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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs und zum Klimatisieren des Fahrzeuginnenraums.
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Unter Elektrofahrzeugen werden nachfolgend neben klassischen Elektrofahrzeugen auch Elektrofahrzeuge mit Range-Extender und Plug-In-Hybrid-Fahrzeuge verstanden.
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Bei Verwendung eines Elektroantriebs kann die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums, insbesondere die Kühlung, unabhängig von dem Betrieb des Antriebs erfolgen. Elektrofahrzeuge verwenden typischerweise eine elektrische Klimaanlage, welche ein oder mehrere elektrifizierte Verbraucher umfassen, beispielsweise einen elektrischen Kältemittelverdichter im Kältemittelkreislauf und/oder einen elektrischen Heizer zum Heizen der Innenraumluft. Im Gegensatz dazu wird in konventionellen verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen der Kältemittelverdichter typischerweise über den Antriebsstrang mechanisch angetrieben und als Heizer wird ein durch die Wärme der Kühlflüssigkeit aufgeheizter Wärmetauscher verwendet. Bekannt sind bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen auch Standheizungen; diese werden im Allgemeinen durch Verbrennung von im Tank enthaltenem Treibstoff betrieben.
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Die Verwendung einer elektrischen Klimaanlage ermöglicht die Bereitstellung von Standklima-Funktionen unabhängig vom Betriebszustand des Antriebs. Dabei kann beispielsweise vorgesehen werden, dass das Fahrzeug zum Abfahrtzeitpunkt durch entsprechende Kühlung (oder Heizung) einen für den Fahrzeugnutzer angenehmen Klimatisierungszustand, insbesondere eine bestimmte Wunschtemperatur, aufweist.
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Zum Laden eines Elektrofahrzeugs wird dieses mit einer elektrischen Energieversorgung gekoppelt, beispielsweise über ein Ladekabel oder über eine induktive Kopplung. Wenn bei Kopplung des Fahrzeugs mit einer elektrischen Energieversorgung neben dem Laden des Elektrofahrzeugs auch eine Standklimatisierung durchgeführt wird, steht bei einer begrenzten elektrischen Netzleistung (z. B. 3,68 kW beim Laden an einer normalen Steckdose mit einer einphasigen Netzspannung von 230 V) weniger Energie zum Laden des Elektrofahrzeugs zur Verfügung. Der Klimakomfort kann bei beschränkter Ladezeit zu einer Verschlechterung des Ladezustands bei Abfahrt und damit zu einer Reduktion der Reichweite des Elektrofahrzeugs führen. Dieser Nachteil kann zwar unter Umständen durch Erhöhung der Ladezeit kompensiert werden, eine Erhöhung der Ladezeit ist jedoch bei einer entsprechenden Zeitbeschränkung häufig nicht möglich. Neben dem Komfortgewinn für den Fahrzeugnutzer ist die Vorklimatisierung des Fahrzeuginnenraums vor Abfahrt häufig auch energetisch sinnvoll, da die spätere Aktivierung der Klimafunktion nach der Abfahrt mit einer Reduktion der Reichweite verbunden ist. Für die Klimafunktion muss dann nämlich die beschränkte Energie aus dem elektrischen Energiespeicher des Elektrofahrzeugs verwendet werden.
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Die Anforderungen hoher Klimakomfort, hohe Reichweite und kurze Ladezeit sind also nur schwer miteinander vereinbar.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Verfahren zum Laden und zum Stand-Klimatisieren des Elektrofahrzeugs anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs mit elektrischem Energiespeicher und zum Stand-Klimatisieren des Fahrzeuginnenraums mittels einer elektrischen Klimaanlage. Dabei ist das Fahrzeug mit einer elektrischen Energieversorgung gekoppelt, beispielsweise über ein Ladekabel oder über eine induktive Kopplung, so dass elektrische Energie von der elektrischen Energieversorgung entgegengenommen werden kann.
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Gemäß dem Verfahren wird der elektrische Energiespeicher, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, auf einen Mindestladezustand geladen, beispielsweise auf einen Mindest-SOC (State of Charge) aus dem Bereich von 40%–70%, beispielsweise 50%. Nach Erreichen des Mindestladezustands des Energiespeichers wird der Innenraum derart klimatisiert (beispielsweise durch Kühlen oder Heizen), dass zu einem angenommenen Abfahrtzeitpunkt ein vorgegebener Klimatisierungszustand des Innenraums erreicht wird, beispielsweise eine bestimmte Zieltemperatur (z. B. 22°C) oder ein bestimmtes Zieltemperaturfenster (z. B. 20°C bis 24°C) erreicht wird. Dies ist jedoch nur dann möglich, sofern die verfügbare Energie zwischen Starten der Klimatisierung und Abfahrtzeitpunkt hierfür noch ausreicht, beispielsweise wenn die Zeitdauer bis zum angenommenen Abfahrtzeitpunkt noch genügend lang ist.
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Der angenommene Abfahrtzeitpunkt kann beispielsweise vom Fahrzeugnutzer manuell eingegeben worden sein oder selbstständig vom Fahrzeug, beispielsweise aufgrund der Fahrten-Historie, ermittelt worden sein. Beispielsweise kann in Abhängigkeit des aktuellen Wochentags und/oder der aktuellen Urzeit abgeschätzt werden, wann der nächste Abfahrtzeitpunkt ist, da aufgrund der Fahrten-Historie dem Fahrzeug bekannt ist, zu welchem Wochentag und/oder zu welcher Uhrzeit das Fahrzeug typischerweise in Betrieb genommen wird.
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Der Energiespeicher wird mit zum Erreichen des Klimatisierungszustands nicht benötigter überschüssiger Energie auf einen Zielladezustand (beispielsweise 97% SOC) geladen, sofern überschüssige Energie zur Verfügung steht. Das nachträgliche Aufladen nach Erreichen des Mindestladezustands kann beispielsweise zeitlich parallel zur Klimatisierung erfolgen.
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Bei dem Verfahren wird beispielsweise zunächst bis zum Mindestladezustand geladen. Nach Erreichen des Mindestladezustands erfolgt sofort oder später eine Vorklimatisierung des Innenraums in der Weise, dass ein bestimmter Klimatisierungszustand zum Abfahrtzeitpunkt erreicht ist. Falls darüber hinaus noch genug Leistung zur Verfügung steht, wird beispielsweise parallel weitergeladen. Dies bedeutet nicht unbedingt, dass die Vorklimatisierung sofort nach Erreichen des Mindestladezustands startet. Die Vorklimatisierung kann auch später starten (beispielsweise 30 Minuten vor dem angenommenen Abfahrtzeitpunkt), wenn dann noch erreicht werden kann, dass zum Abfahrtzeitpunkt der Innenraum ausreichend vorklimatisiert ist. Nach Erreichen des Mindestladezustands wird eine Vorklimatisierung des Innenraums gegenüber dem Erreichen des Zielladezustands also derart priorisiert, dass beispielsweise Leistung für das Laden auf den Zielladezustand in dem Maße vor und parallel zur Vorklimatisierung genutzt werden darf, sofern eine vollständige Vorklimatisierung zum Abfahrtszeitpunkt sichergestellt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also für den Fall beschränkter Ladezeit und Ladeleistung eine Priorisierung in der Weise, dass das Laden des Energiespeichers auf einen gewissen Ladezustand eine hohe Priorität hat. Ein dazu geringere Priorität hat die Bereitstellung eines Klimatisierungszustands zum Abfahrtzeitpunkt, d. h. die Vorklimatisierung des Fahrzeuginnenraums. Die Vorklimatisierung des Fahrzeuginnenraums ist jedoch von höherer Priorität als die Erreichung eines Zielladezustands für den Energiespeicher.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein deutlicher Komfortgewinn aufgrund der Bereitstellung eines gewünschten Klimatisierungszustands zum Abfahrtzeitpunkt erzielt werden. Der Komfortgewinn betrifft sowohl den Einstiegskomfort als auch den Komfort während der Fahrt und ist im Allgemeinen nicht nur auf das Klima beschränkt, sondern betrifft auch die Akustik (geringe Geräuschpegel während der Fahrt, da aufgrund der Vorklimatisierung die Klimaanlage während der Fahrt mit geringer Leistung arbeiten kann). Im Gegenzug kommt es bei beschränkter Ladezeit und niedriger Netzleistung bei entsprechender Wahl der Mindestladezustands nur zu einer geringen Reduktion der Reichweite. Die mit Erfüllung des Klimatisierungswunsches verbundene mögliche absolute Reichweiteverkürzung durch den möglicherweise geringeren Ladehub (Ladehub = Differenz zwischen dem Ladezustand zum Abfahrtzeitpunkt und dem Ladezustand zu Ladebeginn) ist in den meisten Fällen vernachlässigbar und ist – wenn überhaupt – nur bei komplettem Leerfahren des Energiespeichers spürbar (ein komplettes Leerfahren des Energiespeichers tritt jedoch sehr selten auf). Die Innenraumklimatisierung kann also im Wesentlichen unabhängig von den Umgebungsbedingungen und vom Ladezustand sichergestellt werden. Ferner ist die Reichweite im Fall einer Vorklimatisierung des Innenraums ähnlich oder nur unwesentlich geringer als die Reichweite im Fall einer ausschließlichen Klimatisierung des Innenraums nach der Fahrzeuginbetriebnahme.
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Vorzugsweise wird nach Erreichen des Mindestladezustands geprüft, ob die Zeitdauer bis zum angenommenen Abfahrtzeitpunkt eine bestimmte Zeitdauerschwelle erreicht oder unterschritten hat. In diesem Fall wird die Klimatisierung des Innenraums gestartet. Beispielsweise wird geprüft, ob die Zeitdauer bis zum Abfahrtzeitpunkt kleiner Δt = 30 Minuten ist. Die Zeitdauerschwelle ist beispielsweise größer gleich der Zeitdauer, die zur Erzielung eines vorgegebenen Klimatisierungszustands unter normalen Bedingungen maximal benötigt wird. Die Zeitdauerschwelle kann konstant sein oder variabel einstellbar sein, beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur vor Aktivieren der Klimaanlage, einer Zieltemperatur zum Abfahrtzeitpunkt und/oder in Abhängigkeit von der verfügbaren Netzleistung (beispielsweise 3,68 kW an einem gewöhnlichen Netzanschluss oder 19,2 kW an einem Hochleistungsanschluss).
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Es ist von Vorteil, wenn während des Klimatisierens des Innenraums zumindest zeitweise parallel der Energiespeicher mit zum Erreichen des Klimatisierungszustands nicht benötigter überschüssiger Energie geladen wird. Beispielsweise kann in einem dem Abfahrtzeitpunkt unmittelbar vorausgehenden Zeitraum zeitlich parallel sowohl der Innenraum klimatisiert werden als auch der Energiespeicher geladen werden. Dies hat den Vorteil, dass die Zeitdauer, in der eine unabhängig von der eigentlichen Klimatisierungsfunktion und unabhängig von der eigentlichen Ladefunktion anfallende Grundbordnetzleistung anfällt, im Vergleich zu der Situation verringert wird, in der zunächst der Energiespeicher geladen wird und anschließend lediglich die Klimaanalage arbeitet, ohne dass der Energiespeicher geladen wird.
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In bestimmten Situationen ist es von Vorteil, wenn zum Klimatisieren des Innenraums Energie aus dem Energiespeicher verwendet wird, beispielsweise bei nicht ausreichender Netzleistung. So kann gleichzeitig zum Klimatisieren sowohl Leistung aus der elektrischen Energieversorgung als auch Leistung aus dem Energiespeicher verwendet werden. Es kann beispielsweise geprüft werden, ob die über die Energieversorgung zum Klimatisieren des Innenraums bereitgestellte Leistung in der Weise ausreicht, dass zu dem angenommenen Abfahrtzeitpunkt der gewünschte Klimatisierungszustand des Innenraums erreicht wird. Beispielsweise kann geprüft werden, ob die Leistung der Energieversorgung kleiner als ein benötigter Leistungswert für die Klimatisierung ist. Ist dies der Fall, wird zusätzlich gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher zur Klimatisierung des Innenraums abgerufen. Bei Verwendung von Energie aus dem Energiespeicher zum Vorklimatisieren kann unter Umständen der Ladezustand unter den Mindestladezustand sinken.
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Dies ist besonders vorteilhaft bei extremen Außenbedingungen und geringer Netzleistung und ermöglicht es, auch in solchen Fällen den gewünschten Klimatisierungszustand zu Fahrtbeginn zu gewährleisten.
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Für den Energiespeicher sollte eine bestimmte Temperatur (z. B. 32°C) nicht erreicht oder nicht überschritten werden, ab der bzw. über der der Energiespeicher beispielsweise Schaden nehmen kann. Um dies zu verhindern, wird der Energiespeicher typischerweise gekühlt, im Allgemeinen auch während der Fahrt.
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Vorzugsweise wird der Energiespeicher auf eine solche Temperatur zum angenommenen Abfahrtzeitpunkt abgesenkt, dass während einer angenommenen Fahrt (beispielsweise bei einer durchschnittlichen Fahrtdauer von 45 Minuten) die Kühlung nicht aktiviert werden muss, weil eine obere Grenztemperatur, bei der oder über der die Kühlung des Energiespeichers aktiviert würde, nicht erreicht oder nicht überschritten wird. Der Energiespeicher wird beispielsweise auf eine solche Temperatur zum angenommenen Abfahrtzeitpunkt abgesenkt, dass die Temperatur zum angenommenen Abfahrtzeitpunkt zuzüglich eines angenommenen Temperaturhubs während der Fahrt unterhalb einer oberen Grenztemperatur des Energiespeichers bleibt oder diese obere Grenztemperatur nicht überschreitet.
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Die Vorkonditionierung des Energiespeichers vor dem angenommenen Abfahrtzeitpunkt erfolgt vorzugsweise in der Weise, dass die Temperatur zum Abfahrtzeitpunkt um mindestens 5°C, insbesondere um einen Wert im Bereich von 7° bis 22°, geringer als eine obere Grenztemperatur (beispielsweise 32°C) ist, bei der oder über der die Kühlung des Energiespeichers aktiviert würde.
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Es kann beispielsweise immer die gleiche Fahrt angenommen werden (beispielsweise eine Fahrt von 45 Minuten), alternativ kann auch eine Fahrt aufgrund der Fahrten-Historie geschätzt werden.
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Durch die zusätzliche Kühlung des Energiespeichers wird ein Energieverbrauch für die Kühlung des Hochvoltspeichers während der angenommenen Fahrtdauer vermieden. Hierdurch wird im Allgemeinen die Reichweite des Elektrofahrzeugs verlängert. Sollte die Fahrt länger als angenommen dauern, wird der Energieverbrauch für die Kühlung zumindest reduziert.
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Vorzugsweise ist der Mindestladezustand oder ein hiermit in Beziehung stehender Ladezustand (beispielsweise ein unterer Ladezustand, der um eine bestimmte Differenz unterhalb des Mindestladezustands liegt und der selbst bei Entladung des Energiespeichers zwecks Vorklimatisierung nicht unterschritten wird) variabel einstellbar, beispielsweise durch Nutzereingabe oder durch automatische Einstellung seitens des Fahrzeugs. Das Fahrzeug kann beispielsweise die Fahrten-Historie auswerten und hierbei feststellen, dass aufgrund der bisherigen Fahrten ein bestimmter Ladezustand zum Absolvieren der nächsten Fahrt generell ausreicht. Alternativ oder zusätzlich kann durch ein vorausschauendes Verfahren Information über die vorausliegende Fahrt abgeleitet werden. Mit dieser Information über die vorausliegende Fahrt kann dann ein bestimmter Ladezustand, der für die vorausliegende Fahrt ausreicht, ermittelt werden. Beispielsweise kann ein Fahrziel über ein Navigationsgerät im Fahrzeug eingegeben werden (beispielsweise beim Abstellen des Fahrzeugs) und der Mindestladezustand oder ein hiermit in Beziehung stehender Ladezustand wird in Abhängigkeit dieser Information eingestellt. Alternativ kann die nächste Fahrt durch Fahrtzielangabe über ein von dem Fahrtzeug externes Datenverarbeitungsgerät geplant werden, beispielsweise von Hause über einen PC, und der Mindestladezustand oder ein hiermit in Beziehung stehender Ladezustand in Abhängigkeit dieser Information eingestellt werden.
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Durch Individualisierung des Mindestladezustands – sei es über historische Auswertung oder vorrauschauende Verfahren – kann der Mindestladezustand gegenüber einem fest vorgegebenen Wert verringert werden. Dies ermöglicht es, dass bei gegebener Zeit und Leistung für Laden und Vorklimatisierung weniger Zeit für das Laden auf den Mindestladezustand benötigt wird und die Klimatisierung des Innenraums – falls nötig – unter Umständen früher starten kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass nach Verstreichen des angenommenen Abfahrtzeitpunkts, ohne dass das Fahrzeug in Betrieb genommen wird, der Innenraum für eine bestimmte Nachlaufzeit (beispielsweise für 30 Minuten) weiterhin klimatisiert wird. Hierdurch kann ein nicht unübliches, etwas späteres Erreichen des Fahrzeugs seitens des Fahrers abgedeckt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Nachlaufzeit dazu genutzt werden, eine oder mehrere nicht durchgeführte oder nicht abgeschlossene Maßnahmen zur Vorbereitung des Fahrzeugs auf die Fahrt (beispielsweise die Aufladung auf einen Zielladezustand oder die Vorkonditionierung des Energiespeichers) durchzuführen bzw. abzuschließen. Während der Nachlaufzeit können also auch restliche, bis zum Abfahrtzeitpunkt nicht erfüllte Lade-, Klimatisierungs- und/oder Konditionierungs-Umfänge nachgezogen werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. In diesen zeigen:
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1 eine schematisches beispielhaftes Blockschaltbild eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Klimaanlage;
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2a/b ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Laden und Klimatisieren eines Elektrofahrzeugs;
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3 einen beispielhaften Verlauf der Ladeleistung sowie die entsprechende Ladeenergie und einen beispielhaften Verlauf der Leistung der Klimaanlage sowie den entsprechenden Energieverbrauch der Klimaanalage für drei verschiedene Situationen (a), (b), (c) und (d).
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1 zeigt ein schematisches, stark vereinfachtes Blockschaltbild eines beispielhaften Elektrofahrzeugs mit elektrischer Klimaanlage und Elektroantrieb 1, welcher durch einen elektrischen Energiespeicher 10 (beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie) mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Klimaanlage stellt eine Kühlfunktion und optional auch eine Heizfunktion für den elektrischen Energiespeicher 10 bereit.
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Die beispielhafte Klimaanlage umfasst einen Kältemittelkreislauf. Ein elektrischer Kältemittelverdichter 2 des Kältemittelkreislaufs saugt kaltes, gasförmiges Kältemittel an und verdichtet dieses. Der elektrische Kältemittelverdichter 2 weist einen Elektromotor und einen von dem Elektromotor angetriebenen eigentlichen Verdichter auf. Der elektrische Kältemittelverdichter 2 wird von dem elektrischen Energiespeicher 10 mit elektrischer Energie versorgt. Ferner ist ein Verflüssiger 3 (auch Kondensator genannt) vorgesehen, in welchem Kältemittelgas unter Abgabe von Wärmeenergie an die Umgebung abgekühlt wird und dabei kondensiert. In einem Verdampfer 4 verdampft das Kältemittel unter Aufnahme von Wärmeenergie aus der Umgebung. Ferner ist ein Expansionsorgan 5 vorgesehen, welches die Kältemittelmenge reguliert, die vom Verdampfer 4 aufgenommen wird. Das Expansionsorgan 5 kann beispielsweise als Expansionsventil oder als Expansionsdrossel ausgestaltet sein.
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Ein Klimasteuergerät 11 dient zur Steuerung des Kältemittelkreises 1. Insbesondere dient das Klimasteuergerät 11 dazu, die Leistung des elektrischen Kältemittelverdichters 2 einzustellen, insbesondere dessen Motordrehzahl.
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Zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums wird Frisch- oder Umluft 8 über die Oberfläche des Verdampfers 4 geleitet und dabei gekühlt. Zur Erwärmung des Innenraums ist ein mit einem Kühlmittel (beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch) durchströmter Wärmetauscher 9 vorgesehen, der die entgegengenommene Luft 12 erwärmt. In einem elektrischen Heizer 13 wird das Kühlmittel erwärmt, welches dann den Wärmetauschers 9 durchströmt. Der elektrische Heizer 13 wird von dem elektrischen Energiespeicher 10 mit elektrischer Energie versorgt. Der elektrische Heizer 13 kann beispielsweise mit NTC- oder PTC-Widerständen betrieben werden, um ein Trägermedium wie Luft oder Kühlmittel zu erwärmen, über das der Innenraum eines Fahrzeuges geheizt werden kann.
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Ferner ist eine Kühlung des elektrischen Energiespeichers 10 mittels eines Wärmetauschers 14 des Energiespeichers 10 vorgesehen, welcher thermisch mit dem Energiespeicher 10 gekoppelt ist. Der Wärmetauscher 14 entzieht dem elektrischen Energiespeicher 10 Wärme und kühlt den Energiespeicher 10 dadurch ab. Der Wärmetauscher 14 ist dazu mit dem Kühlkreislauf gekoppelt. Der Wärmetauscher 14 entzieht über eine Wärmeleitung den Modulen des Energiespeichers 10 die Wärme und führt diese in das Kühlmedium (beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch) ab. Die Abkühlung des Kühlmediums kann beispielsweise durch einen Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher 20 erfolgen, der parallel zum Verdampfer 4 des Kältekreislaufes integriert werden kann.
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Optional kann auch ein Wärmetauscher 14 zum Heizen des Energiespeichers 10 vorgesehen sein. Über ein 3/2-Wege-Ventil 21 kann beispielsweise zwischen dem Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher 20 und dem elektrischem Heizer 13 umgeschaltet werden. Der Wärmtauscher 14 bezieht nach Umschalten auf den elektrischen Heizer 13 Wärmeenergie von dem elektrischen Heizer 13 und heizt dadurch den Energiespeicher 10.
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Außerdem umfasst das Fahrzeug ein zentrales Fahrzeug-Energiemanagement 16, welches den Verbrauch elektrischer Leistung steuert. Dazu ist das Energiemanagement 16 mit dem Klimasteuergerät 11, dem Elektroantrieb 1 und einer Ladesteuerung 31 verbunden.
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Das Fahrzeug umfasst ferner eine Netzschnittstelle 30, über die das Fahrzeug mit einem elektrischen Stromnetz verbunden wird. Über die Netzschnittstelle 30 kann bei Anschluss des Fahrzeugs an ein Stromnetz sowohl die Klimaanlage (insbesondere der elektrische Kältemittelverdichter 2) als auch der elektrische Energiespeicher 10 mit elektrischer Energie versorgt werden.
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Wenn das Fahrzeug an ein elektrisches Stromnetz über die Netzschnittstelle 30 angeschlossen ist, kann diese Energie dazu verwendet werden, den Hochvoltspeicher (HVS) 10 aufzuladen und vor einem angenommenen Abfahrtzeitpunkt eine Vorklimatisierung des Fahrzeuginnenraums durch Betrieb der Klimaanlage vorzunehmen. Da im Allgemeinen die Netzleistung und auch die Dauer des Netzanschlusses begrenzt sind, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine bestimmte Priorisierung für bis zum Abfahrtzeitpunkt durchführbaren Maßnahmen vorgeschlagen (sofern diese vom Nutzer nicht deaktiviert wurden):
- 1. Ladekonditionierung des HVS 10: Die höchste Priorität hat die Absenkung der Temperatur des HVS 10 auf eine zulässige Grenztemperatur (beispielsweise 32°C) Temperatur oder darunter, falls die Temperatur zu hoch ist.
- 2. Laden auf Mindest-SOC: Die zweithöchste Priorität hat die Erreichung eines Mindestladezustand (Mindest-SOC), beispielsweise 50% SOC.
- 3. Vorklimatisierung Innenraum: Die dritthöchste Priorität hat die Vorklimatisierung des Fahrzeuginnenraums auf einen bestimmten Klimatisierungszustand zum Abfahrtzeitpunkt.
- 4. Laden auf Ziel-SOC: Die vierthöchste Priorität hat die Erreichung eines Zielladezustands (Ziel-SOC), beispielsweise 97% SOC, mit Ziel-SOC > Mindest-SOC.
- 5. Vorkonditionierung des HVS 10: Die fünfthöchste Priorität hat Absenkung der Temperatur des HVS 10 bis zum angenommenen Abfahrtzeitpunkt auf eine solche Temperatur, dass während einer angenommenen Fahrt die Kühlung des Energiespeichers nicht aktiviert werden muss. Hierbei wird beispielsweise der Hochvoltspeicher 10 auf eine Temperatur im Bereich von 10°C bis 25°C abgekühlt, so dass während einer typischen Fahrt eine obere Grenztemperatur von 32°C nicht überschritten wird, über der die Kühlung des Energiespeichers während der Fahrt aktiviert würde.
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Die Priorisierung wird von dem Energiemanagement 16 gesteuert.
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Bei dem Verfahren wird der Energiespeicher 10 zunächst bis zu einem Mindestladezustand geladen. Nach Erreichen des Mindestladezustands des Energiespeichers 10 wird der Innenraum derart klimatisiert, dass zu einem angenommenen Abfahrtzeitpunkt ein bestimmter Klimatisierungszustand des Innenraums erreicht wird. Falls noch überschüssige Energie zur Verfügung steht, kann diese zum Weiterladen des Energiespeichers 10 auf den Zielladezustand verwendet werden.
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In 2a und 2b zeigt ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Laden und Klimatisieren des Innenraums. Die Punkte A, B und C markieren Schnittpunkte zwischen 2a und 2b. Schritt 100 entspricht dem Startpunkt des Verfahrens. In Schritt 110 werden Vorgaben über eine entsprechende Eingabemöglichkeit seitens des Nutzers eingegeben. Der Nutzer kann beispielsweise vorgeben,
- – ob das Fahrzeug geladen werden soll, und
- – ob der Fahrzeuginnenraum vor dem Abfahrtzeitpunkt vorklimatisiert werden soll (Vorklimatisierung des Innenraums).
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Außerdem gibt der Nutzer in Schritt 110 die Abfahrzeit vor.
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Bei dem Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise nicht vorgesehen, dass der Nutzer vorgibt, ob eine Vorkonditionierung des Hochvoltspeichers 10 gewünscht ist oder nicht. Ob die Vorkonditionierung durchgeführt wird oder nicht, wird vom Fahrzeug in Abhängigkeit der verfügbaren Energie entschieden. Es kann stattdessen aber auch vorgesehen sein, dass der Nutzer vorgibt, ob der Hochvoltspeicher 10 vorkonditioniert werden soll (sofern genug Energie zur Verfügung steht).
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In den Schritten 120 und 130 erfolgt die Ladekonditionierung des Hochvoltspeichers 10. In Schritt 120 wird dazu geprüft, ob die Temperatur T_HVS des Hochvoltspeichers 10 größer als die zulässige Grenztemperatur T_LD (beispielsweise T_LD = 32°C) ist. Wenn dies der Fall ist, wird solange der Hochvoltspeicher 10 gekühlt (s. Schritt 130), bis gilt T_HVS ≤ T_LD gilt.
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In Schritt 140 wird geprüft, ob die Vorklimatisierung des Fahrzeuginnenraums vom Nutzer gewählt wurde. Wenn dies vom Nutzer gewählt wurde, wird in Schritt 150 das Fahrzeug für eine bestimmte Dauer geladen. Dann wird in Schritt 160 geprüft, ob der Abfahrtzeitpunkt (AZ) bereits erreicht wurde. Wenn dies nicht der Fall ist, wird in Schritt 170 geprüft, ob der Mindest-SOC bereits erreicht wurde. Solange dies nicht der Fall ist, wird weitergeladen (s. Schritt 150). Wenn schließlich der Mindest-SOC erreicht wurde, in Schritt 180 eine Prognose darüber durchgeführt, ob die bis zum Abfahrtzeitpunkt über die Netzschnittstelle 30 abrufbare Energie mindestens dazu ausreicht, den Ziel-SOC zu erreichen und eine Vorklimatisierung des Innenraums durchzuführen. Dazu kann beispielsweise prognostiziert werden, ob die Zeit bis zum Abfahrtzeitpunkt und die Netzleistung hierfür mindestens ausreichen.
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Nur wenn die Energie hierfür ausreicht, erfolgt eine Vorkonditionierung des Hochvoltspeichers 10 (s. Schritt 190). Die Vorkonditionierung muss nicht sofort gestartet werden, sondern kann auch zu einem späteren Zeitpunkt vor Erreichen der Abfahrtzeit gestartet werden. Der Grund hierfür ist, dass die Erreichung des Ziel-SOC und die Vorklimatisierung des Innenraums eine höhere Priorität als die Vorkonditionierung des Hochvoltspeichers 10 haben. In einem alternativen Ausführungsbeispiel des Verfahrens ohne Unterstützung einer Vorkonditionierung des Hochvoltspeichers 10, sind beispielsweise die Schritte 180 und 190 aus dem Ablauf zu streichen.
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Wenn die Energie für die Vorkonditionierung des Hochvoltspeichers 10 nicht ausreicht oder bereits eine Vorkonditionierung gemäß Schritt 190 vorher initiiert wurde, wird in Schritt 300 geprüft (s. 2b), ob die Restzeit bis zum angenommenen Abfahrtzeitpunkt größer als eine Zeitdauerschwelle Δt von beispielsweise 30 Minuten ist. Die Zeitdauerschwelle Δt wird beispielsweise so gewählt, dass diese mindestens so groß ist, wie diejenige Zeitdauer bis zum Abfahrtzeitpunkt AZ, die von der Klimaanalage benötigt wird, um einen gewünschten Klimatisierungszustand zum Abfahrtzeitpunkt unter typischen Umgebungsbedingungen zu gewährleisten. Die Zeitdauerschwelle Δt kann konstant gewählt werden oder variabel in Abhängigkeit einer oder mehrerer Einflussgrößen eingestellt werden, beispielsweise in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen der aktuellen Außen- und/oder Innentemperatur und der gewünschten Innentemperatur zum Abfahrtzeitpunkt und/oder in Abhängigkeit der Netzleistung.
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Wenn die Restzeit größer als die Zeitdauerschwelle Δt ist, geht das Verfahren wieder auf Schritt 150 zurück, wodurch das Laden fortgesetzt wird. Wenn die Restzeit aber kleiner gleich als die Zeitdauerschwelle ist, wird die Vorklimatisierung des Innenraums gestartet (s. Schritte 320 und 330). Hierbei wird zwischen zwei Fällen unterschieden (s. Schritt 320 und Schritt 330). In Schritt 310 wird nämlich geprüft, ob die zum Klimatisieren notwendige Klimatisierungsleistung P_Klima kleiner gleich als eine nutzbare Netzleistung P_Netz ist. Die nutzbare Netzleistung (beispielsweise 3,20 kW von 3,68 kW) berücksichtigt die Verluste im Elektrofahrzeug und ist geringer als die Leistung an der Netzschnittstelle 30.
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Im Fall von P_Klima ≤ P_Netz wird mit der zum Erreichen des Klimatisierungszustands zum Abfahrtzeitpunkt notwendigen Leistung klimatisiert (s. Schritt 330). Falls darüber hinaus noch Leistung vom Netz zur Verfügung steht, die nicht zum Erreichen des Klimatisierungszustands zum Abfahrtzeitpunkt benötigt wird, wird mit der überschüssigen Leistung der Energiespeicher in Richtung auf den Zielladezustand geladen (s. Schritt 330). In Schritt 340 wird geprüft, ob der Abfahrtzeitpunkt (AZ) bereits erreicht wurde. Wenn dies der Fall ist, geht das Verfahren in eine Nachlaufphase 350, sofern das Fahrzeug nicht in Betrieb genommen wurde. In einer Nachlaufphase 350 wird beispielsweise nach Verstreichen des angenommenen Abfahrtzeitpunkts, ohne dass das Fahrzeug in Betrieb genommen wurde, der Klimazustand des Innenraums für eine bestimmte Zeitdauer (beispielsweise 30 Minuten) nach dem verstrichenen Abfahrtzeitpunkt aufrecht erhalten, sofern eine Vorklimatisierung vom Nutzer gewählt wurde. Außerdem kann auch die Vorkonditionierung des Speichers 10 für die Nachlaufzeit aufrecht erhalten werden. Sofern in Schritt 340 festgestellt wird, dass der Abfahrtzeitpunkt nicht erreicht wurde, wird geprüft, ob bereits der Ziel-SOC erreicht wurde (s. Schritt 360). Nach dieser Prüfung wird weiter der Innenraum klimatisiert (s. Schritt 330), bis schließlich irgendwann der Abfahrtzeitpunkt erreicht wird. Das Laden des Energiespeichers 10 erfolgt jedoch nur dann, sofern in Schritt 360 nicht festgestellt wurde, dass der Ziel-SOC bereits erreicht wurde.
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Im Fall von P_Klima > P_Netz wird trotzdem mit der zum Erreichen des Klimatisierungszustands zum Abfahrtzeitpunkt notwendigen Leistung P_Klima klimatisiert (s. Schritt 320). Zum Klimatisieren des Innenraums wird in diesem Fall aber neben der verfügbaren nutzbaren Netzleistung P_Netz zusätzliche Leistung P_HVS aus dem Energiespeicher 10 verwendet, wobei der Energiespeicher 10 dabei entladen wird, d. h. P_Klima = P_Netz + P_HVS. Da keine über die zum Klimatisieren notwendige überschüssige Netzleistung zur Verfügung steht, wird der Energiespeicher 10 nicht geladen. Bei der Verwendung der Leistung P_HVS aus dem Energiespeicher 10 kann unter Umständen der Mindest-SOC unterschritten werden, beispielsweise wenn Δt = 30 Minuten vor dem Abfahrtzeitpunkt der Mindest-SOC in Schritt 170 erreicht wird und dann sofort die Klimatisierung unter Verwendung von Energie aus dem Energiespeicher 10 in Schritt 320 gestartet wird. Der Mindest-SOC sollte daher vorzugsweise so hoch gewählt werden, dass selbst bei Entladung des Energiespeichers 10 zwecks Vorklimatisierung des Innenraums ein unterer SOC-Wert nicht unterschritten wird und gewährleistet wird. Der untere SOC-Wert entspricht dabei beispielsweise dem Mindest-SOC vermindert um die Energieaufnahme der Klimaanalage während der Dauer Δt = 30 min. Beispielsweise kann berücksichtigt werden, dass die Klimaanalage mit einer Leistungsaufnahme von 6 kW in Δt = 30 Minuten eine Energie von 3 kWh aufnehmen kann. Wenn beispielsweise der Energiespeicher 10 einen Energienutzhub von 24 kWh aufweist, kann beispielsweise ein Mindest-SOC von 50% gewählt werden, so dass bei einer Entladung um 3 kWh durch die Klimaanalage ein unterer SOC von mindestens 37,5% gewährleistet wird.
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In Schritt 370 wird geprüft, ob der Abfahrtzeitpunkt bereits erreicht wurde. Wenn dies der Fall ist, geht das Verfahren in eine Nachlaufphase 350, sofern das Fahrzeug nicht in Betrieb genommen wurde. Falls der Abfahrtzeitpunkt nicht erreicht wurde, geht das Verfahren zurück zum Schritt 310.
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Wenn sich anhand der Prüfung in Schritt 140 ergibt (s. 2a), dass keine Vorklimatisierung des Innenraums gewählt wurde, wird in Schritt 200 das Fahrzeug für eine bestimmte Dauer geladen. Dann wird in Schritt 210 geprüft, ob der Abfahrtzeitpunkt bereits erreicht wurde. Wenn der Abfahrtzeitpunkt nicht erreicht wurde, wird in Schritt 220 eine Prognose dahingehend durchgeführt, ob die bis zum Abfahrtzeitpunkt über die Netzschnittstelle 30 abrufbare Energie mindestens dazu ausreicht, den Ziel-SOC zu erreichen. Dazu kann beispielsweise prognostiziert werden, ob die Zeit bis zum Abfahrtzeitpunkt und die Netzleistung hierfür mindestens ausreichen. Nur wenn die Energie hierfür ausreicht, erfolgt eine Vorkonditionierung des Hochvoltspeichers 10 (s. Schritt 230) und wieder ein Laden des Speichers 10 (s. Schritt 200). Die Vorkonditionierung muss nicht sofort gestartet werden, sondern kann auch zu einem späteren Zeitpunkt vor Erreichen der Abfahrtzeit gestartet werden. Wenn die Energie für die Vorkonditionierung des Hochvoltspeichers 10 nicht ausreicht, erfolgt ein Laden des Speichers 10 ohne Vorkonditionierung des Speichers 10 (s. Schritt 200). Nach Erreichen des Abfahrtzeitpunkts (s. Abfrage 210), geht das Verfahren in eine Nachlaufphase 350, sofern das Fahrzeug nicht in Betrieb genommen wurde. In der Nachlaufphase 350 kann die Vorkonditionierung des Speichers für die Nachlaufzeit aufrecht erhalten werden.
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3 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Ladeleistung sowie die entsprechende Ladeenergie (hellgraue Fläche) und einen beispielhaften Verlauf der Leistung der Klimaanlage sowie den entsprechenden Energieverbrauch (dunkelgraue Fläche) der Klimaanalage für drei verschiedene Situationen (a), (b), (c) und (d). In den Situationen (a)–(c) ist die Zeitdauer zwischen dem Ladebeginn tstart nach Anschluss des Elektrofahrzeugs an eine Ladestation und dem angenommenen Abfahrtzeitpunkt AZ jeweils unterschiedlich. Es wird angenommen, dass eine Vorklimatisierung gewählt worden ist. Die Vorkonditionierung des Energiespeichers 10 wird aus Gründen der Vereinfachung nicht berücksichtigt. Ein etwaiger Nachlauf der Klimaanalage nach Verstreichen des angenommenen Abfahrtzeitpunkts, ohne dass das Fahrzeug in Betrieb genommen wurde, ist in 3 nicht dargestellt.
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Bei der Ladesituation (a) ist die Dauer zwischen dem Ladebeginn tstart und dem Abfahrtzeitpunkt AZ groß. Nach Anschluss des Elektrofahrzeugs startet der Ladeprozess zum Zeitpunkt tstart, wobei die Ladeleistung zunächst der nutzbaren Netzleistung P_Netz entspricht. Zum Zeitpunkt tMSOC hat der Energiespeicher 10 den Mindest-SOC erreicht (vgl. auch die Abfrage 170 in 2a). Da zu diesem Zeitpunkt aber die Restzeit bis zum angenommenen Abfahrtzeitpunkt größer als die Zeitdauerschwelle Δt (beispielsweise Δt = 30 Minuten) ist (s. Abfrage 300 in 2b) und daher noch genügend Zeit zum Gewährleisten einer ausreichenden Klimatisierung bis zum Abfahrtzeitpunkt ist, wird in Richtung Ziel-SOC weitergeladen (s. Schritt 160). Zum Zeitpunkt AZ – Δt entspricht die Zeitdauer bis zum angenommenen Abfahrtzeitpunkt genau der Zeitdauerschwelle Δt und die Klimaanalage beginnt, Leistung zwecks Klimatisierung des Innenraums aufzunehmen. Da die Vorklimatisierung des Innenraums eine höhere Priorität als die Erreichung des Ziel-SOC hat, nimmt die Klimaanalage so viel Leistung auf, wie notwendig ist, um den gewünschten Klimatisierungszustand zum Abfahrtzeitpunkt zu gewährleisten. Lediglich der von der Klimaanalage nicht benötigte überschüssige Teil der verfügbaren Netzleistung P_Netz wird zum Laden des Energiespeichers 10 verwendet. Zum Zeitpunkt tZSOC ist der Ziel-SOC erreicht worden und die Ladeleistung wird auf im Wesentlichen null reduziert. Die Klimaanalage nimmt bis zum Abfahrtzeitpunkt AZ weiterhin diejenige Leistung auf, die für die Gewährleistung des gewünschten Klimatisierungszustands zum Abfahrtzeitpunkt nötig ist. Im Idealfall fallen tZSOC und der Abfahrtzeitpunkt AZ zusammen oder tZSOC liegt kurz vor dem Abfahrtzeitpunkt.
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Bei der Ladesituation (b) ist die Dauer zwischen dem Ladebeginn tstart und dem Abfahrtzeitpunkt AZ geringer als bei der Ladesituation (a), da der Startpunkt tstart zeitlich später liegt. Dementsprechend wird auch der Zeitpunkt tMSOC, zu dem der Energiespeicher 10 den Mindest-SOC erreicht hat, später erreicht. Zum Zeitpunkt AZ – Δt entspricht die Zeitdauer bis zum angenommenen Abfahrtzeitpunkt genau der Zeitdauerschwelle Δt und die Klimaanalage beginnt, die nötige Leistung zur Klimatisierung des Innenraums aufzunehmen. Parallel wird der Energiespeicher weiter geladen. Da der Zeitpunkt tMSOC, zu dem der Energiespeicher 10 den Mindest-SOC erreicht hat, später erreicht wurde, reicht die bis zum Abfahrtzeitpunkt AZ aufgenommene Ladeenergie nicht mehr, um den Ziel-SOC bis zum Abfahrtzeitpunkt zu erreichen. Der gewünschte Klimatisierungszustand zum Abfahrtzeitpunkt ist jedoch gewährleistet.
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Bei der Ladesituation (c) ist die Dauer zwischen dem Ladebeginn tstart und dem Abfahrtzeitpunkt AZ noch geringer als bei der Ladesituation (b). Die Zeit zwischen dem Ladebeginn zum Zeitpunkt tstart und dem Zeitpunkt AZ – Δt reicht nicht aus, den Energiespeicher auf den Mindest-SOC aufzuladen. Es wird daher auch nach dem Zeitpunkt AZ – Δt solange weiter geladen, bis der Mindest-SOC zum Zeitpunkt tMSOC erreicht wurde. Die Klimaanalage wird bis zum Erreichen des Mindest-SOC zunächst nicht aktiviert, da das Erreichen des Mindest-SOC eine höhere Priorität hat. Mit Erreichen des Mindest-SOC zum Zeitpunkt tMSOC wird die gesamte nutzbare Netzleistung P_Netz zum Klimatisieren verwendet. Da die die Zeitdauer vom Erreichen des Mindest-SOC bis zum Abfahrtzeitpunkt AZ deutlich geringer als die Zeitdauer Δt ist, ist der Leistungsbedarf der Klimaanalage größer als in den Situationen (a) und (b) und beispielsweise sogar größer als die Netzleistung. Zum Betreiben der Klimaanalage wird die gesamte verfügbare Netzleitung P_Netz verwendet. Außerdem kann zusätzliche Leistung aus dem Energiespeicher 10 zur Klimatisierung verwendet werden. Die Gesamtleistungsaufnahme der Klimanlage ist jedoch typischerweise begrenzt. Zum Laden wird keine Leistung verwendet, da die Zeitdauer bis zum Abfahrtzeitpunkt AZ deutlich geringer als die Zeitdauer Δt ist und daher keine überschüssige Energie mehr zum Laden zur Verfügung steht. Je nachdem wie lang die Zeitdauer AZ – tMSOC ist, wird das Klimatisierungsziel vollständig oder nicht vollständig erreicht.
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Die Situation (d) entspricht der Situation (a) mit dem Unterschied, dass die Netzleistung P_Netz geringer als der benötigte Leistungsbedarf P_Klima der Klimaanalage ist, beispielsweise weil die Ausgangstemperatur sehr hoch ist oder sehr niedrig ist oder die verfügbare Netzleistung gering ist. Für den Fall P_Klima > P_Netz (s. Abfrage 310 in 2b) wird mit dem benötigten Leistungsbedarf P_Klima tatsächlich klimatisiert. Die hierzu fehlende Leistung wird seitens des Energiespeichers 10 bereitgestellt, der dabei entladen wird.
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In 3 ist eine konstante Leistungsaufnahme der Klimaanalage während der Klimatisierung dargestellt. Dies dient der Vereinfachung. Tatsächlich kann statt einer konstanten Leistungsaufnahme auch ein Verlauf verwendet werden, bei dem die Leistungsaufnahme während der Klimatisierung sinkt, so dass am Anfang der Klimatisierung die Leistungsaufnahme der Klimaanlage höher als kurz vor dem Abfahrtzeitpunkt ist.