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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Traktionsbatterien zur Speicherung von elektrischer Energie, welche in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug zu Antriebszwecken genutzt wird, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Derartige Traktionsbatterien sind typischerweise als Hochleistungsbatterien oder Hochvoltbatterien ausgebildet und nutzen eine Speichertechnologie, welche eine möglichst hohe Speicherdichte zulässt. Dies kann beispielsweise eine Ausführung der Traktionsbatterie als Nickel-Metallhydrid-Batterie umfassen, oder insbesondere und bevorzugt die Ausbildung als Lithium-Ionen-Batterie.
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Des Weiteren kennt der Stand der Technikelektrisch angetriebene Fahrzeuge und zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge, welche im Allgemeinen als Hybridfahrzeuge bezeichnet werden. Bei beiden Fahrzeugtypen ist es entweder notwendig oder kann sinnvoll sein, die Batterie nicht nur während des Betriebs durch rekuperierte Bremsenergie aufzuladen, sondern diese insbesondere dann zu laden, wenn das Fahrzeug abgestellt ist. Bei einem rein elektrisch angetriebenen Fahrzeug ist dies selbstverständlich, bei einem Hybridfahrzeug ist dies nicht zwingend notwendig, kann aber insbesondere die Kosten für den Halter entsprechend senken. Derartige Hybridfahrzeuge, welche ein Nachladen über eine stationäre Ladeeinrichtung ermöglichen, werden häufig auch als Plug-in-Hybride bezeichnet.
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Die Ladeeinrichtung kann dabei so ausgebildet sein, dass im einfachsten Fall ein mit einem Stecker versehenes Kabel von der stationären Ladeeinrichtung zu dem Fahrzeug führt und dort in eine Steckdose eingesteckt ist, um so die Traktionsbatterie aufzuladen. Ergänzend oder alternativ hierzu sind auch andere Möglichkeiten der Leistungsübertragung denkbar und aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, beispielsweise die berührungslose Übertragung über Induktion, sodass das Fahrzeug lediglich an einer bestimmten Stelle abgestellt werden muss, um berührungslos Leistung zum Laden seiner Traktionsbatterie aufnehmen zu können.
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Unabhängig davon, wie die stationäre Ladeeinrichtung nun im Detail ausgebildet ist, ist es bei stationären Ladeeinrichtungen gemäß dem allgemeinen Stand der Technik üblich, dass zum Nachladen der Traktionsbatterien eines Fahrzeugs eine Ladung erfolgt, welche typischerweise so ausgestaltet ist, dass zum Beginn der Standardladung mit einem konstanten Strom geladen wird, und dass dann, nach dem Erreichen eines bestimmten Ladezustands, auf eine konstante Spannung gewechselt wird. Die Ladung erfolgt dabei typischerweise in Abhängigkeit der Vorgaben eines Nutzers oder eines Nutzerprofils und kann insbesondere so angelegt sein, dass das Nachladen in den Nachtstunden erfolgt, wenn hier über ein elektrisches Leistungsnetzwerk die elektrische Leistung besonders kostengünstig zur Verfügung steht.
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Die Problematik bei dieser Vorgehensweise liegt nun darin, dass diese lediglich die Kostenaspekte und den Komfort des Nutzers beim Nachladen der Batterie selbst optimiert. Dies erfolgt ungeachtet der Eigenschaften und der dadurch entstehenden Belastung der Traktionsbatterie, sodass insgesamt zwar ein geringfügiger Kostenvorteil bei den Energiekosten für das Nachladender Traktionsbatterie erzielt werden kann, dieser jedoch in keinem Verhältnis dazu steht, dass ein Nachladen ohne Berücksichtigung der Bedürfnisse der Traktionsbatterie diese gegebenenfalls schädigt und so schneller altern lässt. Aufgrund der typischerweise sehr hohen Kosten für eine derartige Traktionsbatterie stellt dies einen gravierenden Nachteil dar, welcher sehr häufig durch die Einsparungen bei den Stromkosten aufgrund einer Ladung in kostengünstigen Tarifzeiten bei weitem nicht wettgemacht werden kann.
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Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet, und welches ein sowohl kosten- als auch alterungsoptimiertes Laden von Traktionsbatterien ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dabei aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es also vor, dass nach dem Anschluss der Batterie an die Ladeeinrichtung, egal ob diese über ein Kabel und einen Stecker oder berührungslos erfolgt, eine Initialladung bis zu einem vorgegebenen Ladezustand der Batterie erfolgt. Erst danach erfolgt dann die eigentliche Vollladung der Batterie. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es so, über die Initialladung einen Zustand der Batterie herzustellen, welcher hinsichtlich vorgegebener Kennwerte, beispielsweise hinsichtlich der Batteriealterung, die Batterie zum Beispiel aus einem sehr stark entladenen Zustand heraus bis in einen solchen Zustand auflädt, welcher hinsichtlich der Alterung der Batterie unkritisch oder optimal ist. Hierbei wird keine Rücksicht auf eine eventuelle Kosteneinsparung durch einen günstigen Tarifzeitraum für den Ladestrom oder dergleichen genommen, sondern es wird lediglich das „Wohl” der Batterie im Auge behalten.
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Erst danach erfolgt die Vollladung der Batterie, welche in einer sehr vorteilhaften Weiterbildung zeitlich beabstandet nach der Initialladung erfolgen kann. Hierdurch wird erreicht, dass die Batterie nach der Initialladung in einem Ladezustand ist, welcher hinsichtlich der Lebensdauer der Batterie möglichst optimal für die Batterie ist. Die eigentliche Vollladung kann dann später erfolgen, beispielsweise in einem Zeitpunkt, in dem die hierfür benötigte elektrische Leistung sehr kostengünstig bezogen werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren vereint so eine Ladestrategie, welche die Lebensdauer der Batterie berücksichtigt und möglichst schonend mit der Batterie umgeht, mit der Möglichkeit einer kostenoptimierten Ladung bei der Vollladung der Batterie, welche dann zu einem geeigneten späteren Zeitpunkt erfolgen kann.
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In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dementsprechend vorgesehen, dass der vorgegebene Ladezustand der Initialladung so gewählt wird, das dieser hinsichtlich einer Alterung der Batterie optimal ist. Ein solcher hinsichtlich der Alterung der Batterie optimaler Ladezustand wird so gewählt, dass die Batterie so weit geladen ist, dass diese in jedem Fall den Bereich ihrer Tiefentladung verlassen hat. Abhängig von Bauart, Einsatz und Temperatur einer solchen Batterie sind beispielsweise bei einer Lithium-Ionen-Batterie Ladezustände in der Größenordnung zwischen 50% und 80% geeignet, um hinsichtlich der Alterung optimale Bedingungen für die Batterie bereitzustellen. Im Hinblick auf das kostenoptimierte Vollladen der Batterie kann der Ladezustand dabei bevorzugt im unteren Bereich der angegeben Spanne, also beispielsweise in der Größenordnung von ca. 55% der Vollladung gewählt werden.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Vollladung zu einem aus einer längerfristigen Betriebsanalyse stammenden Zeitpunkt abgeschlossen ist. Die Vollladung wird bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens so gesteuert, dass diese erfolgt ist, wenn anhand einer längerfristigen Betriebsanalyse festgestellt worden ist, dass das Fahrzeug zumeist zu diesem Zeitpunkt von der Ladestation entfernt und gestartet wird. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es so möglich, die Batterie nur über eine minimal notwendige Zeit in einem Vollladezustand zu halten. Auch diese dient der Steigerung der Lebensdauer der Batterie, da auch ein voll oder annähernd voll geladener Zustand hinsichtlich der Lebensdauer der Batterie nachteilig ist. Durch die punktgenaue Vollladung kann so die Zeitspanne, in der sich die Batterie in sehr hohen und damit für die Lebensdauer schädlichen Ladezuständen aufhält, entsprechend verringert werden. Dennoch können für die spätere Fahrt die maximale verfügbare Energie bereitgestellt werden, sodass eine maximale Reichweite zu erzielen ist, oder bei einem Plug-in-Hybrid die Möglichkeit einer maximal langen rein elektrischen Fahrt gegeben ist.
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Weitere Vorteile der möglichst genau zum benötigten Zeitpunkt erreichten Vollladung bestehen darin, dass die Batterie sich bei der Ladung, insbesondere bei der Vollladung, entsprechend erwärmt. Dies ermöglicht insbesondere bei kalten Umgebungstemperaturen einen deutlichen Leistungsvorteil der Batterie, da eine erwärmte Batterie mehr Leistung abgeben kann, als eine vergleichsweise kalte Batterie. Auf zusätzliche Heizelemente, wie sie im Stand der Technik beschrieben sind, kann dann gegebenenfalls verzichtet werden.
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In einer weiteren alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung hiervon ist es vorgesehen, dass die Vollladung so erfolgt, dass diese zu einem vom Benutzer vorgegebenen Zeitpunkt abgeschlossen ist. Dies führt letztlich zu den vergleichbaren Vorteilen, wie wenn die Vollladung zu einem aus der Betriebsanalyse stammenden Zeitpunkt abgeschlossen ist. Hierbei wird lediglich auf eine längerfristige Betriebsanalyse verzichtet und der Benutzer kann den Zeitpunkt, zu dem er das Fahrzeug wieder verwenden will, beim Verlassen des Fahrzeugs angeben.
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Selbstverständlich können die beiden Methoden zum Bestimmen des optimalen Zeitpunkts für das Erreichen der Vollladung der Batterie miteinander kombiniert werden, wobei sinnvollerweise eine Eingabe des Benutzers den aus einer längerfristigen Betriebsanalyse stammenden Wert überschreibt. So kann beispielsweise ein Benutzer eingeben, dass er das Fahrzeug am nächsten Tag, beispielsweise einem Sonntag, nicht benötigt, jedoch am Montag früh um 8 Uhr wieder starten will, sodass eine unnötige Vollladung der Batterie am Sonntag Morgen, welche gegebenenfalls anhand der Werte aus der Betriebsanalyse erfolgen würde, verhindert werden kann.
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Insgesamt kann so ein sehr benutzerfreundliches, hinsichtlich der Lebensdauer der Batterie optimiertes und hinsichtlich der Kosten für die stationäre Ladung der Batterie minimiertes Verfahren realisiert werden.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass zumindest die Vollladung, insbesondere auch die Initialladung, so erfolgt, dass diese zuerst in einem konstanten Strom und dann mit einer konstanten Spannung erfolgt. Zumindest bei der Vollladung ist dieses aus dem Stand der Technik an sich bekannte Ladeverfahren sinnvoll, welches innerhalb der erfindungsgemäßen Strategie zum Laden von Traktionsbatterien zusätzlich mit angewandt werden kann, um insbesondere die Vollladung, prinzipiell aber auch die Initialladung, möglichst schonend für die Traktionsbatterie zu gestalten.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass die Traktionsbatterien in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet werden. Wie eingangs bereits erwähnt, bieten Lithium-Ionen-Batterien eine vergleichsweise hohe Leistungsdichte, sodass diese als bevorzugte Batterien für die Verwendung in elektrischen oder teilweise elektrischen Fahrzeugen eingesetzt werden. Sie weisen dabei jedoch den Nachteil von vergleichsweise hohen Kosten auf und haben darüber hinaus den Nachteil, dass sie relativ empfindlich auf einen Betrieb mit zu hoher Spannung, ein zu schnelles Laden und dergleichen reagieren. Derartige ungünstige Zustände führen dann zu einer schnellen Alterung und einem entsprechend frühen Ausfall der vergleichsweise teuren Traktionsbatterien. Das erfindungsgemäße Verfahren kann also insbesondere bei derartigen Batterien besonders vorteilhaft zum Einsatz kommen, da hier die Aufenthaltsdauer in schädlichen Zuständen minimiert wird und ein kostenoptimierter Betrieb sowohl hinsichtlich der Stromkosten zum Laden der Traktionsbatterie als auch der über die Lebensdauer der Traktionsbatterie anfallenden Batteriekosten optimiert werden.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem vorgesehen, dass parallel zur Vollladung oder zumindest zur Endphase der Vollladung eine Konditionierung eines Fahrgastraums des mit der Traktionsbatterie ausgestatteten Fahrzeugs erfolgt, sodass vorgegebene Bedingungen für die Konditionierung mit Erreichen der Vollladung erreicht werden. Wie oben bereits in zwei unterschiedlichen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erwähnt, kann die Vollladung so gesteuert werden, dass diese idealerweise dann den vollen Ladezustand der Traktionsbatterie erreicht, wenn der Benutzer das Fahrzeug nutzen oder entsprechend einer längerfristigen Betriebsanalyse aller Voraussicht nach nutzen will. Dieses „Wissen” macht sich nun auch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zunutze, indem sie parallel zur Vollladung oder insbesondere parallel zur Endphase der Vollladung eine Konditionierung des Fahrgastraums, beispielsweise eine Klimatisierung, eine Beheizung, ein Abtauen der Scheiben oder Ähnliches ermöglicht. Vorzugsweise soll dies so ausgeführt werden, dass der gewünschte Zustand beispielsweise in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur immer dann erreicht ist, wenn die Vollladung erreicht ist. So kann mit dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein sehr komfortabler Betrieb des Fahrzeugs sichergestellt werden, da bei der durch den Bediener vorgegebenen Startzeit oder der aus einer längerfristigen Datenanalyse stammenden voraussichtlichen Startzeit die Batterie voll geladen ist und der Fahrgastraum so konditioniert ist, wie es der Bediener wünscht. Er kann dann ohne weitere Verzögerungen unmittelbar in das Fahrzeug einsteigen und die Fahrt mit maximaler elektrischer Reichweite beginnen.