DE102014209703A1 - Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung, die wenigstens eine elektrische Maschine und wenigstens einen mit der elektrischen Maschine verbundenen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die elektrische Maschine in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiespeichers motorisch oder generatorisch betrieben wird. Es ist vorgesehen, dass Transportgeschwindigkeiten von Ladungen des Energiespeichers in Abhängigkeit von unterschiedlichen Ladezuständen des Energiespeichers erfasst werden, dass bei Erfassen von einer über einen vorgebbaren Grenzwert hinausgehenden Änderung, insbesondere Verringerung, der Transportgeschwindigkeiten auf einen kritischen Ladezustandsbereich des Energiespeichers erkannt wird, und dass der Betrieb der elektrischen Maschine beeinflusst wird, wenn der aktuelle Ladezustand des Energiespeichers in dem kritischen Ladezustandsbereich liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung, die wenigstens eine elektrische Maschine und wenigstens einen mit der elektrischen Maschine verbundenen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die elektrische Maschine in Abhängigkeit von einem aktuellen Ladezustand des Energiespeichers motorisch oder generatorisch betrieben wird.
  • Verfahren der Eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Insbesondere im Kraftfahrzeugbau nimmt die Bedeutung elektrischer Antriebe stetig zu. Weil die zum Betrieb von elektrischen Maschinen notwendigen Energiespeicher einen hohen Kostenanteil der Antriebsvorrichtung ausmachen, ist den Herstellern daran gelegen, die Lebensdauer der Energiespeicher zu maximieren.
  • So offenbart beispielsweise die Offenlegungsschrift WO 2013/182382 ein Verfahren zum Verlängern der Lebensdauer von Batterien, bei welchem eine Beschränkung eines Ladevorgangs im Hinblick auf einen vorhergesagten zukünftigen Betriebszustand erfolgt. Während üblicherweise Ladezustände zwischen einem Maximalladezustand und einem Minimalladezustand eingestellt werden, die einen Bereich innerhalb des maximal möglichen Ladezustands und des minimal möglichen Ladezustands begrenzen, so dass der tatsächliche Ladezustand kritische maximale oder minimale Bereiche nie erreicht, sieht das in der Offenlegungsschrift beschriebene Verfahren vor, dass in Abhängigkeit von einem vorhergesagten zukünftigen Betriebszustand die Batterie nicht immer auf den Maximalladezustand aufgeladen wird, sondern auch auf einen Ladezustand unterhalb des Maximalladezustands, wenn ermittelt wird, dass eine größere Energiemenge im Hinblick auf den nun folgenden Betrieb des Kraftfahrzeugs nicht erforderlich ist. Dadurch wird die Beanspruchung des Energiespeichers insgesamt verringert.
  • Das Vorhersagen der zukünftigen Betriebszustände benötigt einen hohen Rechenaufwand und die Verfügbarkeit entsprechender Informationen. Auch kann nicht sichergestellt werden, dass der vorhergesagte Betriebszustand auch wirklich eintritt.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer von elektrischen Energiespeichern in Antriebsvorrichtungen verlässlich zu verlängern.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieses hat den Vorteil, dass auf Werte zurückgegriffen wird, die unabhängig von in die Zukunft gerichteten Vorhersagen erfassbar sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Transportgeschwindigkeiten von Ladungen des Energiespeichers in Abhängigkeit von unterschiedlichen Ladezuständen des Energiespeichers erfasst werden, und dass bei Erfassen von einer über einen vorgebbaren Grenzwert hinausgehenden Änderung der Transportgeschwindigkeiten auf einen kritischen Ladezustandsbereich erkannt wird, wobei der Betrieb der elektrischen Maschine beeinflusst wird, wenn der aktuelle Ladezustand des Energiespeichers in dem kritischen Ladezustandsbereich liegt. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass Alterungen von Energiespeichern durch Strukturänderungen im Material entstehen, wobei große Strukturänderungen mit einer hohen Änderung der Transportgeschwindigkeit von Ladungen, bei Lithium-Ionen-Batterien von Ionen, einhergehen. Dabei wirken sich Strukturänderungen grundsätzlich über die gesamte Bandbreite der möglichen Ladezustände (SOC) des Energiespeichers aus. In einem oder mehreren Ladezustandsbereichen kann es jedoch zu verhältnismäßig großen Strukturänderungen kommen, die insbesondere abhängig von dem Material der Speicherzelle sind. Diese großen Strukturänderungen wirken sich nur in ein oder mehreren begrenzten Ladezustandsbereichen aus. Insbesondere Ladezustandsbereiche mit niedrigen beziehungsweise verringerten Transportgeschwindigkeiten werden dabei als Hinweis auf entsprechend große Strukturänderungen und auf eine Alterung des Energiespeichers verstanden. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Verfahrens werden derartige kritische Ladezustandsbereiche erfasst und werden durch ein entsprechendes Beeinflussen des Betriebs der elektrischen Maschine bevorzugt umgangen oder vermieden, so dass der aktuelle Ladezustand des Energiespeichers sich möglichst kurzzeitig in einem kritischen Ladezustandsbereich befindet, um eine weitere große Strukturänderung beziehungsweise Alterung des Energiespeichers zu vermeiden. Vorzugsweise werden zum Erfassen der Transportgeschwindigkeiten Transportgeschwindigkeitsänderungen erfasst, so dass nicht von absoluten, sondern von relativen Transportgeschwindigkeiten ausgegangen wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass, wenn der aktuelle Ladezustand in dem kritischen Ladezustandsbereich liegt, eine elektrische Leistung der elektrischen Maschine, insbesondere im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine, verringert wird. Hierdurch wird erreicht, dass in dem kritischen Ladezustandsbereich der Energiespeicher weniger stark belastet wird, wodurch Alterungserscheinungen verringert werden. Wird im Betrieb also erfasst, dass der aktuelle Ladezustand in dem kritischen Ladezustandsbereich des Energiespeichers liegt, wird zur Vermeidung von erhöhten Alterungserscheinungen die Leistung der elektrischen Maschine verringert.
  • Weiterhin ist bevorzugt alternativ vorgesehen, dass, wenn der aktuelle Ladezustand in dem kritischen Ladezustandsbereich liegt, eine elektrische Leistung der elektrischen Maschine erhöht wird. Diese alternative Weiterbildung hat den Vorteil, dass durch Erhöhen der elektrischen Leistung der elektrischen Maschine der elektrische Speicher schneller entladen oder geladen wird, wodurch der aktuelle Ladezustand den kritischen Ladezustandsbereich schneller verlässt. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn es sich bei der Antriebsvorrichtung um eine Hybridantriebsvorrichtung handelt, die zusätzlich zu der elektrischen Maschine noch eine Brennkraftmaschine aufweist.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Vorhersage über den Betrieb der elektrischen Maschine getroffen wird, und dass der Ladezustand des Energiespeichers derart vorab eingestellt wird, dass ein durch den vorhergesagten Betrieb folgender Auflade- und Entladezyklus zumindest im Wesentlichen außerhalb des kritischen Ladezustandsbereichs liegt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein folgender Auflade- und Entladezyklus den kritischen Ladezustandsbereich meidet, wodurch große Strukturveränderungen im Material des Energiespeichers vermieden und die Lebensdauer des Energiespeichers erhöht wird. Der Ladezustand des Energiespeichers wird dabei beispielsweise durch einen vorherigen Ladevorgang oder Entladevorgang auf einen entsprechenden Wert erhöht oder abgesenkt, der den darauf folgenden Ladezyklus außerhalb des kritischen Ladezustandsbereichs ermöglicht.
  • Die Vorhersage über den Betrieb der elektrischen Maschine kann auf bekannte Art und Weise erfasst werden. Vorzugsweise wird die Vorhersage in Abhängigkeit von Navigationsdaten eines die Antriebsvorrichtung aufweisenden Kraftfahrzeugs getroffen. So kann in Abhängigkeit von durch einen Fahrer des Kraftfahrzeugs eingegebenen Zieldaten und des sich daraus ergebenden Streckenverlaufs eine vorteilhafte Ladestrategie für den Energiespeicher berechnet werden. Insbesondere kann anhand der Navigationsdaten abgeschätzt werden, welchen Teil der Strecke das Kraftfahrzeug rein elektrisch betrieben werden kann. Insbesondere wird berücksichtigt, dass ein anderer Teil der Strecke gegebenenfalls durch einen Verbrennungsmotor als weitere Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs befahrbar ist.
  • Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass zum Erfassen der Transportgeschwindigkeit der Ladungen des Energiespeichers ein elektrochemisches Verfahren angewendet/durchgeführt wird. Insbesondere wird bevorzugt eine galvanostatisch intermittierende Titrationstechnik angewandt/durchgeführt. Mittels dieser auch GITT genannten Technik können Relativänderungen der Transportgeschwindigkeit von Ladungen einer Zelle des Energiespeichers bestimmt werden. Zweckmäßigerweise werden die Transportgeschwindigkeitsänderungen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Ladezuständen, Temperaturen, Stromrichtungen und/oder Stromstärken des Energiespeichers ermittelt. Die ermittelten Daten werden vorzugsweise im Fahrzeug, zum Beispiel in einem Batteriemanagementsystem (BMS), hinterlegt. Alternativ zu der beschriebenen GITT-Technik ist es auch denkbar, eine potentiostatische intermittierende Methode (PITT) sowie abgeänderte Verfahren, wie die kapazitätsintermittierende Methode (CITT) als auch die Ableitung der SOC/OCV(State of Charge/Open Circuit Voltage)-Kurve, sowie die elektrochemische Impedanzspektroskopie anzuwenden/durchzuführen.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass der mindestens eine kritische Ladezustandsbereich und/oder die Transportgeschwindigkeiten vor Inbetriebnahme der Antriebsvorrichtung erfasst und in einem nicht-flüchtigen Speicher hinterlegt werden. Besonders bevorzugt wird das Erfassen der Transportgeschwindigkeiten beziehungsweise Transportgeschwindigkeitsänderungen – wie oben beschrieben – für jeden Energiespeichertyp einmal durchgeführt, da davon ausgegangen werden kann, dass sich die kritischen Ladezustandsbereiche oder der eine kritische Ladezustandsbereich zwischen dem maximalen und dem minimalen Ladezustand des Energiespeichers bei anderen Energiespeichern des gleichen Typs beziehungsweise der gleichen Bauart und Leistung wiederfinden. So reicht es aus, einen Energiespeichertyp zunächst auf die beschriebene Art und Weise zu untersuchen, und das erfasste Ergebnis in einem nicht-flüchtigen Speicher zu hinterlegen und diesen in andere Antriebsvorrichtungen, die einen Energiespeicher des gleichen Typs aufweisen, zu implementieren. Damit sind dann in der betreffenden Antriebsvorrichtung der oder die kritischen Ladezustandsbereiche bekannt, die durch die Antriebssteuerung beim Betrieb der elektrischen Maschine vermieden werden können, wie zuvor beschrieben. Insbesondere wird die Leistung der Maschine verringert oder erhöht, wenn der aktuelle Ladezustand innerhalb des kritischen Ladungsspannungsbereichs liegt.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Dazu zeigen:
  • 1 ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine,
  • 2 kritische Ladezustandsbereiche eines Energiespeichers und
  • 3 ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben der Antriebsvorrichtung.
  • 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung, die eine elektrische Maschine aufweist, welche motorisch und generatorisch betrieben werden kann, und welcher ein elektrischer Energiespeicher zugeordnet ist.
  • 1 zeigt in einem Diagramm den theoretisch möglichen Ladungsbereich des Energiespeichers von 0 % bis 100 %. Üblicherweise werden Entladungen bis zum niedrigsten Ladungszustand bei 0 % oder bis zum höchsten Ladungszustand von 100 % vermieden, da in den Extrempunkten das Aufladen oder Entladen des Energiespeichers zu einer schnelleren Alterung des Energiespeichers führt. Üblicherweise werden daher ein maximaler Ladezustand Max und ein minimaler Ladezustand Min, die beabstandet zu den jeweiligen Extrema liegen, vorgegeben, wie in 1 angedeutet. Zwischen diesen beiden Ladungszuständen wird der Energiespeicher durch einen motorischen Betrieb der elektrischen Maschine entladen oder durch einen generatorischen Betrieb geladen. Natürlich können auch andere Komponenten eines die Antriebsvorrichtung aufweisenden Kraftfahrzeugs zu einer Entladung des Energiespeichers führen. Die elektrische Maschine wird üblicherweise in Abhängigkeit von dem aktuellen Ladezustand des Energiespeichers motorisch oder generatorisch betrieben, damit der aktuelle Ladezustand stets zwischen dem Minimalzustand und dem Maximalzustand liegt. Dabei werden Ladestrategien beispielsweise auch in Abhängigkeit von einer aktuell vorliegenden Temperatur angepasst. Insbesondere wird in Abhängigkeit von der aktuell vorliegenden Temperatur ein Ladestrom i angepasst, um den Energiespeicher nicht zu stark zu beanspruchen. 1 zeigt hierzu ein weiteres Diagramm, in welchem ein Ladestrom i über den Ladezustand des Energiespeichers zu unterschiedlichen Betriebstemperaturen aufgetragen ist. Dabei zeigt eine erste Kurve K1 einen Ladestrom bei einer Betriebstemperatur T1, eine zweite Kurve K2 den Ladestrom i bei einer Betriebstemperatur T2 und eine dritte Kurve K3 den Ladestrom i einer Betriebstemperatur von T3, wobei T1 > T2 > T3 gilt. Durch die unterschiedlich hohen Ladeströme in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur wird erreicht, dass die Lebensdauer des Energiespeichers optimiert wird.
  • 2 zeigt in einem weiteren Diagramm, dass der Energiespeicher vorliegend noch weitere Ladezustandsbereiche I, II und III aufweist, in denen das Material des Energiespeichers eine Strukturänderung und damit eine Alterung erfahren kann. In 2 ist dazu die relative Änderung der Transportgeschwindigkeit ΔV über den Ladezustand des Energiespeichers bei einem Entladungsvorgang aufgetragen. Dabei ist zu erkennen, dass Transportgeschwindigkeitsänderungen je nachdem, in welchem Ladezustandsbereich sie sich befinden, unterschiedlich hoch ausfallen. So wird erkannt, dass große Strukturänderungen im Material des Energiespeichers mit hohen Änderungen der Transportgeschwindigkeit der Ladungen, bei Lithium-Ionen-Batterien der Ionen, einhergehen. Vorliegend wurden die Transportgeschwindigkeiten beziehungsweise die Transportgeschwindigkeitsänderungen mittels des sogenannten GITT-Verfahrens (galvanostatisch-intermittierende Titrationstechnik) bestimmt. Während bei dem vorliegenden Energiespeicher drei kritische Ladezustandsbereiche erfasst wurden, können bei anderen Energiespeichern auch mehr oder weniger kritische Ladezustandsbereiche erfasst beziehungsweise bestimmt. Ein Maximum in der gezeigten Kurve bedeutet eine niedrige Transportgeschwindigkeit und große Strukturänderungen mit einer entsprechend hohen Alterung des Energeispeichers.
  • Wird berücksichtigt, dass hohe Transportgeschwindigkeitsänderungen einen Kapazitätsverlust beim Zyklisieren des Energiespeichers bedeuten, kann die Lebensdauer des Energiespeichers weiter erhöht werden. Vorliegend ist dazu vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der Höhe der Transportgeschwindigkeitsänderungen kritische Ladezustandsbereiche I, II, III der Energiezellen ermittelt und gespeichert werden. Insbesondere werden dabei die Ladezustandsbereiche erfasst, bei welchen die erfassten Transportgeschwindigkeitsänderungen beziehungsweise -Erhöhungen einen vorgebbaren Grenzwert überschritten haben. Der Grenzwert kann dabei insbesondere in Abhängigkeit von Erfahrungswerten bestimmt beziehungsweise vorgegeben werden, die durch Versuche oder Berechnungen ermittelt werden können. Insbesondere werden die Ladezustandsbereiche I, II, III für unterschiedliche Energiespeichertypen ermittelt. Je nachdem, welcher Energiespeichertyp dann in der Antriebsvorrichtung vorgesehen wird, können die entsprechenden Daten bezüglich der kritischen Ladezustandsbereiche I, II, III erfasst und berücksichtigt werden.
  • Je nach Ladezustand ist die chemische Struktur des Materials beziehungsweise der Materialien in dem Energiespeicher, insbesondere in den Zellen des Energiespeichers, unterschiedlich. Änderungen der Struktur führen zu Stress, schnelle Änderungen erhöhen den Stress und somit die Alterung des Energiespeichers. Daher wird vorliegend der Stromfluss beziehungsweise die Leistung der elektrischen Maschine und/oder des Energiespeichers bei diesen kritischen Strukturänderungen, also im Bereich der kritischen Ladezustandsbereiche, reduziert.
  • 3 zeigt hierzu das aus 1 bekannte Ladungszustandsdiagramm, das die zuvor ermittelten kritischen Ladezustandsbereiche I, II und III berücksichtigt. Durch Kenntnis der kritischen Ladezustandsbereiche wird die elektrische Maschine generatorisch oder motorisch betrieben, so dass die kritischen Ladezustandsbereiche I, II und III vorzugsweise vermieden werden. Sollte sich der aktuelle Ladungszustand des Energiespeichers in einem der Ladezustandsbereiche befinden, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Leistung der elektrischen Maschine, sei es im generatorischen oder im motorischen Betrieb, verringert wird, um den Energiespeicher in diesem Zustand weniger stark zu belasten, so dass die Lebensdauer des Energiespeichers erhöht beziehungsweise optimiert wird.
  • Selbstverständlich kann das Verfahren dadurch weiter optimiert werden, dass, wie bisher auch üblich, Betriebstemperaturen oder Umgebungstemperaturen sowie das Alter des Energiespeichers, das Material des Energiespeichers oder dergleichen berücksichtigt werden.
  • Vorteilhafterweise wird auch eine Vorhersage über den Betrieb der elektrischen Maschine auf Basis von Navigationsdaten getroffen, so dass der Ladezustand des Energiespeichers vorab eingestellt wird, um durch den vorhergesagten Betrieb erfolgende Auflade- und Entladezyklen außerhalb der erfassten Ladezustandsbereiche durchführen zu können. Dadurch wird neben dem Ladezustand auch der Ladehub beim Betreiben der Antriebsvorrichtung berücksichtigt, um die Lebensdauer des Energiespeichers weiter zu erhöhen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2013/182382 A [0003]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung, die wenigstens eine elektrische Maschine und wenigstens einen mit der elektrischen Maschine verbundenen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die elektrische Maschine in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiespeichers motorisch oder generatorisch betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass Transportgeschwindigkeiten von Ladungen des Energiespeichers in Abhängigkeit von unterschiedlichen Ladezuständen des Energiespeichers erfasst werden, dass bei Erfassen von einer über einen vorgebbaren Grenzwert hinausgehenden Änderung, insbesondere Verringerung, der Transportgeschwindigkeiten auf einen kritischen Ladezustandsbereich des Energiespeichers erkannt wird, und dass der Betrieb der elektrischen Maschine beeinflusst wird, wenn der aktuelle Ladezustand des Energiespeichers in dem kritischen Ladezustandsbereich liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der aktuelle Ladezustand in dem kritischen Ladezustandsbereich liegt, eine elektrische Leistung der elektrischen Maschine verringert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der aktuelle Ladezustand in dem ermittelten Ladezustandsbereich liegt, eine elektrische Leistung der elektrischen Maschine erhöht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorhersage über den Betrieb der elektrischen Maschine getroffen wird, und dass der Ladezustand des Energiespeichers derart vorab eingestellt wird, dass ein durch den vorhergesagten Betrieb folgende Auflade- und Entladezyklus zumindest im Wesentlichen außerhalb des kritischen Ladezustandsbereichs liegt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorhersage in Abhängigkeit von Navigationsdaten eines die Antriebsvorrichtung aufweisenden Kraftfahrzeugs getroffen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen der Transportgeschwindigkeit eine galvanostatisch intermittierende Titrationstechnik angewendet/durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine kritische Ladezustandsbereich vor Inbetriebnahme der Antriebsvorrichtung erfasst und in einem nicht-flüchtigen Speicher hinterlegt wird.
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