DE102013102584A1 - Verfahren zum Laden einer Batterie - Google Patents

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Matthias Pohl
Markus Holzer
Markus Gutmann
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie mit einer Elektromaschine, bei dem der Batterie von der Elektromaschine während mindestens zwei aufeinanderfolgenden Ladevorgängen Energie mit einer Ladeleistung PSt bereitgestellt wird, wobei die Ladeleistung PSt für einen k + 1-ten Ladevorgang in Abhängigkeit eines Temperaturgradienten mGr der Elektromaschine während eines k-ten Ladevorgangs eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Laden einer Batterie.
  • Zum Laden einer Batterie kann eine als Generator bzw. Dynamo ausgebildete Elektromaschine eingesetzt werden. Dabei ist u. a. zu berücksichtigen, dass sich Werte für Betriebsparameter der Batterie und/oder der Elektromaschine in hierfür vorgesehenen Wertebereichen bewegen, so dass z. B. eine Überhitzung der Batterie und/oder der Elektromaschine verhindert werden kann.
  • Die Druckschrift DE 103 39 630 A1 beschreibt eine Anordnung und ein Verfahren zur Regelung eines Elektromotors, wobei eine auf Wärme-Modelldarstellungen und Messungen basierende Echtzeitvorhersage eines Leistungsvermögens erfolgt. Dazu sind Einrichtungen zum Empfangen und zur Verarbeitung von Systemeingangssignalen vorgesehen. Ferner sind Strategien zum Bestimmen eines dem Elektromotor zuführbaren maximalen Energiebetrags vorgesehen, bevor dieser eine maximal zulässige Temperatur erreicht. Außerdem kann ein Hilfsleistungswert, den der Elektromotor während einer vorherbestimmten Zeitdauer liefern kann, bevor der Elektromotor die maximal zulässige Temperatur erreicht, bestimmt werden. Eine weitere Strategie zum Bestimmen eines Batterie-Hilfsleistungswerts, zum Bestimmen eines maximalen Hilfsleistungswerts, der dem niedrigeren Wert des Motor-Hilfsleistungswerts und des Batterie-Hilfsleistungswerts entspricht, sowie eine Strategie zum Vergleich des maximalen Hilfsleistungswerts mit einem Fahreranforderungssignal werden ebenfalls realisiert. Ausgangswerte dieser Strategien können einem Fahrzeugsystemregler und/oder einer Hilfsleistungsanzeigeeinrichtung zugeführt werden.
  • Eine Bremsvorrichtung für ein Elektrofahrzeug, die regenerative Energie, die in einem Fahrmotor von Rädern eines Kraftfahrzeugs erzeugt wird, auf einem Maximum hält, ist aus der Druckschrift DE 197 03 061 A1 bekannt. Dabei umfasst diese Bremsvorrichtung eine hydraulische Bremse, die ein Bremsmoment erzeugt, indem an einem Radzylinder von jedem Rad des Kraftfahrzeugs ein hydraulischer Druck vorgesehen wird, und eine regenerative Bremse, die das Bremsmoment durch Regenerierung in einem Fahrmotor für jedes Rad erzeugt. Eine Berechnungseinheit berechnet dabei auf der Grundlage eines vorzusehenden Bremsmoments und einer berechneten maximalen regenerativen Energie einen hydraulischen Druck, der dem Radzylinder von jedem Rad durch Verringerung eines Hauptzylinderdrucks über ein Steuerventil zugeführt werden soll, so dass die regenerative Energie, die durch den jeweiligen Fahrmotor erzeugt wird, maximal wird.
  • Aus der Druckschrift DE 10 2007 016 513 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug mit einem eine Kurbelwelle umfassenden Verbrennungsmotor und mindestens einem mit dem Verbrennungsmotor, insbesondere der Kurbelwelle, gekoppelten oder koppelbaren Elektromotor bekannt. Dabei ist, wenn sich das Fahrzeug im Schubbetrieb befindet, im leerlaufnahen Drehzahlbereich bei Unterschreiten einer Leerlaufsolldrehzahl des Verbrennungsmotors durch eine Istdrehzahl des Verbrennungsmotors ein Abwürgeschutz aktiviert, bei dem der Elektromotor mit einem Solldrehmoment beaufschlagt wird, das kleiner oder gleich einem momentan möglichen Maximaldrehmoment des Elektromotors ist.
  • Die Druckschrift DE 10 2007 016 514 A1 beschreibt ein weiteres Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug mit einem eine Kurbelwelle umfassenden Verbrennungsmotor und mindestens einem mit dem Verbrennungsmotor, insbesondere der Kurbelwelle, gekoppelten oder koppelbaren Elektromotor. Falls sich das Fahrzeug im Schubbetrieb mit aktivierter Schubabschaltung befindet, ist vorgesehen, dass bei Deaktivierung der Schubabschaltung im leerlaufnahen Drehzahlbereich anhand einer aus einem Kennlinienfeld in Abhängigkeit von einem Drehzahlgradienten und/oder einer Drehzahldifferenz ermittelten Kennlinie ein Solldrehmoment für den Elektromotor ermittelt wird.
  • Ein Bremssteuerverfahren für ein Elektrofahrzeug ist in der Druckschrift DE 10 2010 044 156 A1 beschrieben. Dabei erfolgt ein Identifizieren eines Betriebszustands des Fahrzeugs, der während einer Nutzbremsung auftritt und die Kapazität der Nutzbremsung verringert. Ein lineares Verringern eines Betrags der Nutzbremsung eines Motors des Elektrofahrzeugs nach dem Identifizieren solch eines Betriebszustands des Fahrzeugs und ein gleichzeitiges Erhöhen des Betrags der hydraulischen Bremsung einer hydraulischen Bremsanlage sind dazu vorgesehen, die Verringerung des Betrags der Nutzbremsung zu kompensieren. Solche Betriebszustände enthalten Zustände, in denen die Temperatur eines Motors oder einer Batterie während der Nutzbremsung über einen vorbestimmten Pegel angestiegen ist, oder in denen der Schalthebel durch einen Fahrer während der Nutzbremsung in die Neutralstellung geschaltet wird.
  • Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und ein System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Laden einer Batterie bzw. eines Akkumulators mit einer Elektromaschine wird der Batterie von der Elektromaschine bzw. einem Elektromotor und/oder Generator während mindestens zwei aufeinanderfolgenden Ladevorgängen Energie mit einer Ladeleistung PSt bereitgestellt. Dabei können bspw. n unmittelbar aufeinanderfolgende Ladevorgänge durchgeführt werden. Die Ladeleistung PSt, die für einen k + 1-ten Ladevorgang bereitzustellen ist, wird in Abhängigkeit eines Temperaturgradienten mGr der Elektromaschine während eines vorherigen, k-ten Ladevorgangs eingestellt.
  • Mit dem Temperaturgradienten mGr wird eine zeitliche Änderung einer Temperatur, d. h. eine zeitlichen Ableitung dT/dt der Temperatur, der Elektromaschine während eines Ladevorgangs beschrieben.
  • Hierzu wird in Ausgestaltung zu Beginn des k-ten Ladevorgangs ein Startwert TSt für die Temperatur der Elektromaschine und zum Ende des k-ten Ladevorgangs ein Endwert TEn für die Temperatur der Elektromaschine gemessen. Außerdem wird eine Differenz zwischen dem Endwert TEn und dem Startwert TSt gebildet und durch Division dieser Differenz durch eine Dauer tZk des k-ten Ladevorgangs der Temperaturgradient mGr = (TEn – TSt)/tZk berechnet. Demnach wird durch den Temperaturgradienten mGr aus der Differenz der beiden Temperaturen TEn und TSt geteilt durch die Dauer tZk die zeitliche Änderung der Temperatur während jeweils eines Ladevorgangs beschrieben.
  • Im Rahmen des Verfahrens ist für die Elektromaschine eine maximale Grenztemperatur TGrenz vorgesehen bzw. definiert, die nicht überschritten werden sollte, was mit dem Verfahren erreicht wird. In einem Schritt des Verfahrens wird zwischen der Grenztemperatur TGrenz und dem Endwert TEn bei dem k-ten Ladevorgang eine Differenz gebildet und durch Division dieser Differenz durch den Temperaturgradienten mGr eine erste, grenztemperaturabhängige Grenzzeit tTGr = (TGrenz – TEn)/mGr bis zum Erreichen der maximalen Grenztemperatur TGrenz berechnet. Somit kann über die Grenzzeit tTGr ermittelt werden, wann die Grenztemperatur TGrenz erreicht werden würde.
  • In der Regel weist die Batterie während eines Ladevorgangs eine Ladetemperatur auf. In Ausgestaltung kann alternativ oder ergänzend für die Elektromaschine eine, üblicherweise zu berechnende, maximale Ladetemperatur Tlade_max vorgesehen sein, die nicht überschritten werden sollte. Dabei kann zwischen der maximalen Ladetemperatur Tlade_max und dem Endwert TEn bei dem k-ten Ladevorgang eine Differenz gebildet und durch Division dieser Differenz durch den Temperaturgradienten mGr eine zweite, ladetemperaturabhängige Grenzzeit tLGr = (Tlade_max – TEn)/mGr bis zum Erreichen der maximalen Ladetemperatur Tlade_max berechnet werden. In möglicher Ausgestaltung kann die Grenztemperatur TGrenz der vorgesehenen maximalen Ladetemperatur Tlade_max entsprechen.
  • Außerdem ist für die Batterie ein maximaler Gesamtenergiegehalt EGes vorgesehen, bei dem die Batterie vollständig geladen ist. Dabei kann während des k-ten Ladevorgangs aus dem maximalen Gesamtenergiegehalt EGes der Batterie und einem k-ten Energiegehalt EEn der Batterie zum Ende des k-ten Ladevorgangs eine Differenz EGes – EEn gebildet werden, die durch eine durchschnittliche elektrische Abgabeleistung Pelekt dividiert wird, wobei eine Batteriezeit tBat = (EGes – EEn)/Pelek bis zum Erreichen des maximalen Gesamtenergiegehalts EGes der Batterie berechnet wird.
  • Hierbei kann während des k-ten Ladevorgangs jeweils nach Verstreichen einer systemabhängigen Zeitspanne tSchritt von der Elektromaschine an die Batterie in Abhängigkeit von der Gesamtdauer tZk des k-ten Ladevorgangs zumindest einmal, in der Regel mehrmals, eine Abgabeleistung Pi abgegeben werden. Während des k-ten Ladevorgangs wird über sämtliche Abgabeleistungen Pi summiert und eine dabei gebildete Summe durch tZk/tSchritt dividiert, wodurch die durchschnittliche elektrische Abgabeleistung Pelekt = (tSchritt/tZk)·ΣPi bei dem k-ten Ladevorgang berechnet wird.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die grenztemperaturabhängige Grenzzeit tTGr mit der Batteriezeit tBat verglichen, wobei eine erste Zeitdifferenz Δt1 = tTGr – tBat berechnet wird. Die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang wird im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um einen ersten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt1 erhöht, wenn die erste Zeitdifferenz Δt1 positiv ist. Alternativ wird die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um einen ersten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt1 reduziert, wenn die erste Zeitdifferenz Δt1 negativ ist. Der erste zeitabhängige Leistungsänderungswert ΔPt1 wird üblicherweise in Abhängigkeit von der ersten Zeitdifferenz Δt1 berechnet, wobei ein Vorzeichen dieser ersten Zeitdifferenz Δt1 automatisch berücksichtigt wird.
  • Demnach kann in beiden möglichen Fällen der erste zeitabhängige Leistungsänderungswert ΔPt1 unter Berücksichtigung einer Funktion ΔPt1(Δt1), die von der ersten Zeitdifferenz Δt1 abhängig ist, berechnet werden, wobei der erste zeitabhängige Leistungsänderungswert ΔPt1 dasselbe Vorzeichen wie die erste Zeitdifferenz Δt1 aufweist.
  • Alternativ oder ergänzend kann die ladetemperaturabhängige Grenzzeit tLGr mit einer üblicherweise zu berechnenden Ladezeit tlade_end verglichen werden, wobei eine zweite Zeitdifferenz Δt2 = tLGr – tlade_end berechnet wird. Die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang kann im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um einen zweiten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt2 erhöht werden, wenn die zweite Zeitdifferenz Δt2 positiv ist. Die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang wird dagegen im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um einen zweiten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt2 reduziert, wenn die zweite Zeitdifferenz Δt2 negativ ist. Hierbei wird der zweite zeitabhängige Leistungsänderungswert abhängig von der zweiten Zeitdifferenz Δt2 und deren Vorzeichen berechnet. Die Ladezeit tlade_end kann bis zur Beendigung mindestens eines Ladevorgangs berechnet werden.
  • Folglich kann der zweite zeitabhängige Leistungsänderungswert ΔPt2 in beiden möglichen Fällen unter Berücksichtigung einer Funktion ΔPt2(Δt2), die von der zweiten Zeitdifferenz Δt2 abhängig ist, berechnet werden, wobei der zweite zeitabhängige Leistungsänderungswert ΔPt2 dasselbe Vorzeichen wie die zweite Zeitdifferenz Δt2 aufweist.
  • Insgesamt ist es in Ausgestaltung des Verfahrens möglich, dass die Ladeleistung PSt um einen gesamten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPtges verändert wird, der von dem ersten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt1 und dem zweiten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt2 abhängig ist.
  • Üblicherweise kann der gesamte zeitabhängige Leistungsänderungswert ΔPtges unter Berücksichtigung einer Funktion ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) berechnet werden, die von dem ersten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt1 und dem zweiten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt2 abhängig ist.
  • Hierbei ist es in Ausgestaltung möglich, dass eine Funktion ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) = α·ΔPt1 + (1 – α)·ΔPt2 verwendet wird, wobei α mindestens den Wert 0 und maximal den Wert 1 aufweist.
  • Falls die beiden zeitabhängigen Leistungsänderungswerte ΔPt1 und ΔPt2 dasselbe Vorzeichen aufweisen, kann vorgesehen sein, dass als Funktion ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) = 0,5·ΔPt1 + 0,5·ΔPt2 verwendet wird, wobei α = 0,5, so dass für den gesamten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPtges ein Mittelwert der beiden zeitabhängigen Leistungsänderungswerte ΔPt1 und ΔPt2 verwendet wird.
  • In einer denkbaren Ausgestaltung ist u. a. möglich, dass als Funktion ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) = ΔPt1 oder ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) = ΔPt2 verwendet wird, wobei als gesamter zeitabhängiger Leistungsänderungswert ΔPtges entweder der betragsmäßig größte oder betragsmäßig kleinste der beiden zeitabhängigen Leistungsänderungswerte ΔPt1 und ΔPt2 verwendet wird, so dass entweder α = 0 oder α = 1 gilt. Diese Ausgestaltung kann auch unabhängig von den Vorzeichen der beiden zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt1 und ΔPt2 durchgeführt werden, also unabhängig davon, ob die beiden zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt1 und ΔPt2 unterschiedliche Vorzeichen oder dasselbe Vorzeichen aufweisen. Üblicherweise ist bei einer Wahl eines der beiden möglichen Leistungsänderungswerte ΔPt1 oder ΔPt2 zu berücksichtigen, dass weder die maximale Grenztemperatur TGrenz noch die maximale Ladetemperatur Tlade_max überschritten wird.
  • Falls die beiden zeitabhängigen Leistungsänderungswerte ΔPt1 und ΔPt2 unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, ist in einer weiteren Ausgestaltung möglich, dass als Funktion ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) = ΔPt1 + ΔPt2 verwendet wird, wobei die beiden Leistungsänderungswerte ΔPt1 und ΔPt2 addiert werden.
  • Weiterhin ist es möglich, dass die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um einen gradientenabhängigen Leistungsänderungswert ΔPmGr erhöht wird, wenn der Temperaturgradient mGr negativ ist. Alternativ kann die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um einen gradientenabhängigen Leistungsänderungswert ΔPmGr reduziert wird, wenn der Temperaturgradient mGr positiv ist.
  • Dabei kann der gesamte Leistungsänderungswert ΔPges unter Berücksichtigung einer Funktion ΔPtges(ΔPmGr) berechnet werden, die von dem gradientenabhängigen Leistungsänderungswert ΔPmGr abhängig ist.
  • Demnach kann in beiden möglichen Fällen der gradientenabhängige Leistungsänderungswert ΔPmGr unter Berücksichtigung einer Funktion ΔPmGr(mGr), die von dem Temperaturgradienten mGr abhängig ist, berechnet werden, wobei der gradientenabhängige Leistungsänderungswert ΔPmGr in der Regel das negative Vorzeichen des Temperaturgradienten mGr aufweist.
  • In Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Wert für die Änderung der Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt für den k-ten Ladevorgang unter Berücksichtigung mindestens eines zeitabhängigen Leistungsänderungswerts ΔPt1 und/oder ΔPt2 und unter Berücksichtigung des gradientenabhängigen Leistungsänderungswerts ΔPmGr eingestellt werden.
  • Hierbei ist es möglich, dass in einer Ausgestaltung eine Funktion ΔPges(ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2), ΔPmGr) = β·ΔPtges + (1 – β)·ΔPmGr für einen gesamten Leistungsänderungswert ΔPges verwendet wird, wobei β mindestens den Wert 0 und maximal den Wert 1 aufweist. Diese Funktion ΔPges(ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2), ΔPmGr) = β·ΔPtges + (1 – β)·ΔPmGr für den gesamten Leistungsänderungswert ΔPges ist von der voranstehend beschriebenen Funktion ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) für den gesamten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPtges, d. h. von mindestens einem der beiden zeitabhängigen Leistungsänderungswerts ΔPt1 und/oder ΔPt2, sowie von dem gradientenabhängigen Leistungsänderungswert ΔPmGr abhängig.
  • Falls der gesamte zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) und der gradientenabhängige Leistungsänderungswert ΔPmGr dasselbe Vorzeichen aufweisen, kann vorgesehen sein, dass als Funktion ΔPges(ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2), ΔPmGr) = 0,5·ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) + 0,5·ΔPmGr verwendet wird, wobei β = 0,5, so dass für den gesamten Leistungsänderungswert ΔPges ein Mittelwert aus dem gradientenabhängigen Leistungsänderungswert ΔPmGr und dem zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) verwendet wird.
  • Dabei kann in Ausgestaltung vorgesehen sein, dass als Funktion ΔPges(ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2), ΔPmGr) = ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) oder ΔPges(ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2), ΔPmGr) = ΔPmGr verwendet wird, wobei als gesamter Leistungsänderungswert ΔPtges jener der beiden zu berücksichtigenden Leistungsänderungswerte ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) oder ΔPmGr verwendet wird, der entweder betragsmäßig am größten oder betragsmäßig am kleinsten ist. Diese Ausgestaltung kann vorzeichenunabhängig und somit unabhängig davon sein, ob der gesamte zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) und der gradientenabhängige Leistungsänderungswert ΔPmGr unterschiedliche Vorzeichen oder dasselbe Vorzeichen aufweisen.
  • Falls der gesamte zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) und der gradientenabhängige Leistungsänderungswert ΔPmGr unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, ist weiterhin möglich, dass als Funktion ΔPges(ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2), ΔPmGr) = ΔPtges(ΔPt1, ΔPt2) + ΔPmGr verwendet wird.
  • Das Zeitintervall tZk für einen ersten Ladevorgang (k = 1) kann in Abhängigkeit des Startwerts TSt der Temperatur der Elektromaschine zu Beginn dieses ersten Ladevorgangs eingestellt werden, wobei die Abhängigkeit des Zeitintervalls tZk von dem Startwert TSt der Temperatur der Elektromaschine durch eine Funktion tZk(TSt) beschrieben wird, wobei das Zeitintervall tZk umso größer ist, je geringer der Startwert TSt ist, und wobei das Zeitintervall tZk um so geringer ist, je größer der Startwert TSt ist.
  • Das Zeitintervall tZk für einen k-ten Ladevorgang (k > 1) kann in Abhängigkeit der Ladeleistung PSt für den vorhergehenden k – 1-ten Ladevorgang eingestellt werden, wobei die Abhängigkeit des Zeitintervalls tZk von der Ladeleistung PSt für den vorhergehenden k – 1-ten Ladevorgang durch eine Funktion tZk(PSt) beschrieben wird. Dabei ist das Zeitintervall tZk umso größer, je geringer die Ladeleistung PSt ist, und umso geringer, je größer die Ladeleistung PSt ist.
  • Das vorgestellte Verfahren kann für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs durchgeführt werden, wobei die Batterie von einer generatorisch betriebenen Elektromaschine des Kraftfahrzeugs geladen wird, wobei mit der Elektromaschine mechanische Energie, üblicherweise kinetische Energie, in elektrische Energie umgewandelt wird. In diesem Fall können die maximale Ladetemperatur Tlade_max, die die Elektromaschine bei einem Ladevorgang erreicht, und die Ladezeit tlade_end in Abhängigkeit einer Topologie einer von dem Kraftfahrzeug während des Ladevorgangs demnächst bzw. zukünftig zu befahrenden Strecke berechnet werden.
  • Das erfindungsgemäße System ist zum Laden einer Batterie mit einer Elektromaschine ausgebildet, wobei dieses System als mindestens eine Komponente ein Steuergerät aufweist. Hier ist vorgesehen, dass die Elektromaschine dazu ausgebildet ist, der Batterie während mindestens zwei aufeinanderfolgenden Ladevorgängen k, k + 1 Energie mit einer Ladeleistung PSt bereitzustellen. Das Steuergerät ist dazu ausgebildet, die Ladeleistung PSt für einen k + 1-ten Ladevorgang in Abhängigkeit eines Temperaturgradienten mGr der Elektromaschine während eines k-ten Ladevorgangs einzustellen.
  • Mit dem System ist das voranstehend vorgestellte Verfahren durchzuführen. Dabei ist das Steuergerät des Systems dazu ausgebildet, mindestens einen Schritt des vorgestellten Verfahrens zu kontrollieren und somit zu steuern und/oder zu regeln.
  • Das System kann als weitere Komponente mindestens einen Sensor aufweisen, der dazu ausgebildet ist, mindestens einen bei dem Verfahren zu verwendenden Betriebsparameter, üblicherweise den Startwert TSt und Endwert TEn der Temperatur, bei dem k-ten Ladevorgang sowie einen Energiegehalt ESt der Batterie als Startwert und einen Energiegehalt EEn der Batterie als Endwert bei dem k-ten Ladevorgang, zu erfassen. Es ist zudem möglich, dass das System als mindestens eine weitere Komponente die Batterie und/oder die Elektromaschine aufweist.
  • Das Verfahren beschreibt somit eine Funktion für das Laden einer als Hochspannungsbatterie (HV-Batterie) ausgebildeten Batterie durch eine Elektromaschine (Charge Increasing). Dabei wird eine Ladeleistung PSt, die zum Laden der Batterie von der Elektromaschine zuzuführen ist, kontrolliert und demnach gesteuert und/oder geregelt.
  • Dabei wird berücksichtigt, dass die Elektromaschine bei einer Belastung über ihrer Nennlast stark erwärmt werden kann. Dadurch können thermische Probleme auftreten, die zu einer Leistungsreduzierung der Elektromaschine führen können. Mit dem vorgestellten Verfahren kann eine unzulässige Erwärmung der Elektromaschine vermieden werden.
  • Zur Umsetzung des Verfahrens wird die Ladeleistung PSt, die durch die Elektromaschine geliefert wird, u. a. in Abhängigkeit des Temperaturgradienten mGr kontrolliert. Falls der Temperaturgradient mGr bei einer aktuellen Ladeleistung zu groß wird, kann die Ladeleistung für den k + 1-ten Ladevorgang reduziert werden. Umgekehrt kann die Ladeleistung für den k + 1-ten Ladevorgang erhöht werden, wenn die Ladeleistung für den k-ten Ladevorgang zu gering ist.
  • 1 zeigt ein Flussdiagramm zu einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm zu einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 3 zeigt ein erstes weiteres Diagramm zu der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 4 zeigt ein zweites weiteres Diagramm zu der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 5 zeigt ein weiteres Diagramm zu der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 6 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems.
  • Das in 1 dargestellte Flussdiagramm zeigt einen Ablauf der ersten Ausführungsform des Verfahrens zum Laden einer Batterie mit einer Elektromaschine.
  • Dieses Flussdiagramm ist nach einem vorgesehenen Start 2 in zwei Zweige unterteilt, die jeweils eine Abfolge von mehreren Schritten umfassen. Diese Schritte bilden Maßnahmen, die während eines Ladevorgangs durchgeführt werden. Dabei umfasst ein erster, links abgebildeter Zweig als ersten Schritt ein "Messen von Startwerten" 4, wobei hier als Betriebsparameter eine aktuelle Temperatur TSt einer Elektromaschine und ein aktueller Energiegehalt ESt der Batterie von mindestens einem Sensor, in der Regel von zwei hierfür vorgesehenen Sensoren, erfasst und gemessen werden. Auf eine Messung des aktuellen Energiegehalts ESt der Batterie kann in Ausgestaltung auch verzichtet werden. In einem weiteren Schritt "Ausgabe der Startwerte" 6 wird die gemessene Temperatur TSt der Elektromaschine als Startwert und optional der aktuelle Energiegehalt ESt der Batterie als Startwert ausgegeben.
  • Ein dritter Schritt "Zeitintervall tZk des Systems abwarten" 8 dauert so lange an, bis ein einstellbares Zeitintervall tZk entsprechend einer Dauer eines Ladevorgangs verstrichen ist. Danach werden bei einem "Messen von Endwerten" 10 als Betriebsparameter ein Energiegehalt EEn der Batterie und eine Temperatur TEn der Elektromaschine als Endwerte von dem mindestens einen Sensor gemessen. Diese beiden gemessenen Endwerte werden bei einer "Ausgabe der Endwerte" 12 ausgegeben. Bei einem nachfolgenden "Berechnen der Zeit tTGr bis zum Erreichen der Grenztemperatur im Charge-Modus" 14 werden ein Temperaturgradient mGr = (TEn – TSt)/tZk und eine temperaturabhängige Grenzzeit tTGr = (TGrenz – TEn)/mGr berechnet. Werte für diese beiden Betriebsparameter mGr und tTGr werden bei einer "Ausgabe" 16 als abschließendem Schritt des linken Zweigs ausgegeben.
  • Bei dem Temperaturgradienten mGr handelt es sich um die zeitliche Änderung der Temperatur der Elektromaschine während des Zeitintervalls tZk, während dessen die Batterie in einem Ladevorgang geladen wird. Die hierbei ebenfalls zu berücksichtigende Grenztemperatur TGrenz ist eine Maximaltemperatur der Elektromaschine während des Ladevorgangs.
  • In dem ersten, links dargestellten Zweig ist demnach vorgesehen, dass die temperaturabhängige Grenzzeit tTGr in Abhängigkeit eines gemessenen Startwerts, nämlich der Temperatur der Elektromaschine TSt, die zu Beginn des linken Zweigs gemessen wird, des Zeitintervalls tZk sowie von Endwerten, nämlich dem Energiegehalt EEn der Batterie und der Temperatur TEn der Elektromaschine, die zum Ende des linken Zweigs gemessen werden, berechnet wird. Das Zeitintervall tZk wird in Abhängigkeit der Ladeleistung PSt bei jedem erneuten Durchlauf der Schritte des linken Zweigs jeweils neu festgelegt.
  • Bei Durchführung des Verfahrens kann der linke Zweig bspw. n-mal durchlaufen werden. Demnach kann vorgesehen sein, dass bei einem k-ten Durchlauf bei Durchführung eines k-ten Ladevorgangs der Startwert TSt zu einem k-ten Zeitpunkt tk gemessen wird. Die Endwerte EEn und TEn werden bei jedem Durchlauf zu einem Zeitpunkt tk + tZk gemessen. Unmittelbar danach werden die Grenzzeit tTGr und der Temperaturgradient mGr berechnet. Bei Durchführung des Verfahrens hängt eine Dauer eines Durchlaufs des linken Zweigs jeweils immer von dem jeweils neu einzustellenden Zeitintervall tZk ab.
  • Simultan werden bei Durchführung der Schritte des linken Zweigs auch die Schritte des rechten Zweigs des Flussdiagramms durchgeführt. Dabei beginnt der rechte Zweig bei einem k-ten Durchlauf zum Zeitpunkt tk mit dem Schritt "Stellen einer Ladeleistung PSt" 18, bei dem die Ladeleistung PSt bei jedem Durchlauf für einen k-ten Ladevorgang neu eingestellt wird. Bei einem ersten Durchlauf (k = 1) wird die Ladeleistung PSt in Abhängigkeit der Temperatur TSt als Startwert eingestellt. Bei dem zweiten Schritt "Aufzeichnung der EM-Leistung für die Berechnung der mittleren Leistung während tZk" 20 wird während des Zeitintervalls tZk jeweils nach Ablauf eines Zeitintervalls tSchritt die aktuelle Leistung Pi der Elektromaschine mit mindestens einem Sensor gemessen und im nachfolgenden Schritt "Berechnung der durchschnittlichen Leistung" 22 zur Berechnung der durchschnittlichen elektrischen Leistung Pelek = (tSchritt/tZk)·ΣPi verwendet, die im nachfolgenden Schritt "Ausgabe der durchschnittlichen Leistung" 24 ausgegeben wird. Danach wird bei einem "Berechnen der Zeit tBat bis zum Erreichen der vollen Batterie" 26 eine Batteriezeit tBat = (EGes – EEn)/Pelek berechnet und in einem abschließenden Schritt "Ausgabe" 28 ausgegeben.
  • Bei einer Überprüfung 32 während des k-ten Ladevorgangs werden für die bei den abschließenden "Ausgaben" 16, 28 der beiden Zweige bereitgestellten Werte unter Berücksichtigung von mindestens einer Bedingung überprüft. Falls der Temperaturgradient mGr negativ (mGr < 0) ist oder falls die temperaturabhängige Grenzzeit tTgr größer als die Batteriezeit tBat (tTGr > tBat) und die Grenztemperatur TGrenz größer als die als Endwert gemessene Temperatur TEn der Elektromaschine (TGrenz > TEn) ist, ist als erste mögliche "Ausgabe" 34 vorgesehen, dass die Ladeleistung PSt für den nächsten durchzuführenden k + 1-ten Ladevorgang erhöht wird. Anderenfalls, falls der Temperaturgradient mGr positiv (mGr > 0) ist oder falls die temperaturabhängige Grenzzeit tTGr kleiner als die Batteriezeit tBat (tTGr < tBat) und die Grenztemperatur TGrenz größer als die als Endwert gemessene Temperatur TEn der Elektromaschine ist (TGrenz > TEn), ist als zweite alternative "Ausgabe" 36 vorgesehen, dass die Ladeleistung PSt reduziert wird. Bei einer "Ausgabe der Ladeleistung" 38 wird die nunmehr erhöhte oder reduzierte Ladeleistung PSt zum Start 2 übergeben und das Verfahren bei einem k + 1-ten Durchlauf zur Realisierung des k + 1-ten Ladevorgangs mit einer aktualisierten Ladeleistung PSt fortgesetzt.
  • Bei der vorgestellten Ausführungsform des Verfahrens wird die für den nach dem k-ten Ladevorgang folgenden k + 1-ten Ladevorgang vorgesehene Ladeleistung PSt im Vergleich zu der Ladeleistung PSt beim k-ten Ladevorgang um einen gesamten Leistungsänderungswert ΔPges, der von einem ersten gesamten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPtges und einem ersten gradientenabhängigen Leistungsänderungswert ΔPmGr abhängig ist, verändert, d. h. erhöht oder reduziert. Dabei ist der erste gesamte zeitabhängige Leistungsänderungswert ΔPtges von einer ersten Zeitdifferenz Δt1 = ΔtTGr – tBat und der gradientenabhängige Leistungsänderungswert ΔPmGr von dem Temperaturgradienten mGr abhängig. Dabei entspricht der erste gesamte zeitahängige Leistungsänderungswert ΔPtges einem ersten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt1, da in diesem Fall lediglich die erste Zeitdifferenz Δt1 berücksichtigt wird.
  • Das in 2 dargestellte Flussdiagramm zeigt einen Ablauf der zweiten Ausführungsform des Verfahrens zum Laden einer Batterie mit einer Elektromaschine.
  • Dieses Flussdiagramm ist nach einem vorgesehenen Start 2 in zwei Zweige unterteilt, die jeweils eine Abfolge von mehreren Schritten umfassen, die jeweils bei einem Ladevorgang durchgeführt werden. Dabei umfasst ein erster, links abgebildeter Zweig als ersten Schritt ein "Messen von Startwerten" 4, hier eine aktuelle Temperatur TSt einer Elektromaschine und eines aktuellen Energiegehalts ESt der Batterie, die von zumindest einem Sensor erfasst werden, wobei auf eine Messung des aktuellen Energiegehalts ESt der Batterie auch verzichtet werden kann. In einem weiteren Schritt "Ausgabe der Startwerte" 6 wird die gemessene Temperatur TSt der Elektromaschine als Startwert und optional der aktuelle Energiegehalt ESt der Batterie ausgegeben. Ein dritter Schritt "Zeitintervall tZk des Systems abwarten" 8 dauert so lange an, bis ein Zeitintervall tZk verstrichen ist. Danach werden bei einem "Messen von Endwerten" 10 ein Energiegehalt EEn der Batterie und eine Temperatur TEn der Elektromaschine als Endwerte gemessen. Diese beiden gemessenen Endwerte werden bei einer "Ausgabe der Endwerte" 12 ausgegeben.
  • Bei einem nachfolgenden Schritt "Berechnen der Zeit tLGr bis zum Erreichen der Ladetemperatur im Charge-Modus" 15 werden ein Temperaturgradient mGr = (TEn – TSt)/tZk und eine ladetemperaturabhängige Grenzzeit tLGr = (Tlade_max – TEn)/mGr berechnet. Eine hier vorgesehene maximale Ladetemperatur Tlade_max der Elektromaschine bei einem Ladevorgang wird bei simultaner Durchführung des zweiten rechten Zweigs berechnet. Werte für diese beiden Betriebsparameter mGr und tLGr werden bei einer "Ausgabe" 16 als abschließendem Schritt des linken Zweigs ausgegeben. Bei dem Temperaturgradienten mGr handelt es sich um die Änderung der Temperatur der Elektromaschine während des Zeitintervalls tZk bei einer jeweiligen Durchführung der in 2 dargestellten Schritte der Ausführungsform des Verfahrens, wobei hierbei eine maximal zulässige Ladetemperatur Tlade_max der Elektromaschine zu berücksichtigen ist.
  • In dem ersten, links dargestellten Zweig ist demnach vorgesehen, dass die ladetemperaturabhängige Grenzzeit tLGr in Abhängigkeit eines gemessenen Startwerts, nämlich der Temperatur der Elektromaschine TSt, die zu Beginn des linken Zweigs gemessen wird, des Zeitintervalls tZk sowie von Endwerten, nämlich dem Energiegehalt EEn der Batterie und der Temperatur TEn der Elektromaschine, die zum Ende des linken Zweigs gemessen werden, berechnet wird. Das Zeitintervall tZk wird in Abhängigkeit der Ladeleistung PSt bei jedem erneuten Durchlauf der Schritte des linken Zweigs jeweils neu festgelegt.
  • Bei Durchführung eines Verfahrens kann der linke Zweig bspw. n-mal durchlaufen werden. Demnach kann vorgesehen sein, dass bei einem k-ten Durchlauf der Startwert TSt zu einem k-ten Zeitpunkt tk gemessen wird. Die Endwerte EEn und TEn werden bei jedem Durchlauf zu einem Zeitpunkt tk + tZk gemessen. Unmittelbar danach werden die ladetemperaturabhängige Grenzzeit tLGr und der Temperaturgradient mGr berechnet. Bei Durchführung des Verfahrens hängt eine Dauer eines Durchlaufs des linken Zweigs bei einem k-ten Ladevorgang jeweils immer von dem jeweils neu einzustellenden Zeitintervall tZk ab, das in der Regel von der Ladeleistung PSt abhängig ist.
  • Simultan werden bei Durchführung der Schritte des linken Zweigs auch die Schritte des rechten Zweigs des Flussdiagramms durchgeführt. Dabei beginnt der rechte Zweig bei einem k-ten Durchlauf zur Realisierung des k-ten Ladevorgangs zum Zeitpunkt tk mit dem Schritt "Stellen einer Ladeleistung PSt" 18, bei dem die Ladeleistung PSt bei jedem Durchlauf neu eingestellt wird. Bei einem ersten Durchlauf (k = 1) wird die Ladeleistung PSt in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur TSt als Startwert eingestellt. Bei einem zweiten Schritt "Analyse der Topologie-Daten der zukünftigen Fahrstrecke" 40 wird eine Topologie einer von einem Kraftfahrzeug, das die Batterie und die Elektromaschine umfasst, während des Zeitintervalls tZk zukünftig zu befahrenden Strecke erfasst, wobei u. a. topologieabhängige Bergauffahrten, Bergabfahrten, Bremsvorgänge, Beschleunigungsvorgänge und/oder Haltevorgänge berücksichtigt werden. Üblicherweise bei Bremsvorgängen, die in der Regel auch mit Bergabfahrten kombiniert sein können, kann die Elektromaschine bei einer Reduzierung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs als Generator betrieben werden, wobei mechanische Energie, d. h. potentielle und/oder kinetische Energie von der Elektromaschine während eines Ladevorgangs bei einer sog. Rekuperation in elektrische Energie umgewandelt wird und in der Batterie gespeichert werden kann.
  • In einem nachfolgenden Schritt 42 werden bei einem "Berechnen einer Maximaltemperatur während des Ladevorgangs (Tlade_max)" und bei einem "Berechnen der Zeit bis der Ladevorgang beendet werden soll (tlade_end)" eine maximale Ladetemperatur Tlade_max, üblicherweise eine Temperatur, die die Elektromaschine bei einem Ladevorgang maximal erreichen kann bzw. darf, und eine Ladezeit tlade_end berechnet, wobei die Ladezeit tlade_end u. a. von einer Dauer der Rekuperation während des Zeitintervalls tZk abhängig sein kann. Je nach Topologie der zu befahrenden Strecke kann die Ladezeit tlade_end kürzer oder länger als das Zeitintervall tZk sein. Falls die berechnete Ladezeit tlade_end länger als das Zeitintervall tZk ist, kann die berechnete Ladezeit tlade_end, die bei einem k-ten Ladevorgang beginnt, noch zumindest bis zum nachfolgenden, k + 1-ten Ladevorgang andauern, wobei die Ladezeit tlade_end beim nachfolgenden k + 1-ten Ladevorgang neu berechnet und aktualisiert werden kann.
  • Die maximale Ladetemperatur Tlade_max und eine Ladezeit tlade_end werden bei einer "Ausgabe" 44 zur weiteren Durchführung des Verfahrens bereitgestellt.
  • Bei einer Überprüfung 46 werden bei dem k-ten Ladevorgang für die bei den abschließenden "Ausgaben" 16, 44 der beiden Zweige bereitgestellten Werte zwei Bedingungen überprüft. Falls der Temperaturgradient mGr negativ (mGr < 0) ist oder falls die ladetemperaturabhängige Grenzzeit tLGr größer als die Ladezeit tlade_end (tLGr > tlade_end) und die Grenztemperatur TGrenz jeweils größer als die als Endwert vorgesehene Temperatur TEn der Elektromaschine ist (TGrenz > TEn), ist als erste mögliche "Ausgabe" 34 vorgesehen, dass die Ladeleistung PSt erhöht wird. Anderenfalls, falls der Temperaturgradient mGr positiv (mGR > 0) ist oder falls die Grenzzeit tLGr kleiner als die Ladezeit tlade_end (tLGr < tlade_end) und die Grenztemperatur TGrenz jeweilig größer als die als Endwert vorgesehene Temperatur TEn der Elektromaschine ist (TGrenz > TEn), ist als zweite alternative "Ausgabe" 36 vorgesehen, dass die Ladeleistung PSt reduziert wird. Bei einer "Ausgabe der Ladeleistung" 38 wird die nunmehr erhöhte oder reduzierte Ladeleistung PSt zum Start 2 übergeben und das Verfahren bei einem k + 1-ten Durchlauf mit einer aktualisierten Ladeleistung PSt fortgesetzt.
  • Bei dieser zweiten Ausführungsform des Verfahrens wird die Ladeleistung PSt für den zukünftigen k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des aktuellen, k-ten Ladevorgangs um einen gesamten Leistungswert ΔPges verändert. Dieser gesamte Leistungsänderungswert ΔPges ist von einem zweiten gesamten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPtges und einem zweiten gradientenabhängigen Leistungsänderungswert ΔPmGr abhängig, wobei der zweite gesamte zeitabhängige Leistungsänderungswert ΔPtges von einer zweiten Zeitdifferenz Δt2 = tLGr – tBat und der gradientenabhängige Leistungsänderungswert ΔPmGr von dem Temperaturgradienten mGr abhängig ist. In diesem Fall entspricht der zweite gsamte zeitabhängige Leistungsänderungswert ΔPtges einem zweiten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPtges = Pt2(Δt2).
  • In Ausgestaltung können die beiden anhand der Flussdiagramme aus den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen des Verfahrens kombiniert werden. Bei einem dabei in Kombination zu realisierenden Verfahren zum Laden einer Batterie mit einer Elektromaschine wird der Batterie von der Elektromaschine während mindestens zwei aufeinanderfolgenden Ladevorgängen Energie mit einer Ladeleistung PSt bereitgestellt, wobei die Ladeleistung PSt für einen k + 1-ten Ladevorgang in Abhängigkeit eines Temperaturgradienten mGr der Elektromaschine während eines k-ten Ladevorgangs eingestellt wird, wobei dieser Temperaturgradient mGr für beide anhand der 1 und 2 jeweils vorgestellten Verfahren identisch sein kann.
  • Wie anhand des Flussdiagramms aus 1 beschrieben, wird die grenztemperaturabhängige Grenzzeit tTGr mit der Batteriezeit tBat verglichen, wobei die erste Zeitdifferenz Δt1 = tTGr – tBat berechnet wird, wobei die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um den ersten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt1 als Beitrag der ersten Ausführungsform des Verfahrens verändert wird.
  • Wie anhand des Flussdiagramms aus 2 beschrieben, wird die ladetemperaturabhängige Grenzzeit tLGr mit der üblicherweise zu berechnenden Ladezeit tlade_end verglichen, wobei die zweite Zeitdifferenz Δt2 = tTGr – tlade_end berechnet wird, wobei die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um einen zweiten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt2 als Beitrag der zweiten Ausführungsform des Verfahrens verändert wird.
  • Demnach kann bei Kombination beider Ausführungsformen des Verfahrens die Ladeleistung PSt um den gesamten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPtges verändert werden, der von dem ersten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt1 und dem zweiten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt2 abhängig ist.
  • Weiterhin wird die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs bei Kombination beider Ausführungsformen des Verfahrens um den gradientenabhängigen Leistungsänderungswert ΔPmGr verändert.
  • Falls lediglich die erste Ausführungsform des Verfahrens zu berücksichtigen ist, werden als Beiträge für den Wert zur Änderung der Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt für den k-ten Ladevorgang der erste zeitabhängige Leistungsänderungswert ΔPt1 und ggf. der gradientenabhängige Leistungsänderungswert ΔPmGr verwendet.
  • Falls lediglich die zweite Ausführungsform des Verfahrens zu berücksichtigen ist, werden als Beiträge für den Wert für die Änderung der Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt der zweite zeitabhängige Leistungsänderungswert ΔPt2 und ggf. der gradientenabhängigen Leistungsänderungswert ΔPmGr verwendet.
  • Bei einer Kombination beider Ausführungsformen des Verfahrens wird der Wert für die Änderung der Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt für den k-ten Ladevorgang unter Berücksichtigung von beiden zeitabhängigen Leistungsänderungswerten ΔPt1 und ΔPt2 sowie unter Berücksichtigung des gradientenabhängigen Leistungsänderungswerts ΔPmGr eingestellt.
  • Das in 3 schematisch dargestellte erste weitere Diagramm zu der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst als Abszisse 50 eine Zeitachse, entlang der die Zeit in Sekunden aufgetragen ist, sowie eine Ordinate 52 für eine Temperaturachse, entlang der die Temperatur in Grad Celsius aufgetragen ist. In diesem Diagramm ist ein erster, von einem Sensor gemessener Verlauf 54 (durchgezogene Linie) einer Temperatur einer Elektromaschine, mit der eine Batterie geladen wird, während eines k-ten Ladevorgangs tZk dargestellt. Hierbei wird, wie bereits anhand der beiden vorgestellten Ausführungsformen des Verfahrens in den 1 und 2 beschrieben, zu Beginn des k-ten Ladevorgangs als Startwert eine Temperatur TSt der Elektromaschine zu Beginn dieses k-ten Ladevorgangs und nach Ablauf des Zeitintervalls tZk als Endwert eine während des Ladevorgangs veränderte Temperatur TEn der Elektromaschine gemessen. Unter Berücksichtigung einer sich für die Elektromaschine während des k-ten Ladevorgangs sowie während des Zeitintervalls tZk ergebenden Temperaturdifferenz TEn – TSt, wird ein Temperaturgadient mGr = (TEn – TSt)/tZk berechnet. Unter Berücksichtigung dieses Temperaturgradienten mGr kann weiterhin ausgehend von dem Endwert der Temperatur TEn ein weiterer Verlauf 56 (gestrichelte Linie) der Temperatur der Elektromaschine prognostiziert werden. Das Diagramm aus 3 zeigt zudem einen konstanten Verlauf 58 einer Grenztemperatur TGrenz, die für die Elektromaschine nicht überschritten werden sollte.
  • Wie bereits anhand des Flussdiagramms aus 1 erläutert, kann unter Berücksichtigung der vorgestellten Betriebsparameter eine temperaturabhängige Grenzzeit tTGr = (TGrenz – TEn)/mGr berechnet werden, nach deren Ablauf die Elektromaschine die kritische, maximale Grenztemperatur TGrenz erreichen würde. Durch Vergleich dieser temperaturabhängigen Grenzzeit tTgr mit einer Batteriezeit tBat kann eine Ladeleistung PSt für einen nachfolgenden k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu einer Ladeleistung PSt bei einem aktuellen k-ten Ladevorgang verändert werden, wobei die Ladeleistung PSt um einen zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPtges verändert wird, der von einer Zeitdifferenz Δt1 = tTGr – tBat abhängig ist.
  • Das zweite weitere Diagramm aus 4 zur ersten Ausführungsform des Verfahrens umfasst ebenfalls eine als Zeitachse ausgebildete Abszisse 50 sowie eine als Temperaturachse ausgebildete Ordinate 52. In diesem Diagramm ist ebenfalls ein konstanter Verlauf 58 zur Darstellung einer Grenztemperatur TGrenz für eine Elektromaschine zum Laden einer Batterie dargestellt, wobei die Elektromaschine während mindestens eines Ladevorgangs, bei dem die Elektromaschine der Batterie eine Ladeleistung PSt bereitstellt, diese Grenztemperatur TGrenz nicht überschreiten sollte. Das Diagramm aus 4 zeigt zudem einen ersten Verlauf 60 (durchgezogene Kurve) für die Temperatur der Elektromaschine beim Laden der Batterie, die sich bei zumindest einem Ladevorgang ergibt. Bei Durchführung der ersten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Ladeleistung PSt für einen zukünftig durchzuführenden k + 1-ten Ladevorgang in Abhängigkeit des Temperaturgradienten mGr, der eine zeitliche Änderung der Temperatur während des aktuellen k-ten Ladevorgangs beschreibt, berechnet. Ein zukünftiges Verhalten der Temperatur der Elektromaschine ist in dem Diagramm aus 4 durch den Verlauf 62 (gestrichelte Linie) angedeutet. Bei Durchführung des Verfahrens über mehrere Ladevorgänge nähert sich somit die Temperatur der Elektromaschine asymptotisch der maximalen Grenztemperatur TGrenz, wobei diese maximale Grenztemperatur TGrenz nicht erreicht wird, da die vorgesehene Ladeleistung PSt umso stärker verringert wird, je mehr sich die Temperatur der Elektromaschine bei einem aktuell durchzuführenden Ladevorgang der Grenztemperatur TGrenz nähert.
  • Das in 5 dargestellte Diagramm zur Erläuterung der zweiten Ausführungsform des Verfahrens, das anhand des Flussdiagramms aus 2 beschrieben ist, umfasst eine Abszisse 64, entlang der eine Strecke, die durch ein Kraftfahrzeug zurückzulegen ist, in Metern aufgetragen ist. Bei der zweiten Ausführungsform des Verfahrens, aber auch bei der ersten Ausführungsform des Verfahrens, wie anhand des Flussdiagramms aus 1 beschrieben, ist vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug eine Elektromaschine aufweist, die entweder als Motor oder als Generator betrieben werden kann. Weiterhin umfasst dieses Kraftfahrzeug eine Batterie, in der elektrische Energie gespeichert werden kann. Falls das Kraftfahrzeug mit dem Elektromotor anzutreiben ist, wird der Elektromaschine aus der Batterie elektrische Energie bereitgestellt, so dass die Elektromaschine zum Fortbewegen des Kraftfahrzeugs elektrische Energie aus der Batterie in kinetische Energie umwandelt. Falls das fortzubewegende Kraftfahrzeug zu bremsen ist, bspw. bei einer Fahrt bergab, ist vorgesehen, die Elektromaschine als Generator zu betreiben, wobei durch die Elektromaschine bei einem Bremsvorgang reduzierte kinetische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt und während zumindest einem Ladevorgang der Batterie als Ladeleistung PSt bereitgestellt wird.
  • Das Diagramm aus 5 umfasst links eine erste Ordinate 66, entlang der als ein erster Betriebsparameter, der sensorisch erfasst werden kann, eine Temperatur der Elektromaschine in Grad Celsius aufgetragen ist. Entlang einer zweiten Ordinate 68 (rechts) des Diagramms aus 5 ist als weiterer sensorisch messbarer Betriebsparameter ein Ladezustand der Batterie (State of Carge, SOC) in Prozent aufgetragen.
  • In dem Diagramm aus 5 ist ein Verlauf 70 (strichpunktierte Linie) einer maximalen Grenztemperatur TGrenz der Elektromaschine dargestellt. Dabei ist vorgesehen, dass diese Grenztemperatur TGrenz während einer Überlandfahrt, bei der die Batterie üblicherweise zu laden ist, einen ersten konstanten Wert und bei einer Stadtfahrt, bei der die Batterie wieder entladen wird, einen zweiten konstanten Wert aufweist, wobei der zweite Wert der Grenztemperatur TGrenz während der Fahrt in der Stadt betriebsbedingt höher als der erste Wert bei der Fahrt über Land ist. Außerdem zeigt das Diagramm aus 5 einen Verlauf 72 (durchgezogene Linie) der Temperatur der Elektromaschine sowie einen Verlauf 74 (gestrichelte Linie) für den Ladezustand der Batterie.
  • Unter zusammenfassender Betrachtung der in dem Diagramm aus 5 dargestellten Verläufe 70, 72, 74 geht hervor, dass die Batterie bei Durchführung des Verfahrens während der Überlandfahrt geladen wird, wobei so lange Ladevorgänge durchgeführt werden, wobei der Batterie bei jedem Ladevorgang eine Ladeleistung PSt bereitgestellt wird, bis die Elektromaschine, die für die Überlandfahrt und/oder die Ladevorgänge vorgesehene maximale Grenztemperatur TGrenz erreicht hat. Währenddessen wird ein prozentualer Ladezustand der Batterie erhöht. Sobald die Batterie einen maximalen Gesamtenergiegehalt Eges erreicht hat, werden die Ladevorgänge beendet, wodurch sich die Temperatur der Elektromaschine wieder reduziert und bis zum Ende der Überlandfahrt ein Minimum erreicht. Sobald in der vorgestellten Ausführungsform des Verfahrens von dem Kraftfahrzeug eine Fahrt durch die Stadt durchgeführt wird, ist vorgesehen, dass elektrische Energie aus der Batterie wieder zu der Elektromaschine übertragen wird, wobei die Elektromaschine bei motorischem Betrieb die elektrische Energie in kinetische Energie umwandelt. Dabei erhöht sich die Temperatur der Elektromaschine ausgehend von dem Minimum wieder.
  • 6 zeigt in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug 80, das eine Elektromaschine 82 und eine Batterie 84 aufweist. Dieses hier dargestellte Kraftfahrzeug 80 ist demnach als Elektrofahrzeug oder als Hybridfahrzeug ausgebildet, wobei dieses Kraftfahrzeug 80 im letztgenannten Fall üblicherweise eine hier nicht dargestellte Brennkraftmaschine aufweist. Zum Fortbewegen des Kraftfahrzeugs 80 ist vorgesehen, dass elektrische Energie, die in der Batterie 84 geladen ist, der Elektromaschine 82 bereitgestellt wird, so dass von der Elektromaschine 82 in einem motorischen Betrieb elektrische Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Es ist jedoch auch möglich, dass von der Elektromaschine 82 bei einer sogenannten Rekuperation, üblicherweise im Rahmen eines Bremsvorgangs, kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei diese bereitgestellte elektrische Energie bei mindestens einem Ladevorgang der Batterie 84 mit einer Ladeleistung PSt bereitgestellt wird, wobei die Batterie 84 geladen wird.
  • 6 zeigt weiterhin in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 86, das zur Durchführung mindestens einer der beiden voranstehend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, d. h. des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Dabei kann von dem System 86 entweder das erste erfindungsgemäße Verfahren (Flussdiagramm aus 1), das zweite erfindungsgemäße Verfahren (Flussdiagramm aus 2) oder eine Kombination aus dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren und dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden. Hierzu weist das System 86 ein Steuergerät 88 auf, das zur Kontrolle und somit zur Steuerung und/oder zur Regelung mindestens eines Schritts mindestens einer der beiden vorgestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Ferner umfasst die dargestellte Ausführungsform des Systems 86 einen ersten, hier als Thermometer ausgebildeten Sensor 90, der dazu ausgebildet ist, eine aktuelle Temperatur der Elektromaschine 82 als Betriebsparameter zu messen und somit zu erfassen. Ein zweiter Sensor 92 des Systems 86 ist hier als Ladezustandssensor ausgebildet, der zum Messen und somit zum Erfassen eines Ladezustands und/oder eines Energiegehalts der Batterie 84 als Betriebsparameter ausgebildet ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • DE 102010044156 A1 [0007]

Claims (22)

  1. Verfahren zum Laden einer Batterie (84) mit einer Elektromaschine (82), bei dem der Batterie (84) von der Elektromaschine (82) während mindestens zwei aufeinanderfolgenden Ladevorgängen Energie mit einer Ladeleistung PSt bereitgestellt wird, wobei die Ladeleistung PSt für einen k + 1-ten Ladevorgang in Abhängigkeit eines Temperaturgradienten mGr der Elektromaschine (82) während eines k-ten Ladevorgangs eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mit dem Temperaturgradienten mGr eine zeitliche Änderung einer Temperatur der Elektromaschine (82) während des k-ten Ladevorgangs beschrieben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zu Beginn des k-ten Ladevorgangs ein Startwert TSt für die Temperatur der Elektromaschine (82) und zum Ende des k-ten Ladevorgangs ein Endwert TEn für die Temperatur der Elektromaschine (82) gemessen wird, wobei eine Differenz zwischen dem Endwert TEn und dem Startwert TSt gebildet und durch Division dieser Differenz durch eine Dauer tZk des k-ten Ladevorgangs der Temperaturgradient mGr = (TEn – TSt)/tZk berechnet wird.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem für die Elektromaschine (82) eine maximale Grenztemperatur TGrenz vorgegeben ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem zwischen der Grenztemperatur TGrenz und dem Endwert TEn bei dem k-ten Ladevorgang eine Differenz gebildet und durch Division dieser Differenz durch den Temperaturgradienten mGr eine grenztemperaturabhängige Grenzzeit tTGr = (TGrenz – TEn)/mGr bis zum Erreichen der maximalen Grenztemperatur TGrenz berechnet wird.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche bei dem für die Elektromaschine (82) eine maximale Ladetemperatur Tlade_max vorgesehen ist, wobei zwischen der maximalen Ladetemperatur Tlade_max und dem Endwert TEn bei dem k-ten Ladevorgang eine Differenz gebildet und durch Division dieser Differenz durch den Temperaturgradienten mGr eine ladetemperaturabhängige Grenzzeit tLGr = (Tlade_max – TEn)/mGr bis zum Erreichen der maximalen Ladetemperatur Tlade_max berechnet wird.
  7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem für die Batterie (84) ein maximaler Gesamtenergiegehalt EGes vorgesehen ist, wobei während des k-ten Ladevorgangs aus dem maximalen Gesamtenergiegehalt EGes der Batterie (84) und einem k-ten Energiegehalt EEn der Batterie (84) zum Ende des k-ten Ladevorgangs eine Differenz EGes – EEn gebildet wird, die durch eine durchschnittliche elektrische Abgabeleistung Pelekt dividiert wird, wobei eine Batteriezeit tBat = (EGes – EEn)/Pelek bis zum Erreichen des maximalen Gesamtenergiegehalts EGes der Batterie (84) berechnet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem während des k-ten Ladevorgangs jeweils nach einem Verstreichen einer systemabhängigen Zeitspanne tSchritt von der Elektromaschine (82) an die Batterie (84) mehrmals eine Abgabeleistung Pi abgegeben wird, wobei während des k-ten Ladevorgangs über sämtliche Abgabeleistungen Pi summiert und eine dabei gebildete Summe durch tZk/tSchritt dividiert wird, wobei die durchschnittliche elektrische Abgabeleistung Pelekt = (tSchritt/tZk)·ΣPi bei dem k-ten Ladevorgang berechnet wird.
  9. Verfahren nach Ansprüche 7 oder 8, bei dem die grenztemperaturabhängige Grenzzeit tTGr mit der Batteriezeit tBat verglichen wird, wobei eine erste Zeitdifferenz Δt1 = tTGr – tBat berechnet wird, wobei die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um einen ersten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt1 erhöht wird, wenn die erste Zeitdifferenz Δt1 positiv ist, oder wobei die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um einen ersten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt1 reduziert wird, wenn die erste Zeitdifferenz Δt1 negativ ist, wobei der erste zeitabhängige Leistungsänderungswert ΔPt1 in Abhängigkeit von der ersten Zeitdifferenz Δt1 berechnet wird, wobei die Temperatur der Elektromaschine höchstens so hoch wie die Grenztemperatur TGrenz ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die ladetemperaturabhängige Grenzzeit tLGr mit einer üblicherweise zu berechnenden Ladezeit tlade_end verglichen wird, wobei eine zweite Zeitdifferenz Δt2 = tTGr – tlade_end berechnet wird, wobei die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um einen zweiten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt2 erhöht wird, wenn die zweite Zeitdifferenz Δt2 positiv ist, oder wobei die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um einen zweiten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt2 reduziert wird, wenn die zweite Zeitdifferenz Δt2 negativ ist, wobei die Temperatur der Elektromaschine höchstens so hoch wie die Grenztemperatur TGrenz ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine Ladezeit tlade_end bis zur Beendigung mindestens eines Ladevorgangs berechnet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, bei dem die Ladeleistung PSt um einen gesamten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPtges verändert wird, der von dem ersten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt1 und dem zweiten zeitabhängigen Leistungsänderungswert ΔPt2 abhängig ist.
  13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um einen gradientenabhängigen Leistungsänderungswert ΔPmGr erhöht wird, wenn der Temperaturgradient mGr negativ ist, oder bei dem eine Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt des k-ten Ladevorgangs um einen gradientenabhängigen Leistungsänderungswert ΔPmGr reduziert wird, wenn der Temperaturgradient mGr positiv ist, wobei die Temperatur der Elektromaschine höchstens so groß wie die Grenztemperatur TGrenz ist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem ein Wert für die Änderung der Ladeleistung PSt für den k + 1-ten Ladevorgang im Vergleich zu der Ladeleistung PSt für den k-ten Ladevorgang unter Berücksichtigung mindestens eines zeitabhängigen Leistungsänderungswerts ΔPt1 und/oder ΔPt2 und unter Berücksichtigung des gradientenabhängigen Leistungsänderungswerts ΔPmGr eingestellt wird, wobei die Temperatur der Elektromaschine höchstens so groß wie die Grenztemperatur TGrenz ist.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 14, bei dem das Zeitintervall tZk für einen ersten Ladevorgang (k = 1) in Abhängigkeit des Startwerts TSt der Temperatur der Elektromaschine (82) zu Beginn des ersten Ladevorgangs eingestellt wird, wobei die Abhängigkeit des Zeitintervalls tZk von dem Startwert TSt der Temperatur der Elektromaschine durch eine Funktion tZk(TSt) beschrieben wird, wobei das Zeitintervall tZk umso größer ist, je geringer der Startwert TSt ist, und wobei das Zeitintervall tZk um so geringer ist, je größer der Startwert TSt ist.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 15, bei dem das Zeitintervall tZk für einen k-ten Ladevorgang (k > 1) in Abhängigkeit der Ladeleistung PSt für den vorhergehenden k – 1-ten Ladevorgang eingestellt wird, wobei die Abhängigkeit des Zeitintervalls tZk von der Ladeleistung PSt für den vorhergehenden k – 1-ten Ladevorgang durch eine Funktion tZk(PSt) beschrieben wird, wobei das Zeitintervall tZk umso größer ist, je geringer die Ladeleistung PSt ist, und wobei das Zeitintervalls tZk um so geringer ist, je größer die Ladeleistung PSt ist.
  17. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, das für eine Batterie (84) eines Kraftfahrzeugs (80) durchgeführt wird, wobei die Batterie (84) von einer Elektromaschine (82) des Kraftfahrzeugs (80) geladen wird, wobei mit der Elektromaschine (82) mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die maximale Ladetemperatur Tlade_max und die die Ladezeit tlade_end in Abhängigkeit einer Topologie einer von dem Kraftfahrzeug (80) während des Ladevorgangs zu befahrenden Strecke berechnet werden.
  19. System zum Laden einer Batterie (84) mit einer Elektromaschine (82), das ein Steuergerät (88) aufweist, wobei die Elektromaschine (82) dazu ausgebildet ist, der Batterie (84) während mindestens zwei aufeinanderfolgenden Ladevorgängen Energie mit einer Ladeleistung PSt bereitzustellen, wobei das Steuergerät (88) dazu ausgebildet ist, die Ladeleistung PSt für einen k + 1-ten Ladevorgang in Abhängigkeit eines Temperaturgradienten mGr der Elektromaschine (82) während eines k-ten Ladevorgangs einzustellen.
  20. System nach Anspruch 19, mit dem ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 durchzuführen ist.
  21. System nach Anspruch 19 oder 20, bei dem das Steuergerät (88) dazu ausgebildet ist, mindestens einen Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zu kontrollieren.
  22. System nach einem der Ansprüche 19 bis 21, das mindestens einen Sensor (90, 92) aufweist, der dazu ausgebildet ist, mindestens einen bei dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zu verwendenden Betriebsparameter zu erfassen.
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