样的系统，在其中不同的电能源交替地或共同地被使用以对电气的机动车驱动装置供电。
在德国公开文本de102008037064a1中描述了一种用于对电气的机动车驱动装置供电的电路布置系统，至少两个电能源可连接到该电路布置系统上。所述至少两个电能源中的至少一个电能源借助至少一个调节元件至少暂时地向电驱动装置供电。所述至少一个电能源在此可借助开关与电驱动装置分离。相应的能量源尤其可以是燃料电池、电池或电容器源。
但也有许多机动车可行驶的交通区域、尤其是那些处于封闭空间、如停车楼、大厅、工厂或隧道中的交通区域，在其中出于安全原因不允许气体运行的机动车驱动装置、尤其是燃料电池驱动装置运行，尤其是鉴于在燃料电池驱动装置中发生化学反应的气态离析物可能引起的危险。
技术实现要素：
本发明的任务在于提供一种具有基于燃料电池的电能源的改进的电气的机动车驱动装置及其运行方法，其能实现机动车驱动装置的扩大的使用区域。
所述任务根据独立权利要求的教导通过根据权利要求1的、用于控制电气的机动车驱动装置的控制装置、通过根据权利要求8的、具有这种控制装置的机动车驱动装置并且通过根据权利要求9的、用于控制电气的机动车驱动装置的相应方法来解决。
本发明的不同实施方式和扩展方案是从属权利要求的主题。
本发明的第一方面涉及一种用于控制电气的机动车驱动装置的控制装置，该机动车驱动装置包括电驱动装置和用于对电驱动装置馈电的基于燃料电池的第一电能源和无燃料电池的第二电能源。在此，控制装置具有用于检测用于选择机动车驱动装置运行模式的用户输入的人机界面并且具有控制单元。所述控制单元构造用于从人机界面接收表示用于选择机动车驱动装置运行模式的用户输入的选择信号。所述控制单元还构造用于根据该选择信号控制机动车驱动装置，以使该机动车驱动装置选择性地：进入(i)第一运行模式中，在该第一运行模式中第一电能源运行，以便向电驱动装置馈送电能；或者(ii)进入第二运行模式中，在该第二运行模式中第一能量源停用并且处于安全状态中，并且在该第二运行模式中第二电能源运行，以便向电驱动装置供应电能。
本发明意义上的“机动车”可理解为任何类型的车辆，借助其可运输一个或多个人和/或货物并且其具有自己的驱动装置。尤其是轿车(pkw)、卡车(lkw)、摩托车、公共汽车、电动自行车(e-bike)是本发明意义上的机动车。
本发明意义上的“电气的机动车驱动装置”可理解为用作机动车牵引驱动装置的可电驱动的驱动装置。
本发明意义上的“电驱动装置”可理解为这样的驱动系统，其包括至少一个可电驱动的致动器，用于提供用于电气的机动车驱动装置的驱动力。本发明意义上的电驱动装置作为致动器尤其是可包括一个或多个用于机动车牵引驱动装置的电动机。
本发明意义上的“控制装置”可理解为这样的系统、尤其是所谓的“嵌入式系统”(embeddedsystem)，其设置用于集成到车辆、尤其是机动车中并且构造用于在控制或调节意义中通过相应信号控制至少一个另外的车辆部件、尤其是机动车驱动装置。控制装置尤其是也可具有信号或数据输入端和输出端，以便例如能够接收传感器信号或车辆中其它部件的数据或通过相应的控制信号或数据控制它们。
本发明意义上的“控制单元”可理解为控制装置的一个部件，该部件构造用于获得数据和/或信号并且对它们进行分析或进一步并且尤其是据此生成用于控制至少一个另外的车辆部件的控制信号。控制单元尤其是可设有一个或多个处理器，在其上可运行一个或多个计算机程序，所述计算机程序又可存储于存储器中。替代于此或附加地，控制单元尤其是也可包含“硬连线”的电路逻辑。
本发明意义上的“人机界面”可理解为一个装置的一部分，其用于用户与该装置的交互，尤其是为了在其上进行用户输入和/或向用户输出信息。尤其是任何类型的开关、键盘和触摸屏以及显示装置(如屏幕或平视显示器)和任何类型的声学或光学信号发射器(特别是扬声器或发光元件或其组合)或两个或更多个上述元件的组合分别是本发明意义上的人机界面。
本发明意义上的机动车驱动装置“进入”特定运行模式中可理解为，机动车驱动装置从停用状态启动进入特定运行模式或从一种已经激活的另一运行模式切换到特定运行模式。
本发明意义上的基于燃料电池的第一电能源的“安全状态”可理解为这样的状态，在其中该能量源停用并且中断用于其燃料电池运行的气体离析物或产物的吸收或输出。
通过这种方式，机动车驱动装置可在第一运行模式中通过基于燃料电池的能量源供电并且因此特别是使用在燃料电池驱动装置中相对于传统电池驱动装置增加的可用能量密度。但代替于此，机动车驱动装置也可在第二运行模式中运行，在其中机动车驱动装置通过无燃料电池的第二能量源供电，与此同时第一能量源处于安全状态中。因此尤其是也可在不允许或出于其它原因不能使用基于燃料电池的驱动装置的交通区域中以第二运行模式行驶，因为一方面在该运行模式中基于燃料电池的第一能量源不运行，并且另一方面第一能量源附加地处于禁止燃料电池反应气体逸出的安全状态中。第二运行模式也可用于使配备有机动车驱动装置的车辆的续驶里程超过可借助车辆中携带的用于供应第一能量源的燃料电池的给定燃料量达到的续驶里程。机动车驱动装置从一种运行模式向另一种运行模式、尤其是从第一运行模式向第二运行模式或者反过来的切换可由用户、尤其是车辆驾驶员本人有针对性地通过在人机界面上的相应输入来触发，尤其是在第一能量源和第二能量源均仍具有可用于供应驱动装置的电能时。
下面描述控制装置的优选实施方式及其扩展方案，只要没有明确排除，它们就可相应地任意彼此组合并且与下面所描述的本发明其它方面组合。
根据第一种优选实施方式，控制单元还构造用于根据所述选择信号来控制机动车驱动装置，以使其进入第三运行模式中，在该第三运行模式中电驱动装置既不由第一能量源也不由第二能量源馈电并且第一能量源运行，以便为第二能量源供应电能。通过这种方式可使用基于燃料电池的第一能量源来为无燃料电池的第二能量源供应电能，尤其是为了将在此供应的电能存储在第二能量源——如果其具有蓄能器的话——中用于之后的调用。这尤其可有利地用于至少这样提高第二能量源中的可用能量，使得由此能够在不允许使用燃料电池驱动装置的交通区域中完成预定行驶。例如可在驶入不允许使用燃料电池驱动装置的停车楼之前对至少在很大程度上放电的、构造为锂离子电池的第二能量源充电。根据该实施方式，人机界面允许在机动车驱动装置的至少三种运行模式、即基于燃料电池的第一运行模式、无燃料电池的第二运行模式以及根据其功能可称为“停车充电模式”的第三运行模式之间进行选择。
根据另一种优选实施方式，控制单元还构造用于在第二运行模式中这样控制机动车驱动装置，使得电驱动装置的功率消耗保持低于预定的功率阈值，该功率阈值小于第二电能源的最大能量供应功率。通过这种方式可提高在第二运行模式中可达到的续驶里程。如果第二能量源在不重新充电的情况下可提供的用于驱动电驱动装置的能量显著低于可由第一能量源提供的相应能量，则这是特别有利的。
根据另一种优选实施方式，控制装置还构造成用于借助人机界面向用户输出当前所选择的运行模式。所述输出尤其是可借助相应的显示器或相应的声学和光学信号进行。通过这种方式可向用户发出当前运行模式的信号，以使他能够基于该信息有针对性地通过人机界面发起向另一种运行模式、尤其是与当前行驶状况匹配的切换。
根据另一种优选实施方式，控制装置还构造用于在第二运行模式被激活期间确定在第二能量源中剩余的、可用于对电驱动装置馈电的能量含量是否已经达到或低于预定阈值，并且如果确定这种情况，则在人机界面上相应地输出关于此的指示并且作为选择可能性提供向另一运行模式的切换，在该另一运行模式中第二能量源不用作能量供应者。所述确定尤其是可通过测量与剩余电量相对应的参数或通过从另一车辆部件、尤其是从与第二能量源耦合的电压或电荷测量装置或其它适合的传感器接收表示这种参数的信号来进行。所述另一运行模式优选为第一运行模式或可能的第三运行模式，如上所述。根据该实施方式用户被前瞻性地提示机动车驱动装置处于这样的状态中，即不久、尤其是在预定的、确定提示时刻的时间段之后直至用作能量供应者的第二能量源停止，必须切换到另一运行模式中，以便允许继续行驶。
根据另一种优选实施方式，控制装置还构造用于：(i)生成或接收表示当前位置的位置数据，并且基于电子地图数据和位置数据识别交通区域，该交通区域根据地图数据不能以激活的燃料电池运行被行驶，(ii)根据预定标准确定当前位置是否已经接近识别出的交通区域，并且(iii)如果是这种情况，则在人机界面上输出表示所述接近的相应指示。
位置数据和/或电子地图数据尤其是可来源于导航系统，该导航系统是控制装置的一部分的或将这些数据传输至控制装置。地图数据包括表示某些交通区域不能借助激活的、基于气体的驱动装置、尤其是燃料电池驱动装置行驶的信息。控制装置可构造用于尤其是通过计算从根据位置数据确定的当前位置到到达这种交通区域的几何距离或剩余路程以及比较该距离或路程与预定阈值来确定车辆是否已经接近或到达该交通区域。通过所述指示，驾驶员可注意到该接近，从而驾驶员可在驶入相应交通区域之前就借助人机界面相应选择机动车驱动装置的适合的运行模式、尤其是选择第二或可能的第三运行模式。
根据另一种优选实施方式，控制装置还构造用于在人机界面上检测发动机启动或发动机停止的输入并且与这种检测到的输入一致地手动或自动启动或停止电驱动装置。通过这种方式，用于启动或停止电驱动装置的输入选项和用于选择机动车驱动装置的运行模式的输入选项可被组合在同一人机界面上、尤其是借助可用于两种目的的触敏显示装置或合并成一个操作元件的相应开关、优选拨动开关或按钮开关的组合被组合在同一人机界面上。这便于驾驶员找到相应的输入选项，因为这两者都用于控制机动车驱动装置并且因此相邻或共同的布置减少了驾驶员在操作机动车驱动装置时的认知负担。这又可提高驾驶舒适度和驾驶安全性。
本发明的第二方面涉及一种电气的机动车驱动装置。该电气的机动车驱动装置包括根据本发明第一方面、尤其是根据其上述一个或多个实施方式的控制装置和具有至少一个牵引电动机的电驱动装置。此外，机动车驱动装置包括用于对电驱动装置馈电的基于燃料电池的第一电能源、用于对电驱动装置馈电的无燃料电池的第二电能源和用于将第一能量源保持在停用和安全状态中的安全装置。
根据一种优选实施方式，安全装置包括至少一个安全阀，该安全阀设置用于当机动车驱动装置处于第二运行模式时中断向第一能量源的载能体供应。这种安全阀优选可设置在第一能量源的燃料电池的气体供应入口上和/或在燃料箱的用于向第二能量源供应用作载能体的气体燃料、尤其是氢气的出口上。通过这种方式中断向第一能量源和因此至少一个包含其中的燃料电池的气体供应，由此燃料电池同时停用并且作为载能体或燃料的气体在燃料电池中发生的转换的离析物或产物不会逸出。安全阀因此在进入第二运行模式时——在其中安全阀关闭——使第一能量源进入安全状态。在这种状态中机动车驱动装置也可行驶于不允许或出于其它原因不能或不希望使用气体运行的驱动装置、尤其是燃料电池驱动装置的交通区域中。
上述关于根据本发明的第一方面的控制装置、尤其是关于其优点和实施方式的说明也相应适用于根据本发明的第二方面的机动车驱动装置，该机动车驱动装置具有这种控制装置。
本发明的第三方面涉及一种用于控制电气的机动车驱动装置的方法，该机动车驱动装置包括电驱动装置和用于对电驱动装置馈电的基于燃料电池的第一电能源和无燃料电池的第二电能源。在此，所述方法包括下述步骤：在人机界面上检测用于选择机动车驱动装置的运行模式的用户输入；并且控制机动车驱动装置，以使其根据在人机界面上检测到的用于选择机动车驱动装置运行模式的用户输入选择性地：(i)进入第一运行模式中，在其中第一电能源运行，以便向电驱动装置馈送电能；或者(ii)进入第二运行模式中，在其中第一电能源停用并且处于安全状态中，并且第二电能源运行，以便向电驱动装置馈送电能。
优选根据本发明的第一方面的控制装置可构造用于实施根据本发明的第三方面、尤其是根据其下面描述的一种或多种实施方式的方法。只要没有明确排除，则所述方法的实施方式及其扩展方案可任意彼此组合并且与上面所描述的本发明其它方面组合。该方法对应于根据本发明的第一方面的控制装置、尤其是其优点和实施方式。因此，那里所说明的内容也相应适用于根据本发明的第三方面的方法或其实施方式。
根据第一种优选实施方式，如果在人机界面上检测用于选择机动车驱动装置的运行模式的用户输入的步骤中确定选择了第三运行模式，则在控制步骤中控制机动车驱动装置，以使其进入第三运行模式中，在该第三运行模式中电驱动装置既不由第一能量源也不由第二能量源馈电并且第一能量源运行，以便为第二能量源供应电能。
根据另一种优选实施方式，在第二运行模式中控制所述机动车驱动装置，使得电驱动装置的功率消耗保持低于预定的功率阈值，该功率阈值小于第二电能源的最大能量供应功率。
根据另一种优选实施方式，该方法作为另一步骤包括借助人机界面向用户输出当前所选择的运行模式。
根据另一种优选实施方式，该方法作为另外的步骤包括：在第二运行模式被激活期间确定在第二能量源中剩余的、可用于对电驱动装置馈电的能量含量是否已经达到或低于预定阈值；并且如果确定这种情况，则在人机界面上输出关于此的指示并且提供用于切换到另一运行模式的选择可能性，在该另一运行模式中第二能量源不用作能量供应者。所述另一运行模式尤其可以是第一或可能的第三运行模式。
根据另一种优选实施方式，该方法作为另外的步骤包括：生成或接收表示当前位置的位置数据；基于电子地图数据和位置数据识别根据地图数据不能借助激活的燃料电池运行行驶的交通区域；根据预定标准确定当前位置是否已经接近识别出的交通区域，尤其是确定位置是否已经到达该交通区域；并且如果是这种情况，则在人机界面上输出表示接近的相应指示。
附图说明
本发明的其它优点、特征和应用可能性由后续的详细附图说明给出。在附图中：
图1示意性示出根据本发明的一种优选实施方式的机动车驱动装置；
图2示出用于阐述根据本发明的方法的一种优选实施方式的流程图；
图3示出用于阐述作为根据本发明的方法的一部分的一个可选过程的一种优选实施方式的流程图，该可选过程用于在无燃料电池的第二运行模式中控制机动车驱动装置；
图4示出用于阐述作为根据本发明的方法的一部分的一种可选导航过程的一种优选实施方式的流程图，该导航过程用于在无燃料电池的第二运行模式中控制机动车驱动装置。
具体实施方式
在下面的附图中，相同的附图标记始终用于本发明的相同或相应的元件。
首先参考图1。在那里示出根据本发明的一种优选实施方式的机动车驱动装置1。该机动车驱动装置1包括控制装置2、基于燃料电池的第一能量源7、无燃料电池的第二能量源8、电驱动装置9以及用于控制电驱动装置9的控制器10。第一能量源7可由——尤其是用于氢气的——燃料箱11供应燃料，该燃料可通过燃料管线12供应给第一能量源。在燃料管线12的两个端部上设有安全阀13a或13b，借助所述安全阀可中断第一能量源7的燃料供应。燃料箱11也可以包括多个单个箱的箱系统的形式实现，这些单个箱尤其是可设计用于在不同的温度和/或压力下运行。
控制装置2包括人机界面4，该人机界面又具有尤其是用于显示机动车驱动装置1的指示和当前运行模式的显示装置5以及开关组合6。开关组合6具有用于启动或停止机动车驱动装置1的启动停止开关6a作为第一操作元件。此外，作为另一输入元件设置有运行模式开关6b，借助其可相应地选择机动车驱动装置1的三种可用运行模式b1、b2和b3之一。与此相应地，运行模式开关6b具有三种不同的输入选项，它们尤其是可通过不同时长的按压、不同的卡入位置或运行模式开关6b的其它操作可能性来实现。另外，开关组合6——优选在运行模式开关6b上——具有显示元件6c，该显示元件尤其是可用于发出表示开关位置的信号、如借助可通过颜色或闪烁灯相互区分的不同灯光信号。
控制装置2还包括与人机界面4通信连接的控制单元3以及——在此仅示例性地由两个开关14和15构成的——开关装置，该开关装置可通过控制单元3控制(控制在此借助虚线连接表示)，以便进入不同的开关状态。开关14用于根据所选择的机动车驱动装置1的运行模式b1、b2或b3将电驱动装置9与第一能量源7(开关位置a)或与第二能量源(开关位置c)连接或使电驱动装置9与两个能量源8、9均电解耦(开关位置b)。第二开关15可设计为简单的通断开关，借助其可闭合或断开在第一和第二能量源之间的电连接。在第一运行模式b1中，开关14处于开关位置a，从而电驱动装置9由基于燃料电池的第一能量源7供应电能。同时开关15是打开的。而在第二运行模式b2中开关14处于开关位置c，从而现在通过无燃料电池的第二能量源8向电驱动装置9供应电能。在此开关15也再次是打开的。在第三运行模式b3(其也可称为“停车充电模式”)中开关14处于断开的开关位置b中，在该开关位置中开关既未将第一能量源也未将第二能量源耦联到电驱动装置9上。因此，在该运行模式中电驱动装置9是无电流的并因此停用。但现在开关15是闭合的，从而第一能量源7可运行，以便通过借助开关15闭合的连接为第二能量源8充电，该第二能量源构造为尤其是基于锂离子电池的蓄电池。借助于通过控制单元3的相应控制在第三运行模式b3中安全阀13a或13b是关闭的，使得第一能量源处于安全状态中，在该安全状态中中断从燃料箱11的燃料供应。尤其是借助安全阀13a也关闭燃料箱11的出口，从而燃料箱以及燃料管线12也处于安全状态中。
现在参考图2。在那里示出按本发明的方法的一种优选实施方式，现在将参考图1的机动车驱动装置示例性解释该实施方式。
所述方法以此开始：在第一步骤s0中在启动停止开关6a上进行用户输入，借助该用户输入启动机动车驱动装置1。在下一步骤s1中，在人机界面4上、尤其是在显示装置5上根据运行模式开关6b上的上一次输入或运行模式开关的位置来输出当前运行模式b1、b2或b3。作为替代方案，也可将特定运行模式定义为标准运行模式，其在机动车驱动装置1启动时独立于运行模式开关6b的最后的运行模式或特定位置而被激活。这在运行模式开关6b没有不同的固定的开关位置时尤为有利，使得运行模式开关的初始状态在方法开始时总是相同的。后者在仅通过不同时长地按压运行模式开关6b来选择不同的运行模式、而非该运行模式开关保持、尤其是卡入特定位置中时尤为有利。
在下一步骤s2中，在人机界面4上检测用于选择机动车驱动装置的运行模式的用户输入。与此同时接入可选的导航过程s8，这在下面将参考图4详细解释。
在下一步骤s3中检测是否借助启动停止开关6a进行了用于停止机动车驱动装置1的另一用户输入。如果是这种情况，则方法结束。否则，该方法进行到步骤s4，在其中确定在步骤s2中进行的用户输入对应于哪一种运行模式。当该用户输入对应于用于选择第一运行模式b1的输入时，机动车驱动装置1进入第一运行模式，为此尤其是开关14设置到开关位置a上并且开关15打开。而当用户输入对应于选择第二运行模式b2时，则在步骤s6中使机动车驱动装置1进入第二运行模式b2，为此尤其是开关14设置到开关位置c上并且开关15打开。当用户输入对应于选择第三运行模式b3时，则在步骤s7中使机动车驱动装置进入第三运行模式b3，为此尤其是开关14设置到开关位置b上并且开关15闭合。
在图3中示出作为图2的方法的一部分的可选过程的一种优选实施方式，该可选过程用于在无燃料电池的第二运行模式b2中控制机动车驱动装置。在图3中所示的各方法步骤因此构成图2的方法步骤s6的子步骤。在第一子步骤s6-1中检测第二能量源的能量含量e2是否大于预定最小能量emin。如果是这种情况(s6-1；是)，则第二能源仍具有用于继续驱动机动车驱动装置1的足够的能量，因此该方法进入子步骤s6-3，否则(s6-1；否)分支到另一子步骤s6-2。在子步骤s6-2中在人机界面上输出指示，借助该指示向驾驶员或用户发信号表示第二运行模式不久将不能再使用，然后也进入子步骤s6-3。在子步骤s6-3中检测电驱动装置9的功率消耗是否低于预定功率阈值pmax。如果是这种情况(s6-3；是)，则该方法根据图2返回步骤s1。否则(s6-3；否)在此之前仍降低、尤其是逐步降低供应给电驱动装置的功率。与返回步骤s1并行地，在图3中所示的过程循环继续直至第二运行模式b2结束。
图4较详细示出如图1所示的可选的导航过程s8的一种优选实施方式。在此，在第一子步骤s8-1中由控制单元本身生成或由尤其是驱动装置外部的位置确定装置接收位置数据，所述位置数据表示配备有机动车驱动装置1的车辆的当前位置。在下一子步骤s8-2中接收电子地图数据，并且在此基础上识别一个或多个交通区域，所述交通区域根据地图数据不能借助气体或燃料电池运行行驶。作为替代方案，电子地图数据的接收也可与步骤s8-1中位置数据的接收同时进行。在下一步骤s8-3中根据预定标准、尤其是距离标准、例如剩余路程或几何距离检测当前位置是否已经接近在步骤s8-2识别出的交通区域之一。如果不是这种情况(s8-3；否)，则该过程返回到子步骤s8-1。否则(s8-3；是)，即当在步骤s8-3中已确定这种接近时，在人机界面4上向驾驶员输出相应指示告知其一个相应的交通区域位于附近或尤其是即将驶达，从而驾驶员应被提醒注意在驶入该交通区域之前及时切换到另一允许的运行模式、尤其是运行模式b2中。过程s8连续重复并且与根据图2的主过程并行运行。
虽然上面已经描述了至少一种示例性实施方式，但应指出对此存在大量的变型方案。在此还应注意，所描述的示例性实施方式仅构成非限制性示例，并不旨在由此限制本文描述的装置和方法的范围、适用性或配置。相反，前面的说明将为本领域技术人员提供指导，以实现至少一种示例性实施方式，但应理解的是，在示例性实施方式中描述的元件的布置和功能可进行各种改变，而在此不偏离在所附权利要求中确定的技术方案及其法律等效方案。
附图标记列表
1机动车驱动装置
2控制装置
3控制单元
4人机界面
5显示装置
6开关组合
6a启动停止开关
6b运行模式开关
6c显示元件
7基于燃料电池的第一能量源
8无燃料电池的第二能量源
9电驱动装置
10用于电驱动装置的控制器
11用于第一能量源的燃料箱
12燃料管线
13a、b安全阀
14第一开关
15第二开关