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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 Technik elektrisch 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 Traktionsbatterie 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 Betriebskosten 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 ein Ladevorgang stattfindet, welcher 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. Diese Art des Ladens stellt dabei eine vergleichsweise schonende Ladung der Traktionsbatterie in dem jeweiligen Ladevorgang sicher.
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Die Ladung der Traktionsbatterien kann dabei beispielsweise kostenoptimiert immer dann erfolgen, wenn elektrische Energie zu geeigneten Tarifzeiten möglichst kostengünstig zur Verfügung steht. Diese Strategie berücksichtigt dabei jedoch nicht, dass bestimmte Ladezustände, wie beispielsweise ein Zustand mit sehr stark entladener Traktionsbatterie oder ein Zustand mit über einen längeren Zeitraum im Zustand der Vollladung verharrender Traktionsbatterie derartige Traktionsbatterien, insbesondere wenn sie als Lithium-Ionen-Batterien ausgebildet sind, schädigen und ihre Lebensdauer nachteilig beeinflussen können.
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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 hinsichtlich der Lebensdauer optimiertes 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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Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass die Traktionsbatterie bei jedem Ladevorgang beispielsweise in einem oder auch in mehreren Schritten bis zu einem vorgegebenen Ladezustand geladen wird, wobei in die Ermittlung des vorgegebenen Ladezustands Kenngrößen über Umgebungsbedingungen und/oder Benutzerverhalten einfließen. Dies ermöglicht es, die Traktionsbatterie nach Möglichkeit immer so zu laden, dass diese einen Ladezustand aufweist, welcher beispielsweise in Abhängigkeit von statistisch über einen längeren Zeitraum ermittelten Benutzerdaten und/oder Kenngrößen der Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise der Temperatur, festlegt, wie viel Reichweite eines rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugs oder wie viel Reichweite für eine rein elektrische Fahrt eines Hybridfahrzeugs aller Voraussicht nach benötigt wird. Die Traktionsbatterie wird dann lediglich so weit geladen, dass diese Reichweite, gegebenenfalls erhöht um einen gewissen Sicherheitszuschlag, möglich ist. Dies erlaubt es, die Traktionsbatterie unter bestimmten Bedingungen nicht vollladen zu müssen, sondern diese bei einem Ladezustand zu halten, welcher unterhalb der Vollladung liegt und damit einen Ladezustand darstellt, welcher für die Lebensdauer der Traktionsbatterie nicht oder zumindest weniger schädlich ist, als der Vollladezustand. Diese Ladestrategie ermöglicht, ohne nennenswerte Einschränkungen beim Nutzungskomfort hinnehmen zu müssen, eine längere Lebensdauer der vergleichsweise teuren Traktionsbatterie, die vorzugsweise in Lithium-Ionen-Technologie ausgeführt ist.
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Die Ladung kann dabei in einem einzigen oder auch in mehreren aufgeteilten Schritten erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, zuerst eine Initialisierungsladung vorzunehmen, um die Traktionsbatterie in einen Zustand zu bringen, welcher hinsichtlich der Lebensdauer unkritisch ist, beispielsweise einem Ladezustand von in etwa oder etwas mehr als 50% der Vollladung. Erst zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise wenn elektrische Leistung in einem sehr günstigen Tarifzeitraum in einem elektrischen Versorgungsnetz zur Verfügung steht, erfolgt dann die restliche Ladung auf den vorgegebenen Ladezustand, sodass hier Kosten eingespart werden können. Sollte der Ladezustand dabei so dicht an dem Bereich der Vollladung liegen, das dieser für die Lebensdauer der Traktionsbatterie ungünstig ist, dann hat dies darüber hinaus den Vorteil, dass die Zeit in der die Traktionsbatterie in diesem eher ungünstigen Zustand verharrt, minimiert wird, da der Zeitraum zwischen der Initialisierungsladung und dem Start einer erneuten Fahrt typischerweise relativ groß ist, sodass mit einer spät einsetzenden Ladung auf den vorgegebenen Ladezustand die Traktionsbatterie über einen vergleichsweise großen Zeitraum in einem Ladezustand verharrt, welcher für die Lebensdauer günstig ist.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem vorgesehen, dass die Kenngrößen Wetterdaten umfassen. Diese Wetterdaten als Kenngrößen können beispielsweise über Radiosendungen mit verteilt werden oder können aber Funk von stationären Wetteranlagen erfasst werden. Typischerweise ist der Bedarf an Energie beim Fahren je nach Wetter unterschiedlich hoch. So wird beispielsweise bei Fahrten unter sehr ungünstigen Wetterbedingungen, beispielsweise bei Regen oder Schnee, deutlich mehr Energie benötigt, da Gebläse zum Freihalten der Scheiben, Leistung zum Antrieb von Scheibenwischern und dergleichen, notwendig ist. Bei entsprechend kalten Temperaturen wird außerdem eine gewisse Menge an Energie zur Beheizung des Fahrzeugs benötigt. Dies spielt insbesondere bei rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder bei rein elektrischen Fahrten eines Plug-In-Hybrid eine entscheidende Rolle, da in diesen Situationen beziehungsweise bei diesen Fahrzeugen kein Verbrennungsmotor zur Verfügung steht, welcher mit seiner Abwärme den Fahrgastraum heizen kann.
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In Abhängigkeit von diesen Wetterdaten, wobei hier insbesondere die Umgebungstemperatur des Fahrzeugs eine sehr einfach zu ermittelnde Kenngröße darstellt, wird also unterschiedlich viel Energie benötigt, um dieselbe Streckenlänge mit dem Fahrzeug zu bewältigen. Dementsprechend muss bei gutem Wetter beziehungsweise warmen Temperaturen weniger Energie in der Traktionsbatterie vorgehalten werden, als bei entsprechend ungünstigem Wetter beziehungsweise kalten Temperaturen. Dadurch dass dies bereits bei der Ladung der Traktionsbatterie berücksichtigt wird, kann zum Erreichen der gewünschten Reichweite bei günstigem Wetter eine geringere Ladung der Traktionsbatterie erfolgen, so dass diese in hinsichtlich ihrer Alterung günstigeren Ladezuständen gehalten werden kann. Bei entsprechend kaltem Wetter kann es dann durchaus notwendig sein, in den Bereich der Vollladung oder in den Bereich von 90 bis 95% der Vollladung zu gehen, um die entsprechende Reichweite sicherzustellen. Im Mittel über einen längeren Zeitraum ergibt sich so dennoch ein minimierter Aufenthalt der Traktionsbatterie in diesen für die Lebensdauer eher kritischen Ladungszuständen, sodass mit dem Verfahren der Erfindung gemäß dieser Ausgestaltung sehr einfach und effizient eine höhere Lebensdauer der Traktionsbatterie erreicht werden kann.
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An einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es daher vorgesehen sein, dass die Kennwerte Daten aus einer längerfristigen Betriebsanalyse umfassen. Solche Daten aus einer längerfristigen Betriebsanalyse können statistisch ausgewertet werden und können über ein Steuerungssystem entsprechend Aufschluss darüber geben, wann ein Fahrzeug typischerweise bewegt wird und welche Fahrstrecken beispielsweise an bestimmten Wochentagen zu bestimmten Uhrzeiten üblich sind. Dies kann nun alternativ oder insbesondere ergänzend zu der Auswertung von Wetterdaten und Temperaturdaten bei der Festlegung des vorgegebenen Ladezustands mitberücksichtigt werden.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung hiervon kann es ferner vorgesehen sein, dass die Kennwerte Daten umfassen, welche von einem Benutzer vorgegeben werden. Bei einer entsprechenden Weiterbildung dieser beiden Verfahren kann es außerdem vorgesehen sein, dass beide Daten parallel existieren, wobei typischerweise die vom Benutzer vorgegebenen Daten die Daten aus einer längerfristigen Betriebsanalyse überschreiben. Die Daten entweder aus der Betriebsanalyse oder aus einer Benutzereingabe können dabei vorgeben, zu welchem Zeitpunkt welche Fahrstrecke (voraussichtlich) gefahren wird. Damit lässt sich das Laden der Traktionsbatterie in zweierlei Hinsicht optimieren. Dadurch dass bekannt ist, welche Strecke gefahren wird, kann, und dies insbesondere unter Ergänzung der oben beschriebenen Varianten unter Berücksichtigung von Wetterdaten und/oder Temperatur ein Ladezustand festgelegt werden, welcher die zu erwartende Belastung des Fahrzeugs hinsichtlich Reichweite erfüllt, wobei hier typischerweise ein Sicherheitszuschlag bei der Reichweite hinzugerechnet wird. Die Traktionsbatterie des Fahrzeugs kann dann bis zu diesem Ladezustand geladen werden, wobei, wie oben bereits ausgeführt, Wetterdaten und Temperatur mitberücksichtigt werden können. Damit ist sichergestellt, dass die statistischen längerfristigen Mittel typischerweise auftretenden Fahrten von der Reichweite her problemlos absolviert werden können oder insbesondere die vom Benutzer vorgegebene Fahrt, wobei dieser diese Vorgabe typischerweise dann tätigen wird, wenn er eine längere Fahrt als üblich vorhat, absolviert werden kann. Der Ladezustand der Traktionsbatterie wird hinsichtlich eines solchen Ablaufs und einer solchen Anforderung optimiert, so dass typischerweise genau der Ladezustand der Traktionsbatterie vorliegt, welcher zum Erfüllen der Anforderungen notwendig ist. Die Traktionsbatterie muss damit nicht unnötig in einem vollgeladenen Zustand verharren, was diese hinsichtlich der Lebensdauer schädigen würde.
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Ein außerdem wie oben angedeuteter Zeitpunkt durch den Benutzer vorgegeben oder aus der statistisch längerfristigen Betrachtung bekannt ist, kann die Ladung außerdem so erfolgen, dass diese möglichst kurz vor dem zu erwartenden Zeitpunkt der Fahrt abgeschlossen ist. Damit lässt sich verhindern, dass die Traktionsbatterie über einen längeren Zeitraum in einem vollgeladenen oder nahezu vollgeladenen Ladezustand verharrt, beispielsweise dann, wenn zum Erreichen der notwendigen Reichweite, z. B. bei entsprechenden Umgebungstemperaturen, ein Ladezustand von 95 oder 100% der Vollladung notwendig ist. Außerdem wird erreicht, dass die Traktionsbatterie kurz vor Start der Fahrt geladen ist und damit durch den Ladevorgang selbst erwärmt ist. Da eine erwärmte Traktionsbatterie eine bessere Leistungsfähigkeit bereitstellt als eine sehr kalte Traktionsbatterie ist dies ein weiterer Vorteil hinsichtlich der Leistung unmittelbar nach dem Start des mit der Traktionsbatterie ausgestatteten Fahrzeugs. Außerdem können so gegebenenfalls Heizelemente, welche ansonsten zum Aufheizen der Temperatur notwendig wäre, eingespart werden.
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Wird dies außerdem mit dem oben beschriebenen Vorgehen des Ladens in mehreren Schritten kombiniert, so kann außerdem verhindert werden, dass die Traktionsbatterie in einem tief entladenen Zustand verharrt, bevor die Ladung anfängt, da dies ebenfalls schädlich hinsichtlich der Lebensdauer ist.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Kenngrößen Vorhersagewerte für Wetterdaten umfassen. Ähnlich zu den oben beschriebenen Wetterdaten können ergänzend oder alternativ hierzu auch Vorhersagewerte für Wetterdaten, wie sie beispielsweise über Wetterdienste oder Radiosender verbreitet werden, genutzt werden, um den Ladezustand der Traktionsbatterie zu beeinflussen. Eine vorteilhafte Weiterbildung hiervon kann insbesondere ein Temperaturwert als einfach zu erfassender und übermittelnder Wert einer Wettervorhersage genutzt werden. Im oben beschriebenen Verfahren kann es nun möglich sein, dass ein Fahrzeug nicht nachts, sondern erst am Morgen bewegt wird. Umgebungstemperaturen von beispielsweise –2°C in der Nacht geben daher wenig Aufschluss darüber, wie am Morgen, beispielsweise um 8:00 Uhr wenn das Fahrzeug typischerweise bewegt wird, die Temperaturen sind. Die Aufladung der Traktionsbatterie auf einen Ladezustand, welcher in Abhängigkeit der oben beispielhaft genannten Temperatur von –2°C erfolgt, könnte daher höher sein, als unbedingt notwendig und könnte daher die Traktionsbatterie gegebenenfalls hinsichtlich ihrer Lebensdauer mehr schädigen als notwendig. Wenn nun jedoch aus einer Wettervorhersage oder einer Temperaturvorhersage bekannt ist, dass nach den vergleichsweise kalten Nachttemperaturen am Morgen frühlingshafte Temperaturen im Plusbereich vorliegen werden, dann kann dies bei der Festlegung des vorgegebenen Ladezustands bereits berücksichtigt werden, sodass ein Ladezustand vorgegeben wird, welcher diesen Temperaturen zum erwarteten Startzeitpunkt des Fahrzeugs bereits Rechnung trägt.
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Das ideale Verfahren gemäß den beschriebenen Weiterbildung in der Erfindung sieht also vor, dass die Traktionsbatterie in einem ersten Schritt so weit geladen wird, dass diese außerhalb eines schädlich geringen Ladezustands ist. Unter Berücksichtigung der zu erwartenden Fahrstrecke wird zu einem geeigneten Zeitpunkt dann eine Ladung auf einen vorgegebenen Ladezustand erfolgen, welcher idealerweise exakt die bekannten oder zu erwartenden Anforderungen erfüllt, so dass die Traktionsbatterie nicht oder allenfalls über einen sehr kurzen Zeitraum in einem Bereich ihres Ladezustands ist, welcher so hoch ist, dass er die Lebensdauer der Traktionsbatterie ebenfalls mindert.
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Mit dieser Ausgestaltung des Verfahrens lässt sich so in idealer Weise ein Betrieb des mit der Traktionsbatterie ausgestatteten Fahrzeugs erreichen, welcher für den Benutzer keinerlei Einschränkungen bietet, welcher aber eine Strategie zum Laden der Traktionsbatterien umfasst, welche diese sehr schonend lädt und so eine maximale Lebensdauer der Traktionsbatterien sicherstellt.
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Um dies zu erreichen ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass der vorgegebene Ladezustand immer oberhalb eines unteren Grenzwerts vorgegeben wird, und sofern die Kennwerte dies erlauben, unterhalb eines oberen Grenzwerts, wobei die Grenzwerte so gewählt sind, dass die Traktionsbatterie sich innerhalb der Grenzwerte in einem hinsichtlich ihrer Lebensdauer unkritischen Ladezustand befindet. Ein solcher hinsichtlich der Lebensdauer als unkritisch einzustufender Bereich des Ladezustands liegt bei Lithium-Ionen-Batterien nach allgemeiner Erkenntnis typischerweise dann vor, wenn dieser oberhalb eines unteren Grenzwerts von ca. 50 bis 55% der Vollladung und unterhalb eines oberen Grenzwerts von ca. 75 bis 80% der Vollladung liegt. In diesem Bereich sind Ladezustände hinsichtlich der Lebensdauer unkritisch und erlauben so, unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer oder mehreren Varianten der oben beschriebenen Ausgestaltungen, die ideale Lebensdauer der vergleichsweise teuren Traktionsbatterie des Fahrzeugs zu gewährleisten.