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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Erhöhung der Lebensdauer eines elektrischen Energiespeichers in einem Fahrzeug.
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Fahrzeuge, insbesondere Straßenfahrzeuge wie z. B. Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Motorräder, umfassen typischerweise ein oder mehrere elektrische Speicher (z. B. Blei-Akkumulatoren und/oder LiIonen-Batterien), die eingerichtet sind, elektrische Energie für elektrische Verbraucher des Fahrzeugs zu speichern.
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Ein elektrischer Speicher weist typischerweise eine begrenzte Lebensdauer auf. Die Lebendauer hängt dabei meist substantiell von den Bedingungen ab, mit denen der elektrische Speicher betrieben wird.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen, durch die in effizienter Weise die Lebensdauer eines elektrischen Speichers in einem Fahrzeug verlängert wird.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung des Ladezustands eines elektrischen Speichers eines Fahrzeugs beschrieben. Der elektrische Speicher umfasst z. B. einen Blei-Akkumulator und/oder eine LiIonen Zelle. Insbesondere kann der elektrische Speicher derart ausgelegt sein, dass der Ladezustand des elektrischen Speichers einen vordefinierten minimalen Ladezustands-Schwellenwert nicht unterschreiten sollte, um nicht die Lebensdauer des elektrischen Speichers zu reduzieren. Der vordefinierte minimale Ladezustands-Schwellenwert kann z. B. bei 20%, 30% oder mehr der Kapazität des elektrischen Speichers liegen.
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Das Verfahren umfasst das Prädizieren von einem elektrischen Energiebedarf, den das Fahrzeug nach Ende einer Fahrt aufweist. Dabei kann der zu prädizierende elektrische Energiebedarf die elektrische Energie umfassen, die das Fahrzeug ab einem Zeitpunkt benötigt, an dem ein Verbrennungsmotor des Fahrzeugs abgestellt wird und/oder ab dem das Fahrzeug direkt vor einer Ruhephase zum Stillstand kommt. Desweiteren kann der zu prädizierende elektrische Energiebedarf die elektrische Energie umfassen, die das Fahrzeug bis zu einem Zeitpunkt benötigt, an dem der Verbrennungsmotor des Fahrzeugs wieder angestellt wird (nach einer Ruhephase).
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Desweiteren umfasst das Verfahren das Laden des elektrischen Speichers vor Ende der Fahrt, in Abhängigkeit von dem prädizierten Energiebedarf. Dabei kann der elektrische Speicher mittels eines Generators (z. B. mittels einer Lichtmaschine) des Fahrzeugs geladen werden. Der elektrische Speicher kann insbesondere derart geladen werden, dass der Ladezustand des elektrischen Speichers zum Ende der Fahrt den vordefinierten minimalen Ladezustands-Schwellenwert um mindestens den prädizierten elektrischen Energiebedarf überschreitet. So kann gewährleistet werden, dass (zumindest im Mittel) der Ladezustand des elektrischen Speichers im Laufe einer Ruhephase des Fahrzeugs den vordefinierten minimalen Ladezustands-Schwellenwert nicht unterschreitet. Insbesondere kann durch die Berücksichtigung des prädizierten elektrischen Energiebedarfs bei der Steuerung des Ladezustands des elektrischen Speichers die Lebensdauer des elektrischen Speichers erhöht werden.
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Der elektrische Energiebedarf kann auf Basis von ein oder mehreren Zustandsinformationen des Fahrzeugs prädiziert werden. Die ein oder mehreren Zustandsinformationen können z. B. eine Temperatur eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs und/oder eine Umgebungstemperatur des Fahrzeugs umfassen. Desweiteren können die ein oder mehreren Zustandsinformationen eine nach Fahrtende geplante Datenkommunikation (z. B. für einen Software-Update) umfassen. Beispielsweise kann auf Basis der Zustandsinformationen ermittelt werden, wie viel elektrische Energie benötigt wird, um den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs nach Ende einer Fahrt zu kühlen.
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Der elektrische Energiebedarf kann auf Basis von ein oder mehreren aktivierten Fahrzeugfunktionen prädiziert werden. Insbesondere können dabei Fahrzeugfunktionen berücksichtigt werden, die einen elektrischen Energiebedarf nach Ende und/oder vor Beginn einer Fahrt (d. h. innerhalb der Ruhephase des Fahrzeugs) aufweisen. Beispielsweise kann berücksichtigt werden, dass eine Standheizung oder eine Standkühlung aktiviert ist. Der für diese aktivierten Fahrzeugfunktionen erforderliche Energiebedarf kann bei dem Prädizieren des Energiebedarfs berücksichtigt werden.
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Das Verfahren kann weiter das Ermitteln eines Verbrauchsprofils des Fahrzeugs umfassen, wobei das Verbrauchsprofil von einem tatsächlichen elektrischen Energiebedarf des Fahrzeugs nach ein oder mehreren vergangenen Fahrten abhängt. Insbesondere kann ein Verbrauchsprofil auf Basis einer Vielzahl von vergangenen Messungen des tatsächlichen elektrischen Energiebedarfs nach Fahrtende (und vor anschließendem Fahrtbeginn) ermittelt werden. Desweiteren kann das Verbrauchsprofil kontinuierlich durch die Berücksichtigung von aktuellen tatsächlichen Energiebedarfs-Werten adaptiert werden. Der elektrischen Energiebedarf nach Beendigung einer aktuellen Fahrt kann dann auf Basis des Verbrauchsprofils prädiziert werden. Durch die Ermittlung und Berücksichtigung von einem Verbrauchsprofil kann der elektrische Energiebedarf mit einer erhöhten Genauigkeit prädiziert werden.
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Das Verbrauchsprofil kann von ein oder mehreren Parameter abhängen. Die ein oder mehreren Parameter können z. B. einen identifizierten Fahrer des Fahrzeugs, eine Umgebungstemperatur des Fahrzeugs, einen Wochentag der Fahrt, und/oder einen Zeitpunkt der Fahrt umfassen. Es kann somit in Abhängigkeit von den ein oder mehreren Parametern ein entsprechendes Verbrauchsprofil ermittelt werden. Dieses Verbrauchsprofil kann dann zur Prädiktion des elektrischen Energiebedarfs verwendet werden. So kann der elektrische Energiebedarf mit einer erhöhten Genauigkeit prädiziert werden.
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Das Verfahren kann weiter das Detektieren eines aktuellen Ereignisses umfassen, welches für den elektrischen Energieverbrauch nach Ende der Fahrt relevant ist. Der elektrische Energiebedarf kann dann in Abhängigkeit von dem detektieren aktuellen Ereignis ermittelt werden. Dabei kann insbesondere ein Ereignis berücksichtigt werden, von dem zu erwarten ist, dass es auch nach Ende der Fahrt einen Energiebedarf aufweist (wie z. B. ein über ein Infotainmentsystem des Fahrzeugs geführtes Telefonat). Durch die Berücksichtigung eines aktuellen Ereignisses kann der elektrische Energiebedarf mit höherer Genauigkeit prädiziert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit für ein Fahrzeug beschrieben. Die Steuereinheit ist eingerichtet, das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (z. B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, welches eine in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z. B. auf einem Steuergerät) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
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1 ein Blockdiagramm von beispielhaften Komponenten eines Fahrzeugs;
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2 einen beispielhaften Verlauf des Ladezustands eines elektrischen Speichers; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines elektrischen Speichers.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument damit, die Lebensdauer eines elektrischen Speichers in einem Fahrzeug zu verlängern. In diesem Zusammenhang zeigt 1 beispielhafte Komponenten eines Fahrzeugs 100. Insbesondere umfasst das Fahrzeug 100 einen elektrischen Speicher 103 (insbesondere eine Batterie, wie z. B. einen Blei-Akkumulator oder eine LiIonen Zelle) zur Speicherung von elektrischer Energie. Die elektrische Energie kann durch einen Generator 102 erzeugt werden. Der Generator 102 kann z. B. eine Lichtmaschine und/oder eine als Generator betriebene elektrische Maschine umfassen. Der Generator 102 kann beispielsweise durch einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) des Fahrzeugs 100 und/oder durch Räder (nicht dargestellt) des Fahrzeugs 100 angetrieben werden.
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Das Fahrzeug 100 umfasst weiter eine Steuereinheit 101, die eingerichtet ist, einen Ladezustand des elektrischen Speichers 103 zu ermitteln. Desweiteren ist die Steuereinheit 101 eingerichtet, den Generator 102 durch geeignete Steuersignale zu veranlassen, elektrische Energie zu erzeugen, um den elektrischen Speicher 103 aufzuladen, d. h. um den Ladezustand (auch als State of Charge, SOC, bezeichnet) des elektrischen Speichers 103 zu erhöhen. Beispielsweise kann die Steuereinheit 101 die ein oder mehreren Steuersignale für den Generator 102 in Abhängigkeit von einem aktuellen Ladezustand des elektrischen Speichers 103 generieren.
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2 zeigt beispielhafte Verläufe 201, 202 des Ladezustands 200 des elektrischen Speichers 103 über der Zeit 210. Insbesondere zeigt 2 einen Verlauf 201 bei dem sich der Ladezustand 200 initial bei einem maximalen Ladezustand (z. B. 100%) befindet und mit der Zeit 210 während des Betriebs des Fahrzeugs 100 abnimmt und bis zu einem Schwellenwert 203 (z. B. 20%) zum Zeitpunkt 212 (an dem eine Fahrt beendet wird) sinkt. Aufgrund von Nachlaufen (z. B. Betrieb eines Kühlsystems des Fahrzeugs 100 nach Fahrtende, Betrieb eines Infotainmentsystems des Fahrzeugs 100 nach Fahrtende, etc.) kann es zu einem weiteren Verbrauch von elektrischer Energie nach dem Zeitpunkt 212 (d. h. nach Fahrtende) kommen. Der Ladezustand 200 des elektrischen Speichers 203 sinkt dann unter den Schwellenwert 203. Erst zu Beginn einer neuen Fahrt (zum Zeitpunkt 213) kann dann der Ladezustand 200 des elektrischen Speichers 203 wieder mittels des Generators 102 erhöht werden.
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Die Lebensdauer des elektrischen Speichers 103 hängt typischerweise substantiell von den Verläufen 201 des Ladezustands 200 des Speichers 103 während des Betriebs des Speichers 103 ab. Insbesondere kann die Lebensdauer des elektrischen Speichers 103 dadurch reduziert werden, dass der Ladezustand 200 des elektrischen Speichers 103 wiederholt unterhalb von einem vordefinierten minimalen Ladezustands-Schwellenwert (z. B. unterhalb des Ladezustands-Schwellenwert 203) fällt. Umgekehrt kann die Lebensdauer des Speichers 103 somit dadurch verlängert werden, wenn durch geeignete Maßnahmen der Ladezustand 200 des elektrischen Speichers 103 auch nach Fahrtende (zwischen den Zeitpunkten 212 und 213) oberhalb von dem minimalen Ladezustands-Schwellenwert 203 gehalten wird.
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Die Steuereinheit 101 kann zu diesem Zweck eingerichtet sein, den elektrischen Energieverbrauch des Fahrzeugs 100 nach dem Fahrtende-Zeitpunkt 212 zu prädizieren. Die Steuereinheit 101 kann Zustandsinformationen von ein oder mehreren Fahrzeugsensoren 104 empfangen. Beispielhafte Zustandsinformationen sind:
- • eine Temperatur eines Verbrennungsmotors, des Motoröls, des Getriebes, einer Elektromaschine, etc.
- • eine Umgebungstemperatur in der Umgebung des Fahrzeugs; und/oder
- • Windverhältnisse in der Umgebung des Fahrzeugs.
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Aus derartigen Temperatur-bezogenen Zustandsinformationen kann z. B. der erforderliche Energiebedarf zur Kühlung des Fahrzeugs 100 (z. B. zum Betrieb von Pumpen und/oder Lüftern) nach Fahrtende ermittelt werden. Die Steuereinheit 101 kann weiter eingerichtet sein, Wartungs-bezogene Zustandsinformationen zu ermitteln. Beispielsweise kann ermittelt werden, ob nach Fahrtende größere Mengen an Daten gespeichert und/oder übertragen werden müssen (z. B. zur Aktualisierung von Fahrzeugfunktionen und/oder zur Bereitstellung von Fahrzeugdaten an eine zentrale Datenbank). Auch durch derartige Wartungsaktivitäten nach Fahrtende kann ein substantieller Energieverbrauch bewirkt werden.
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Auf Basis dieser Fahrzeug-bezogenen Zustandsinformationen kann ein erforderlicher Energiebedarf nach Fahrtende prädiziert werden.
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Alternativ oder ergänzend können Nutzungs-bezogene Informationen ermittelt werden, um einen erforderlichen Energiebedarf zu prädizieren. Beispielsweise kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, ein oder mehrere Nutzungsprofile (auch als Verbrauchsprofile bezeichnet) bzgl. der Nutzung des Fahrzeugs 100 zu ermitteln. Ein Nutzungsprofil kann z. B. anzeigen, wie hoch der Energiebedarf des Fahrzeugs 100 zwischen einem Fahrtende und einem anschließenden Fahrtbeginn (ggf. im Mittel) in der Vergangenheit war. Das Nutzungsprofil kann auf Basis einer Vielzahl von Messungen ermittelt und auf einer Speichereinheit 105 des Fahrzeugs 100 gespeichert werden. Das Nutzungsprofil kann ggf. von ein oder mehreren Parameter (z. B. von dem Wochentag, von der Umgebungstemperatur, etc.) abhängen. Der zu erwartende erforderliche Energiebedarf kann so z. B. in Abhängigkeit von den ein oder mehreren Parametern angegeben werden.
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Die Steuereinheit 101 kann somit eingerichtet sein, auf ein Nutzungsprofil zuzugreifen, und den erforderlichen Energiebedarf auf Basis des Nutzungsprofils zu prädizieren.
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Alternativ oder ergänzend können aktuelle Nutzungs-bezogene Informationen bzw. Ereignisse berücksichtigt werden. Beispielsweise kann ermittelt werden, dass ein Insasse des Fahrzeugs 100 mittels des Infotainmentsystems des Fahrzeugs 100 ein Telefonat oder einen Film beginnt. Die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, den erforderlichen Energiebedarf auf Basis der aktuellen Nutzungs-bezogenen Informationen bzw. Ereignisse zu prädizieren.
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Die Steuereinheit 101 kann somit auf Basis einer Vielzahl von Informationen ermitteln (z. B. prädizieren), welcher Bedarf an elektrischer Energie zwischen Fahrtende und anschließendem Fahrtbeginn vorliegt. Desweiteren kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, zu veranlassen, dass der elektrische Speicher 103 zum Fahrtende-Zeitpunkt 212 einen Ladezustand aufweist, der mindestens um den ermittelten Bedarf oberhalb von dem vordefinierten minimalen Ladezustands-Schwellenwert 203 liegt. So kann (zumindest im Mittel) gewährleistet werden, dass zu einem anschließenden Fahrtbeginn-Zeitpunkt 213, der Ladezustand 200 des elektrischen Speichers 103 nicht unterhalb von dem vordefinierten minimalen Ladezustands-Schwellenwert 203 gefallen ist.
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2 zeigt einen beispielhaften Ladezustands-Verlauf 202, bei dem zu einem Zeitpunkt 211 (bei dem z. B. ein aktuelles Nutzungsereignis erfolgt) ein aktualisierter Bedarf an elektrischer Energie nach Fahrtende ermittelt wird. Daraufhin wird veranlasst, dass der elektrische Speicher 103 geladen wird, um zum Fahrtende-Zeitpunkt 212 einen erhöhten Ladezustand zu erreichen, durch den der aktualisierte Bedarf an elektrische Energie während des Stillstands bzw. der Ruhephase des Fahrzeugs 100 abgedeckt werden kann.
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Der Zeitpunkt 211, an dem der Energiebedarf ermittelt wird und/oder an dem der Speicher 103 geladen wird, liegt vor dem Zeitpunkt 212 des Fahrtendes. Der Zeitpunkt 212 des Fahrtendes kann auf Basis von Navigationsdaten prädiziert werden. Der Zeitpunkt 211 kann dann so gelegt werden, dass ausreichend Zeit bis zum Fahrtende-Zeitpunkt 212 vorliegt, um den elektrischen Speicher 103 in Abhängigkeit von dem prädizierten Energiebedarf aufzuladen.
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In einem Beispiel ermittelt die Steuereinheit 101 zu einem bestimmten Zeitpunkt 211 vor dem Fahrtende-Zeitpunkt 212 (der z. B. mittels eines Navigationssystems prädiziert werden kann), dass nach Fahrtende eine Abkühlung des Fahrzeugs 100 notwendig sein wird. Die Steuereinheit 101 kann dann auf Basis interner und/oder externer Größen wie der Temperaturen von Motoröl, Getriebe, E-Maschine etc., und/oder äußere Faktoren wie Umgebungstemperatur, Windverhältnissen etc. den Energiebedarf für die Wasserpumpen und E-Lüfter ermitteln. Ggf. kann der Energiebedarf durch ein Kühlmanagement des Fahrzeugs 100 ermittelt und an die Steuereinheit 101 kommuniziert werden. Die Steuereinheit 101 kann dann eine aktuelle Betriebsstrategie unterbrechen, insbesondere wenn ermittelt wird, dass durch den zusätzlichen Energiebedarf der minimale Ladezustands-Schwellenwert 203 während der Ruhephase des Fahrzeugs 100 unterschritten wird. Der minimale Ladezustands-Schwellenwert 203 kann z. B. derart festgelegt werden, dass eine Startfähigkeit des Fahrzeugs 100 gewährleistet wird, und/oder dass der Speicher 103 vor Schädigung geschützt wird, und/oder dass bei einem Hochvolt-Speicher 103 ein bestimmter SOC-Hold Wert eingehalten wird. Die Steuereinheit 101 kann dann veranlassen, dass der Ladezustand 200 des Speichers 103 entsprechend erhöht wird.
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Während der Verwendung des Fahrzeugs 100 kann durch die Steuereinheit 101 der Energiebedarf des Fahrzeugs 100 zwischen einem Zeitpunkt, an dem das Fahrzeug 100 zum stehen kommt, und einem Zeitpunkt, an dem das Fahrzeug 100 in den Ruhezustand übergeht, ermittelt werden. Dieser (z. B. über ein Nutzungsprofil) ermittelte Energiebedarf kann direkt in der Betriebsstrategie für den Speicher 103 berücksichtigt werden. Das heißt, der Ladezustand 200 des Speichers 103 kann gemäß dem ermittelten Energiebedarf erhöht werden. Desweiteren kann ein Temperaturkennfeld für Umgebung und Batterie und/oder eine Kalenderfunktion (Sommer, Winter) und/oder ein Standort des Fahrzeugs 100 (Warm-Land, Kalt-Land, Tal, Berg, etc.) berücksichtigt werden, um den erforderlichen Energiebedarf zu ermitteln.
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Die einzelnen Komponenten/Funktionen des Fahrzeugs 100 (z. B. Tankdiagnose, Kombi-Anzeige, Temperaturanpassung, etc.) können ggf. den jeweiligen Energiebedarf am oder nach Fahrtende prädizieren und der Steuereinheit 101 mitteilen. Die Steuereinheit 101 kann dann den benötigten Energiebedarf kumulieren und bei der Betriebsstrategie berücksichtigen.
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Wie bereits oben dargelegt, kann der benötigte Energiebedarf auf Basis von einer eingestellten Funktion des Fahrzeugs 100 ermittelt werden. Beispielsweise kann berücksichtigt werden, dass ein Fahrer des Fahrzeugs 100 eine Standheizung oder Standkühlung für die Abfahrtzeit 213 bzw. in Vorbereitung auf eine Abfahrt programmiert hat. Desweiteren kann eine Standfunktion (z. B. ein FollowMeHome-Licht, eine Lichtinszenierung, eine Synchronisationsfunktion mit einem Backend-Server bzw. Smartphone) aktiviert sein. Diese Information kann die Steuereinheit 101 bei der Betriebsstrategie (insbesondere bei der Ermittlung des Energiebedarfs nach Fahrtende) berücksichtigen.
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Desweiteren kann die Steuereinheit 101 lernende Funktionen berücksichtigen. Beispielsweise kann abhängig vom Fahrer (Erkennung z. B. über einen Fahrzeugschlüssel) ein Energieprädiktionsprofil (d. h. ein Nutzungsprofil) erstellt werden. Dieses Nutzungsprofil kann von ein oder mehreren Parameter (wie z. B. Jahreszeit, Arbeitstag, Wochenende, Urlaub, Familie, Single, usw.) abhängig sein.
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Desweiteren kann die Steuereinheit 101 den Energiebedarf in Abhängigkeit von einem aktuellen Ereignis ermitteln. Beispielsweise kann berücksichtigt werden, dass der Fahrer des Fahrzeugs 100 kurz vor Fahrtende ein Telefonat, einen Film, die Synchronisation von Daten oder einen Update (Musik, Film, Apps) beginnt. Auf Basis der jeweiligen aktiven Funktion kann ein Energiebedarf nach Fahrtende prädiziert werden. Bei bestimmten Funktionen kann auf Grund bekannter Endzeitpunkte (Filmdauer, Updatedauer) der Energiebedarf in präziser Weise prädiziert werden.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zur Steuerung des Ladezustands 200 eines elektrischen Speichers 103 eines Fahrzeugs 100. Das Verfahren 300 umfasst das Prädizieren 301 von einem elektrischen Energiebedarf, den das Fahrzeug 100 nach Ende einer Fahrt aufweist. Desweiteren umfasst das Verfahren 300 das Laden 302 des elektrischen Speichers 103 vor Ende der Fahrt, in Abhängigkeit von dem prädizierten Energiebedarf.
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Durch die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen kann in kosten-effizienter Weise die Lebensdauer von einem elektrischen Speicher eines Fahrzeugs erhöht werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
