DE102014200315A1

DE102014200315A1 - Verfahren zum Laden einer Batterie in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102014200315A1
Application number: DE102014200315.6A
Authority: DE
Inventors: Andre Boehm; Andreas Lemke; Alfons Doerr; Christian Korn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2015-07-16
Also published as: WO2015104207A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie (14) in einem Fahrzeug (10, 10.1) mit folgenden Schritten: a) Initialisieren eines Ladevorgangs, b) Bereitstellen von fahrerspezifischen Daten, die zumindest Fahrziele und Fahrzeiten betreffen, c) Ermitteln eines Zielladezustandes in Abhängigkeit von den fahrerspezifischen Daten, und d) Laden der Batterie (14) bis zum Erreichen des Zielladezustandes. Die Erfindung betrifft zudem ein Computerprogramm, ein Managementsystem (16, 16.1), ein Fahrzeug (10, 10.1) und eine Ladestation (20, 20.1) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie in einem Fahrzeug. Die Erfindung betrifft zudem ein Computerprogramm, ein Managementsystem, ein Fahrzeug und eine Ladestation, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet sind.
Moderne Fahrzeuge werden vermehrt elektrisch angetrieben. Dazu sind die Fahrzeuge mit einem Elektromotor ausgestattet, der von einer wiederaufladbaren Batterieeinheit mit elektrischer Energie versorgt wird. Für die Einbindung eines elektrischen Antriebs in den Antriebsstrang eines Fahrzeuges sind unterschiedliche Konzepte bekannt. So basieren Elektrofahrzeuge auf einem rein elektrischen Antrieb, wobei eine Batterie über ein externes Stromnetz aufgeladen wird. Hybridfahrzeuge umfassen neben dem Elektromotor zusätzlich einen Verbrennungsmotor. Dabei kann die Batterie von Hybridfahrzeugen intern über einen Generator mit überschüssiger Energie des Verbrennungsmotors geladen werden. Andere Konzepte, auch als extern aufladbare Hybridfahrzeuge (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) bekannt, sehen zusätzlich die Möglichkeit vor, die Batterie über das externe Stromnetz aufzuladen.
Zum Laden der Batterie über das externe Stromnetz werden Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge an Ladestationen angeschlossen. Derartige Ladestationen können an Stellplätzen, beispielsweise in Garagen, oder ähnlich zum existierenden Tankstellensystem in Form von Stromtankstellen realisiert sein. Die Zahl der Ladestationen ist jedoch derzeit noch gering. Das heißt, Fahrer müssen die Reichweite bis zur nächsten Lademöglichkeit berücksichtigen.
Aus US 2011/202219 A1 ist eine Einheit zum Verarbeiten von Informationen beim Betreiben elektrisch angetriebener Fahrzeuge bekannt, wobei elektrische Energie zwischen Fahrzeugen übertragen wird. Vor einem Entladen einer Batterie eines ersten Fahrzeuges werden Orte angezeigt, zu denen sich das erste Fahrzeug nach Übertragen der elektrischen Energie auf ein zweites Fahrzeug bewegen kann. Die Orte werden dabei aus einer Menge der zu übertragenden elektrischen Energie, einer sich daraus ergebenden fahrbaren Strecke und Kartenmaterial bestimmt.
Neben der Verfügbarkeit von Ladestationen ist beim Laden der Batterie zu berücksichtigen, dass eine Vollladung einige Stunden in Anspruch nehmen kann. Bei kürzeren Ladezeiten erhöht sich wegen des dazu notwendigen erhöhten Stromes der Verschleiß in der Batterie. Die Batterie altert also schneller. Daher besteht ein anhaltendes Interesse daran, die Ladestrategie für elektrisch angetriebene Fahrzeuge weiter zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Laden einer Batterie in einem Fahrzeug vorgeschlagen, das folgende Schritte umfasst:

a) Initialisieren eines Ladevorgangs,
b) Bereitstellen von fahrerspezifischen Daten, die zumindest Fahrziele und Fahrzeiten betreffen,
c) Ermitteln eines Zielladezustandes in Abhängigkeit von den fahrerspezifischen Daten, und
d) Laden der Batterie bis zum Erreichen des Zielladezustandes.

Die Erfindung ermöglicht es, die Batterie im Fahrzeug so zu laden, dass ein Fahrer seine Zielorte erreichen kann und trotzdem in Standzeiten des Fahrzeuges der Ladezustand nicht zu einer überhöhten Alterung führt.
In einer Ausführungsform kann das Initialisieren des Ladevorgangs erfolgen, indem eine Kopplung zwischen dem Fahrzeug und einer Ladestation erkannt wird. Dazu können das Fahrzeug und die Ladestation jeweils ein Ladeelement umfassen, über welches elektrische Energie übertragen wird. Die Verbindung zum Übertragen von elektrischer Energie kann als drahtgebundene oder eine drahtlose Verbindung zwischen den Ladeelementen ausgebildet sein. Beispielsweise können die Ladeelemente als Ladestecker ausgestaltet sein, wobei die elektrische Energie drahtgebunden über eine Leitung übertragen wird. Zum Initialisieren des Ladevorgangs wird beispielsweise das Zusammenstecken der Ladestecker erfasst. Alternativ kann eine induktive Kopplung von Fahrzeug und Ladestation vorliegen. Weiter alternativ können die Ladeelemente fahrzeugseitig als photovoltaisches Element und ladestationseitig als Lichtquelle ausgestaltet sein, wobei elektrische Energie drahtlos über optische Signale auf das Fahrzeug übertragen wird. Zum Initialisieren des Ladevorgangs wird beispielsweise erfasst, dass ein von der Lichtquelle der Ladestation ausgesandtes optisches Signal vom photovoltaischen Element am Fahrzeug empfangen wird. Weiter alternativ ist auch eine induktive Kopplung zum drahtlosen Übertragen von elektrischer Energie möglich.
In einer weiteren Ausführungsform werden die fahrerspezifischen Daten als elektronische Daten von einer komponentengebundenen Speichereinheit und/oder von einer mobilen Speichereinheit bereitgestellt. Die komponentengebundene Speichereinheit ist zum Beispiel an das Fahrzeug oder an die Ladestation gebunden. Als mobile Speichereinheit eignen sich mobile Geräte, wie Smartphones oder Tablet-PCs, USB-Sticks, Speicherkarten oder solche, die einen Zugriff auf Cloud-Server erlauben.
Weiterhin bezeichnen fahrerspezifische Daten solche Daten, die zumindest Fahrziele und Fahrzeiten eines oder mehrerer Fahrer des Fahrzeuges betreffen. Dies können insbesondere Kalenderdaten sein. So können Fahrerprofile auf der Speichereinheit gespeichert sein, die mit Hilfe einer Fahreridentifikation abgerufen, verarbeitet und/oder verändert werden können. Beispielsweise gibt der Fahrer mit Hilfe einer Mensch-Maschine-Schnittstelle des Fahrzeugs oder der Ladestation, etwa über einen Schalter, einen Touchscreen oder einer Eingabeeinheit, die Fahreridentifikation ein und legt damit das Fahrerprofil mit den dazugehörigen fahrerspezifischen Daten fest. So können fahrerspezifische Daten, wie Kalenderdaten, bereitgestellt werden, die einem oder mehreren Fahrern zugeordnet sind. Wird das Fahrzeug von einem nicht registrierten Fahrer benutzt, kann die Funktion auch deaktiviert werden. Das heißt, es werden keine fahrerspezifischen Daten bereitgestellt und das oben genannte Verfahren wird nicht durchgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Zielladezustand aus einer bedarfsabhängigen Energie ermittelt, die eine Gesamtstrecke und eine Effizienz des Fahrzeuges berücksichtigt. Insbesondere wird die bedarfsabhängige Energie aus dem Produkt der Gesamtstrecke und der Effizienz ermittelt. Dabei bezeichnet die Effizienz einen Quotienten aus Reichweite und verbrauchter elektrischer Energie. Diese hängt fahrzeugseitig von Faktoren, wie dem Gewicht und dem Luftwiderstand, und straßenseitig von Faktoren, wie der zurückgelegten Höhendifferenz, ab. Weiterhin hängt die Effizienz von der Auslegung des Fahrzeuges ab, beispielsweise davon, ob das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug mit unterschiedlichen Betriebspunkten oder ein reines Elektrofahrzeug ist. Der Zielladezustand bezeichnet den Ladezustand der Batterie, der genügend Energie bereitstellt, um die Gesamtstrecke nach dem Ladevorgang mit dem Fahrzeug zurücklegen zu können. Der Zielladezustand bezeichnet damit den Ladezustand nach dem Laden der Batterie gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren. Ist der Zielladezustand größer als der maximale Ladezustand der Batterie, kann der Zielladezustand auf den maximal möglichen oder zulässigen Ladezustand der Batterie festgelegt werden. Zusätzlich kann in diesem Fall eine Warnung an den Fahrer ausgegeben werden, dass die Reichweite nicht für die Gesamtstrecke ausreicht.
In einer weiteren Ausführungsform wird aus den fahrerspezifischen Daten ein Ort ermittelt, an dem ein nächster Ladevorgang erfolgt oder erfolgen soll. Der nächste Ladevorgang kann dabei den Ladevorgang bezeichnen, der zeitlich gesehen unmittelbar auf den aktuell durchzuführenden Ladevorgang folgt. Die fahrerspezifischen Daten umfassen dazu insbesondere Kalenderdaten, die zukünftige Fahrziele und Fahrzeiten betreffen. Aus den Kalenderdaten kann beispielsweise bestimmt werden, wann das Fahrzeug zum nächsten Mal, also zeitlich gesehen unmittelbar auf den aktuell durchzuführenden Ladevorgang folgend, an einem Ort mit einer Ladestation, etwa in der heimischen Garage, abgestellt wird. Insbesondere können solche Orte als fahrerspezifische Daten betreffend ein Nutzungsverhalten bereitgestellt werden, wobei die Orte zuvor, also zeitlich gesehen vor dem aktuell durchzuführenden Ladevorgang, zum Laden genutzt wurden. Zusätzlich oder alternativ kann der Fahrer über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle des Fahrzeuges oder der Ladestation, etwa dem Schalter, dem Touchscreen oder der Eingabeeinrichtung, Orte von Ladestationen eingeben und/oder eingeben, an welchen Fahrzielen der Kalenderdaten eine Ladestation vorhanden ist, die der Fahrer nutzen kann.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Gesamtstrecke bis zu dem Ort ermittelt, an dem ein nächster Ladevorgang erfolgt oder erfolgen soll. Hierzu können Kartendaten bereitgestellt werden, und die fahrerspezifischen Daten können mit den bereitgestellten Kartendaten korreliert werden. Beispielsweise werden anhand der Fahrziele Routen berechnet und die entsprechende Gesamtstrecke ermittelt. Das Bereitstellen der Kartendaten, das Berechnen der Routen und/oder das Ermitteln der Gesamtstrecke kann in einem Managementsystem implementiert sein. Alternativ können die Kartendaten von einem Navigationssystem, etwa einem Navigationssystem des Fahrzeugs, bereitgestellt werden, das die Routen berechnet. Auch das Ermitteln der Gesamtstrecke kann als Funktion im Navigationssystem implementiert sein, wobei die ermittelte Gesamtstrecke über eine Kommunikationsverbindung, wie einen CAN-Bus, vom Navigationssystem an das Managementsystem übermittelt wird.
Weiterhin kann die Effizienz als konstanter Wert pro Kilometer vorgegeben sein, der die vorstehend genannten Faktoren berücksichtigt. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Effizienz variabel sein und unter Berücksichtigung der Beschaffenheit der Gesamtstrecke ermittelt werden. Die bedarfsabhängige Energie E_Bedarf bestimmt sich dann insbesondere durch das Integral einer variablen Effizienz w(z) über Streckenabschnitte dz. Die variable Effizienz w(z) basiert zum Beispiel auf der Beschaffenheit der Gesamtstrecke, wie der Steigung und der Fahrbahnqualität. Insbesondere wird die Bodenreibung und/oder die Höhendifferenz bei der Berechnung der Effizienz berücksichtigt.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Zielladezustand unter Berücksichtigung eines Sicherheitspuffers ermittelt. Der Zielladezustand mit Sicherheitspuffer entspricht insbesondere der Summe aus dem Zielladezustand und einem prozentualen Anteil des Zielladezustandes. Der prozentuale Anteil kann 0 bis 20 % betragen.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Zielladezustand unter Berücksichtigung eines vorgegebenen optimalen Ladezustandes ermittelt. Der optimale Ladezustand bezeichnet dabei den Ladezustand, bei dem die Alterungseffekte in der Batterie minimal sind. Optimale Ladezustände können in Form einer Tabelle bereitgestellt werden, in der vorgegebene optimale Ladezustände gespeichert sind, beispielsweise in Abhängigkeit des Alters der Batterie. Optimal ist hierbei im Sinne einer möglichst geringen kalendarischen Alterung zu verstehen. Beispielsweise ist die kalendarische Alterung umso stärker, je höher der Ladezustand beim Parken ist. Optimale Ladezustände können beispielsweise im Rahmen von Alterungsexperimenten bestimmt werden. Ist der optimale Ladezustand größer als der ermittelte Zielladezustand, wird die Batterie bis Erreichen des optimalen Ladezustands geladen.
In einer weiteren Ausführungsform betreffen die fahrerspezifischen Daten das Nutzungsverhalten eines Fahrers, das beim Ermitteln des Zielladezustandes berücksichtigt wird. So werden insbesondere Orte gespeichert, an denen Ladevorgänge in der Vergangenheit durchgeführt wurden. Diese werden beispielsweise beim Ermitteln des Ortes berücksichtigt, an dem der nächste Ladevorgang erfolgt oder erfolgen soll. Zusätzlich oder alternativ werden tatsächliche benötigte Ladezustände und die dafür ermittelten Zielladezustände bei zuvor durchgeführten Ladevorgängen gespeichert. Diese können beim Ermitteln des Zielladezustandes in nachfolgenden Ladevorgängen berücksichtigt werden. Insbesondere können für Ladevorgänge mit der gleichen Gesamtstrecke eine tatsächlich benötigte Energie beziehungsweise ein entsprechender Ladezustand als Zielladezustand verwendet werden.
Weiterhin kann ein aktueller Ladezustand berücksichtigt werden. Der aktuelle Ladezustand bezeichnet dabei den Ladezustand, den die Batterie vor dem Ladevorgang aufweist. In einer weiteren Ausführungsform wird die Batterie um die Differenz zwischen dem Zielladezustand und dem aktuellen Ladezustand aufgeladen.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei der Computereinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Modul zur Implementierung eines Managementsystems eines Fahrzeuges oder einer Ladestation oder eines Subsystems des Managementsystems handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung oder auf einem tragbaren Speichermedium wie einer Speicherkarte, einer entfernbaren CD-ROM, einer DVD oder einem USB-Stick. Zusätzlich oder alternativ kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung, wie einem Server oder einem Cloud-Server, zum Herunterladen bereitgestellt werden, z.B. über ein Datennetzwerk, wie das Internet oder eine Kommunikationsverbindung, wie eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung.
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird weiterhin ein Managementsystem zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Verfahren mit folgenden Komponenten:

a) einer Komponente zum Initialisieren eines Ladevorgangs,
b) einer Komponente zum Bereitstellen von fahrerspezifischen Daten, die zumindest Fahrziele und Fahrzeiten betreffen,
c) einer Komponente zum Ermitteln eines Zielladezustandes in Abhängigkeit von den fahrerspezifischen Daten, und
d) einer Komponente zum Laden der Batterie bis zum Erreichen des Zielladezustandes.

Bevorzugt ist das Managementsystem ausgebildet und/oder eingerichtet, die vorstehend beschriebenen Verfahren durchzuführen. Dabei können die vorstehend beschriebenen Verfahren als Funktionen in dem Managementsystem implementiert sein. Die Komponenten des Managementsystems sind weiter bevorzugt funktionale Komponenten, die nicht notwendigerweise Teil einer einzigen physikalischen Einheit sind.
Weiterhin kann das Managementsystem in einer Batterieeinheit des Fahrzeuges oder in einer Steuereinheit der Ladestation realisiert sein. In der Batterieeinheit des Fahrzeuges ist das Managementsystem insbesondere als Batteriemanagementsystem ausgebildet, das beispielsweise ein Subsystem zum Laden der Batterie gemäß der vorstehend beschriebenen Verfahren umfasst.
Weiter erfindungsgemäß werden ein Fahrzeug und eine Ladestation mit vorstehend beschriebenem Managementsystem vorgeschlagen. Dabei kann das Fahrzeug eine Batterieeinheit mit einer Batterie und dem vorstehend beschriebenen Managementsystem umfassen. Die Batterie kann weiterhin eine oder mehrere Batteriezellen oder Akkumulatorzellen umfassen. Bevorzugt ist die Batterie mit Ladestationen verbindbar. Die Ladestation kann an ein externes Stromnetz angeschlossen sein und eine Steuereinheit mit dem vorstehend beschriebenen Managementsystem umfassen. Bevorzugt ist die Ladestation mit Batterien von Fahrzeugen verbindbar.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht es, den Ladevorgang vorausschauend durchzuführen, dadurch die Batterie minimal zu belasten und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, ohne den Komfort für den Fahrer zu beeinträchtigen. Wird die Batterie dauerhaft unterhalb der Vollladung betrieben, wirkt sich dies auch auf die Alterung aus. So altert eine vollgeladene Batterie schneller als eine halb geladene Batterie. Die Batterie wird also so geladen, dass ein Fahrer seine Zielorte zwar erreichen kann, der Ladezustand aber in Standzeiten des Fahrzeuges nicht zu einer überhöhten Alterung führt.
Insbesondere die Kopplung der Ladestrategie an fahrerspezifische Daten ermöglicht einen effizienteren Ladevorgang. So wird der Ladevorgang an die fahrerspezifischen Gegebenheiten angepasst. Beispielsweise ist eine Vollladung nicht notwendig, solange ein geringerer Ladezustand als Zielladezustand für die zu fahrende Strecke ausreicht. Damit bleibt dem Fahrer ein mehrstündiges Laden, etwa während der Nachtzeit, erspart und er kann in kurzer Zeit einen Ladezustand erreichen, der auf die zu fahrenden Strecken angepasst ist. Dies ist insbesondere für Berufspendler oder Gelegenheitsfahrer nützlich, die meist kurze Strecken zurücklegen und dementsprechend dauerhaft mit weniger Ladung in der Batterie auskommen.
Die vorgeschlagene Ladestrategie ermöglicht also nicht nur eine Schonung der Batterie, sondern auch eine Zeitersparnis. Darüberhinaus kann der Zielladezustand so gewählt werden, dass optimale Bedingungen im Hinblick auf den Alterungszustand der Batterie geben sind. Die Batterie wird dann minimal belastet und stellt trotzdem die notwendige Energie zum Zurücklegen der zu fahrenden Strecke bereit. Zudem kann die Ladestrategie lernfähig ausgestaltet sein, wodurch die Genauigkeit beim Ermitteln des Zielladezustands erhöht wird.
Insgesamt ist somit der Ladevorgang durch die vorrausschauende Ladestrategie derart optimiert, dass die Nutzung des Fahrzeuges und die Alterung der Batterie optimal aufeinander abgestimmt sind. Die vorgeschlagene Ladestrategie erhöht dabei die Lebensdauer der Batterie ohne Komforteinbußen für den Fahrer und kann damit zur Akzeptanz von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen beitragen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Ausführungsform eines Fahrzeuges mit einer Batterieeinheit, deren Batteriemanagementsystem ausgebildet ist, eine Batterie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren über eine Ladestation zu laden,
2 eine Ausführungsform einer Ladestation mit einer Steuereinheit, die ausgebildet ist, die Batterie eines Fahrzeuges gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu laden, und
3 einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms.
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Ausführungsform eines Fahrzeuges 10, 10.1 mit einer Batterieeinheit 12, 12.1, deren Batteriemanagementsystem 16, 16.1 ausgebildet ist, eine Batterie 14 über eine Ladestation 20, 20.1 gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zu laden, das in Bezug auf 3 näher beschrieben wird.
Das Fahrzeug 10, 10.1 kann als Plug-in Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug ausgestaltet sein, in dem elektrische Energie von der Batterie 14, beispielweise eine Lithium-Ionen oder Nickel-Metallhybrid Batterie, bereitgestellt wird. Das Fahrzeug 10, 10.1 umfasst dazu eine Batterieeinheit 12, 12.1, die neben der Batterie 14 ein Batteriemanagementsystem 16, 16.1 aufweist. Zum Laden der Batterie 14 ist das Fahrzeug 10, 10.1 über eine Verbindung 18 zum Übertragen von elektrischer Energie an die Ladestation 20, 20.1 gekoppelt. Die Verbindung 18 zum Übertragen von elektrischer Energie ist beispielsweise als drahtgebundene Verbindung mit einem Ladekabel oder als drahtlose induktive oder optische Verbindung zwischen Ladeelementen 26, 27 ausgestaltet. Über eine Kommunikationsverbindung 50, die beispielsweise drahtlos oder drahtgebunden zwischen der Ladestation 20, 20.1 und dem Fahrzeug 10, 10.1 realisiert sein kann, werden gegebenenfalls Daten zwischen der Ladestation 20, 20.1 an die Batterieeinheit 12, 12.1 ausgetauscht. Üblicherweise ist die Ladestation 20, 20.1 an ein externes Stromnetz 22 angebunden, das die elektrische Energie bereitstellt.
Zum Initialisieren eines Ladevorgangs umfasst das Batteriemanagementsystem 16, 16.1 eine Einheit 24, die erkennt, dass ein Laden oder ein Übertragen von elektrischer Energie möglich ist. Beispielsweise kann die Einheit 24 zum Initialisieren des Ladevorganges erkennen, dass ein Ladeelement 26, etwa ein Ladestecker oder ein induktives oder photovoltaisches Element am Fahrzeug 10, 10.1, mit einem Ladeelement 27 der Ladestation 20, 20.1 verbunden ist.
Weiterhin umfasst das Batteriemanagementsystem 16, 16.1 eine Einheit 28, die nach Initialisieren des Ladevorgangs einen Zielladezustand SOC_Ziel der Batterie 14 ermittelt. Die Einheit 28 zum Ermitteln des Zielladezustand SOC_Ziel ist an eine fahrzeuggebundene Speichereinheit 30 gekoppelt, in der fahrerspezifische Daten hinterlegt sind. Insbesondere sind in der fahrzeuggebundenen Speichereinheit 30 Kalenderdaten hinterlegt, die Fahrziele und Fahrzeiten eines Fahrers betreffen. In anderen Ausführungsformen kann die Speichereinheit 30 auch als mobile Speichereinheit, beispielsweise auf einem Smartphone oder als USB-Stick, ausgestaltet sein.
Aus den Fahrzielen und Fahrzeiten wird in der Einheit 28 zum Ermitteln des Zielladezustandes SOC_Ziel ein Ort ermittelt, an dem ein nächster Ladevorgang ausgeführt wird oder werden soll. Anschließen wird der ermittelte Ort an ein Navigationssystem 32 im Fahrzeug 10, 10.1 übertragen. Im Navigationssystem 32 wird anhand des ermittelten Ortes eine Gesamtstrecke ermittelt und an das Batteriemanagementsystem 16, 16.1 übermittelt. Dabei sind die Einheit 28 zum Ermitteln des Zielladezustandes SOC_Ziel und das Navigationssystem 32 beispielsweise über ein CAN-Bus (Control Area Network Bus) miteinander gekoppelt. Auf Basis der vom Navigationssystem 32 übermittelten Gesamtstrecke wird schließlich der Zielladezustand SOC_Ziel in der Einheit 28 ermittelt.
Der ermittelte Zielladezustand SOC_Ziel wird einer Einheit 34 zum Steuern und Überwachen des Ladevorganges bereitgestellt, die den Ladevorgang derart steuert und überwacht, dass die Batterie 14 bis zum Erreichen des Zielladezustandes SOC_Ziel geladen wird. Dabei wird die Batterie 14 um die Differenz zwischen dem Zielladezustand SOC_Ziel und einem aktuellen Ladezustand SOC_aktuell der Batterie 14 geladen. Der aktuelle Ladezustand SOC_aktuell bezeichnet dabei den Ladezustand, der vor Durchführen des Ladevorgangs in der Batterie 14 gegebenen ist.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Ladestation 20, 20.2 mit einer Steuereinheit 40, die ausgebildet ist, eine Batterie 14 eines Fahrzeuges 10, 10.2 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu laden, das in Bezug auf 3 näher beschrieben wird.
Das System der 2 mit dem Fahrzeug 10, 10.2 und der Ladestation 20, 20.2 entspricht im Wesentlichen dem der 1. Im Unterschied zu 1 ist jedoch das Verfahren zum Laden der Batterie 14 in der Steuereinheit 40 der Ladestation 20, 20.2 statt dem Batteriemanagementsystem 16, 16.2 der Batterieeinheit 12, 12.2 implementiert. Zum Laden der Batterie 14 ist das Fahrzeug 10, 10.2 über eine Verbindung 18 zum Übertragen von elektrischer Energie an die Ladestation 20, 20.2 gekoppelt. Die Verbindung 18 zum Übertragen von elektrischer Energie ist beispielsweise als drahtgebundene Verbindung mit einem Ladekabel oder als drahtlose induktive oder optische Verbindung zwischen Ladeelementen 26, 27 ausgestaltet. Über eine Kommunikationsverbindung 50, die beispielsweise drahtlos oder drahtgebunden zwischen der Ladestation 20, 20.2 und dem Fahrzeug 10, 10.2 realisiert sein kann, werden gegebenenfalls Daten zwischen der Ladestation 20, 20.2 an die Batterieeinheit 12, 12.2 ausgetauscht. Üblicherweise ist die Ladestation 20, 20.2 an ein externes Stromnetz 22 angebunden, das die elektrische Energie bereitstellt.
Zum Initialisieren eines Ladevorgangs umfasst die Steuereinheit 40 eine Einheit 42, die erkennt, dass ein Laden oder ein Übertragen von elektrischer Energie möglich ist. Beispielsweise kann die Einheit 42 zum Initialisieren des Ladevorganges erkennen, dass ein Ladeelement 26, etwa ein Ladestecker oder ein induktives oder photovoltaisches Element am Fahrzeug 10, 10.2, mit einem Ladeelement 27 der Ladestation 20, 20.2 verbunden ist.
Weiterhin umfasst das die Steuereinheit 40 eine Einheit 44, die nach Initialisieren des Ladevorgangs einen Zielladezustand SOC_Ziel der Batterie 14 ermittelt. Die Einheit 44 zum Ermitteln des Zielladezustands SOC_Ziel ist an eine mobile Speichereinheit 46, wie ein Smartphone oder einen USB-Stick, gekoppelt, in der fahrerspezifische Daten hinterlegt sind. Zur Kopplung umfassen die mobile Speichereinheit 46 und die Steuereinheit 40 Schnittstellen 47, 48, zwischen denen Daten über eine bevorzugt drahtlose Kommunikationsverbindung 45, wie eine WLAN-(Wireless Local Area Network) oder Bluetooth-Verbindung, übermittelt werden. Insbesondere sind in der mobilen Speichereinheit 46 Kalenderdaten hinterlegt, die Fahrziele und Fahrzeiten des Fahrers betreffen. In anderen Ausführungsformen kann die Speichereinheit 46 auch als komponentengebundene (ggf. auch drahtlos kommunizierende) Speichereinheit der Ladestation 20, 20.2 oder dem Fahrzeug 10, 10.2 zugeordnet sein.
Aus den Fahrzielen und Fahrzeiten ermittelt die Einheit 44 zum Ermitteln des Zielladezustandes SOC_Ziel den nächsten Ort, an dem ein Ladevorgang ausgeführt wird oder werden soll. Anschließend wird anhand des ermittelten Ortes eine Gesamtstrecke ermittelt. Dazu ist in der Speichereinheit 46 weiterhin Kartenmaterial hinterlegt, aus dem die Gesamtstrecke ermittelt wird, die wiederum der Einheit 44 über die drahtlose Kommunikationsverbindung 45 zwischen den Schnittstellen 47, 48 bereitgestellt wird. Auf Basis der ermittelten Gesamtstrecke wird schließlich in der Einheit 44 der Zielladezustand SOC_Ziel ermittelt. In anderen Ausführungsformen kann das Kartenmaterial auch in einer der Ladestation 20, 20.2 zugeordneten Speichereinheit hinterlegt sein.
Der ermittelte Zielladezustand SOC_Ziel wird über die Kommunikationsverbindung 50, die beispielsweise drahtlos oder drahtgebunden zwischen der Ladestation 20, 20.2 und dem Fahrzeug 10, 10.2 realisiert sein kann, von der Ladestation 20, 20.2 an die Batterieeinheit 12, 12.2 übermittelt. Die Einheit 34 zum Steuern und Überwachen des Ladevorganges, die dem Batteriemanagementsystems 16, 16.2 zugeordnet ist, steuert und überwacht den Ladevorgang fahrzeugseitig derart, dass die Batterie 14 bis zum Erreichen des Zielladezustandes SOC_Ziel geladen wird. So wird die Batterie 14 um die Differenz zwischen dem Zielladezustand SOC_Ziel und dem aktuellen Ladezustand SOC_aktuell geladen. In anderen Ausführungsformen kann auch die Steuereinheit 40 den Ladevorgang derart steuern, dass die Batterie 14 bis zum Erreichen des Zielladezustandes SOC_Ziel geladen wird. Hierbei überwacht das Batteriemanagementsystem 16, 16.2 und insbesondere die Einheit 34 zum Steuern und Überwachen des Ladevorganges die Batterie 14 und übermittelt die Daten zur Steuerung des Ladevorgangs über die Kommunikationsverbindung 50 an die Steuereinheit 40 der Ladestation 20, 20.2.
3 zeigt einen Ablauf 100 eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms.
In einem ersten Schritt 102 wird der Ladevorgang initialisiert. Die Initialisierung kann automatisch oder durch manuelle Auswahl des Fahrers erfolgen. Weiterhin können dem Fahrer weitere Eingabeoptionen, wie alterungsoptimiertes Laden, ortsabhängiges Laden oder nächste Lademöglichkeiten, bereitgestellt werden.
In einem zweiten Schritt 104 wird aus fahrerspezifischen Daten, insbesondere Kalenderdaten, oder aus einer vom Fahrer getätigten Eingabe ermittelt, an welchem Ort der nächste Ladevorgang erfolgt oder erfolgen soll. Dabei können Orte berücksichtigt werden, die gemäß den Kalenderdaten in den folgenden Tagen besucht werden und in deren Nähe sich eine Ladestation 20, 20.1, 20.2 befindet.
Ist der Ort des nächsten Ladevorgangs bestimmt, wird in einem dritten Schritt 106 die Gesamtstrecke bis zu dem Ort ermittelt, an dem ein nächster Ladevorgang erfolgt oder erfolgen soll. Dazu werden die Kalenderdaten mit Kartendaten verknüpft. Weiterhin ist es möglich, Daten von vorangegangenen Ladevorgängen zu berücksichtigen. Beispielsweise kann der Zielladezustand SOC_Ziel und der tatsächlich benötigten Energie oder der entsprechende Ladezustand für unterschiedliche, bereits zurückgelegte Stecken gespeichert werden. So wird ein Lernalgorithmus initialisiert, der die Genauigkeit für das Ermitteln des Zielladezustandes SOC_Ziel verbessert.
In einem vierten Schritt 108 wird aus der ermittelten Gesamtstrecke eine bedarfsabhängige Energie E_Bedarf oder äquivalent eine bedarfsabhängige Ladung Q_Bedarf bestimmt. Hierbei kann insbesondere ein Streckenprofil der Kartendaten ausgenutzt werden, um eine variable Effizienz E zu ermitteln. So wird bei schlecht beschaffenen Wegen mit vielen Steigungen, wie Bergstraßen, mehr Energie verbraucht als auf flachen gut erhaltenen Wegen, wie einer Autobahn. Die bedarfsabhängige Energie E_Bedarf oder die äquivalente bedarfsabhängige Ladung Q_Bedarf ergeben sich dann aus E_Bedarf = ∫w(z)dz, (1) wobei w(z) die variable Effizienz und dz Streckenabschnitte bezeichnet.
In einem fünften Schritt 110 wird aus der bedarfsabhängigen Energie E_Bedarf oder äquivalent der bedarfsabhängigen Ladung Q_Bedarf unter Berücksichtigung des aktuellen Ladezustandes SOC_aktuell der Zielladezustand SOC_Ziel ermittelt. Ist
ist die Batterie 14 zu laden, und der Zielladezustand SOC_Ziel ergibt sich zu
Ist der Zielladezustand SOC_Ziel kleiner als 100% der Batteriekapazität kann zusätzlich ein Sicherheitspuffer s (Angabe in %) eingerechnet werden. Der Zielladezustand SOC_Ziel ergibt sich dann zu: SOC_Ziel = SOC_Ziel(1 + s). (4)
In einem sechsten Schritt 112 wird anhand des ermittelten Zielladezustandes SOC_Ziel ein optimaler Ladezustand SOC_Opt bestimmt. So können etwa in einer Tabelle unterschiedliche Werte für SOC_Opt gespeichert sein, die unterschiedliche optimale Ladezustände SOC_Ziel kennzeichnen. Die optimalen Ladezustände SOC_Opt können zum Beispiel anhand von Experimenten und Tests ermittelt werden, die die kalendarische Alterung der Batterie 14 betreffen. Weiterhin können die optimalen Ladezustände SOC_Opt anhand von Modellen berechnet werden, die den Verschleiß der Batterie 14 unter verschiedenen Bedingungen mit einbeziehen.
In einem siebten Schritt 114 wird ermittelt, ob der Zielladezustand SOC_Ziel größer oder kleiner als der optimale Ladezustand SOC_Opt ist, wobei SOC_Ziel = max(SOC_opt, SOC_ziel). (5)
Ist der Zielladezustand SOC_Ziel größer als der optimale Ladezustand SOC_Opt, bleibt der Zielladezustand SOC_Ziel unverändert. Ist der Zielladezustand SOC_Ziel kleiner als der optimale Ladezustand SOC_Opt, wird der optimale Ladezustand SOC_Opt als Zielladezustand SOC_Ziel festgelegt.
In einem achten Schritt 116 wird die Batterie 14 bis Erreichen des Zielladezustandes SOC_Ziel geladen. Weiterhin kann nach Ausführen der Fahrt, also beim nächsten Ladevorgang oder beim Abstellen des Fahrzeuges 10, 10.1, 10.2, der tatsächlich benötigte Ladezustand der Batterie 14 gespeichert werden. Diese Daten können bei einer nachfolgenden Ermittlung des Zielladezustandes SOC_Ziel aus der Speichereinheit 46, 30 ausgelesen werden und bei der erneuten Ermittlung des Zielladezustands SOC_Ziel berücksichtigt werden. Insbesondere kann beim nächsten Ladevorgang berücksichtigt werden, ob mehr Restladung am Ankunftsort vorhanden ist als benötigt, und ob beim nächsten Ladevorgang ein kleinerer Zielladezustand SOC_Ziel aus Alterungsgründen sinnvoll ist.
Das vorstehend beschriebene Verfahren kann im Batteriemanagementsystem 16, 16.1 der 1 und/oder in der Ladestation 20, 20.2 der 2 implementiert sein. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die anhängigen Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen des fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/202219 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Laden einer Batterie (14) in einem Fahrzeug (10, 10.1, 10.2) mit folgenden Schritten: a) Initialisieren eines Ladevorgangs, b) Bereitstellen von fahrerspezifischen Daten, die zumindest Fahrziele und Fahrzeiten betreffen, c) Ermitteln eines Zielladezustandes in Abhängigkeit von den fahrerspezifischen Daten, und d) Laden der Batterie (14) bis zum Erreichen des Zielladezustandes.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zielladezustand aus einer bedarfsabhängigen Energie ermittelt wird, die eine Gesamtstrecke und eine Effizienz des Fahrzeuges (10, 10.1, 10.2) berücksichtigt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den fahrerspezifischen Daten ein Ort ermittelt wird, an dem ein nächster Ladevorgang erfolgt oder erfolgen soll und die Gesamtstrecke bis zu dem Ort ermittelt wird, an dem ein nächster Ladevorgang erfolgt oder erfolgen soll.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zielladezustand unter Berücksichtigung eines Sicherheitspuffers ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zielladezustand unter Berücksichtigung eines vorgegebenen optimalen Ladezustandes ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrerspezifischen Daten zusätzlich ein Nutzungsverhalten eines Fahrers betreffen, das beim Ermitteln des Zielladezustandes berücksichtigt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (14) um die Differenz zwischen dem Zielladezustand und einem aktuellen Ladezustand aufgeladen wird.
Computerprogramm gemäß dem ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird.
Managementsystem (16, 16.1, 40) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 mit mindestens folgenden Komponenten: a) einer Komponente (24, 42) zum Initialisieren eines Ladevorgangs, b) einer Komponente (30, 46) zum Bereitstellen von fahrerspezifischen Daten, die zumindest Fahrziele und Fahrzeiten betreffen, c) einer Komponente (28, 44) zum Ermitteln eines Zielladezustandes in Abhängigkeit von den fahrerspezifischen Daten, und d) einer Komponente (26, 27) zum Laden der Batterie (14) bis zum Erreichen des Zielladezustandes.
Fahrzeug (10, 10.1) ausgerüstet mit einem Managementsystem (16, 16.1) gemäß Anspruch 9.
Ladestation (20, 20.2) ausgerüstet mit einem Managementsystem (40) gemäß Anspruch 9.