DE102015005067A1 - Verfahren zum Betreiben eines wiederaufladbaren Speichers für elektrische Energie in einem Kraftwagen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines wiederaufladbaren Speichers für elektrische Energie in einem Kraftwagen, insbesondere eines wiederaufladbaren Speichers mit einer von Null verschiedenen Selbstentladungsrate, mit einem ersten Aufladen (5) des wiederaufladbaren Speichers bis zu einem ersten vorgegebenen Ladezustand (1), mit einem Beenden des ersten Aufladens (5) des wiederaufladbaren Speichers, mit einem Festlegen eines künftigen Nutzungszeitpunktes (tx) des wiederaufladbaren Speichers und mit einem zweiten Aufladen (7) des wiederaufladbaren Speichers bis zu einem den ersten Ladezustand (1) übertreffenden zweiten vorgegebenen Ladezustand (2) in einem vorgegebenen Zeitraum vor dem festgelegten Nutzungszeitpunkt (tx), um die Effizienz und Lebensdauer des wiederaufladbaren Speichers für elektrische Energie zu erhöhen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines wiederaufladbaren Speichers für elektrische Energie in einem Kraftwagen, insbesondere eines wiederaufladbaren Speichers mit einer signifikanten von null verschiedenen Selbstentladungsrate.
• Wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie, kurz wiederaufladbare elektrische Speicher, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, haben grundsätzlich eine Selbstentladungsrate. Diese Selbstentladungsrate ist in aktuell verfügbaren Lithium-Ionen-Zellen nicht signifikant, also vernachlässigbar gering, und beträgt beispielsweise wenige Millivolt pro Tag. Dies entspricht im Rahmen dieser Erfindung einer Selbstentladungsrate von (praktisch) Null. Bei neuartigen Zellchemien, beispielsweise Hochenergiekathodenmaterialien mit höherer Ladeschlussspannung oder Lithium-Schwefel-Zellen, kann die Selbstentladungsrate stärker ausgeprägt sein. Dies kann vor allem bei einem höheren Ladezustand (state-of-charge, SOC) und nach längerer Alterung der Fall sein. Die Selbstentladungsrate führt dann entsprechend zu einem mess- oder spürbaren Energieverlust bei Inaktivität des Speichers und so zu einer niedrigen Effizienz des wiederaufladbaren Speichers.
• Die DE 10 2012 207 673 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie, bestehend aus einer Mehrzahl von Batteriezellen, in welchem die Selbstentladung mindestens einer Batteriezelle im abgeschalteten Zustand der Batterie überwacht wird und unter Berücksichtigung des Wertes der überwachten Selbstentladung ein Auf- und/oder Entladen der mindestens einen Batteriezelle erfolgt.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz und Lebensdauer eines wiederaufladbaren Speichers für elektrische Energie in einem Kraftwagen zu erhöhen.
• Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines wiederaufladbaren Speichers für elektrische Energie in einem Kraftwagen, insbesondere eines wiederaufladbaren Speichers mit einer signifikanten, von null verschiedenen Selbstentladungsrate, umfasst eine Reihe von Schritten. Ein Schritt ist ein erstes Aufladen des wiederaufladbaren Speichers bis zu einem ersten vorgegebenen Ladezustand. Dieses erste Aufladen erfolgt insbesondere unabhängig von einem (festgelegten) späteren Nutzungszeitpunkt des wiederaufladbaren elektrischen Speichers. Es folgt ein Beenden des ersten Aufladens des wiederaufladbaren Speichers. Hierauf folgt insbesondere ein Belassen des wiederaufladbaren Speichers in dem ersten Ladezustand. Dabei ist Belassen im Sinne eines Nichterfolgens einer aktiven Beeinflussung des Ladezustandes zu verstehen. Insbesondere erfolgt somit nach dem Beenden des Aufladens für eine Zeitdauer, welche die Lebensdauer des Speichers bei bestimmungsgemäßem Gebrauch messbar oder für einen Nutzer spürbar verlängert, kein aktives Laden des Speichers.
• Ein weiterer Schritt ist ein Festlegen eines künftigen Nutzungszeitpunktes des wiederaufladbaren Speichers. Das Festlegen kann auch ein Bereitstellen einer entsprechenden Information über einen künftigen Nutzungszeitpunkt oder ein Ermitteln des künftigen Nutzungszeitpunktes aus anderen bereitgestellten Informationen umfassen. Schließlich erfolgt ein zweites Aufladen des wiederaufladbaren Speichers bis zu einem den ersten Ladezustand übertreffenden zweiten vorgegebenen Ladezustand in einem vorgegebenen Zeitraum vor dem festgelegten Nutzungszeitpunkt. Der festgelegte Nutzungszeitpunkt kann sich insbesondere direkt an den vorgegebenen Zeitraum oder an den vorgegebenen Zeitraum zuzüglich eines vorgegebenen Zeitpuffers anschließen.
• Das hat den Vorteil, dass der wiederaufladbare Speicher für einen im Vergleich zum Stand der Technik verlängerten Zeitraum in dem ersten, niedrigeren Ladezustand verweilen kann. Damit sinkt der Energieverlust durch die Selbstentladungsrate des wiederaufladbaren Speichers. Überdies wird eine Alterung des wiederaufladbaren Speichers verlangsamt, da die Verweildauer des wiederaufladbaren Speichers in einem höheren Ladzustand verringert ist. Es kann so ein bezüglich der Selbstentladungs- und Alterungsrate unvorteilhafter Ladezustandsbereich des wiederaufladbaren Speichers erst über das Festlegen des künftigen Nutzungszeitpunktes zur Ladung freigeschaltet und entsprechend für eine erweiterte oder vollständige Ladung genutzt werden.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der wiederaufladbare Speicher in einem Ladezustand oberhalb des ersten Ladezustands eine höhere Selbstentladungsrate und/oder eine höhere Alterungsrate aufweist, als in einem Ladezustand in oder unterhalb des ersten Ladezustands. Vorteilhafterweise kann also der erste Ladezustand so gewählt sein, dass oberhalb desselben Alterung und Selbstentladung überproportional ausgeprägt sind. In diesem Fall ist die Steigerung der Effizienz und die Verringerung der Alterung des wiederaufladbaren Speichers besonders ausgeprägt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der künftige Nutzungszeitpunkt über eine Bedienhandlung eines Nutzers manuell oder über eine Programmierung automatisch festgelegt wird. Insbesondere können hier Erfahrungswerte bezüglich typischer Nutzungszeitpunkte durch die Programmierung berücksichtigt werden. Das hat den Vorteil, dass eine erweiterte Ladung, welche zu einem Ladezustand oberhalb des ersten Ladezustands führt, nur erfolgt, wenn sie auch erforderlich ist (sogenanntes „on demand charging”). Auch kann so, wenn beispielsweise der Fahrer als Nutzer eine besonders extensive Nutzung des wiederaufladbaren Speichers beabsichtigt, eine erweiterte Ladung des wiederaufladbaren Speichers genau in diesen Fällen erfolgen.
• In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste und/oder der zweite Ladezustand automatisch in Abhängigkeit einer vorgegebenen künftigen Nutzungsintensität nach dem künftigen Nutzungszeitpunkt vorgegeben wird. Dabei wird insbesondere die künftige Nutzungsintensität über eine Bedienhandlung eines Nutzers oder über eine Programmierung automatisch festgelegt. Somit wird der wiederaufladbare Speicher entsprechend der künftigen Nutzung aufgeladen („predictive charging” oder „predictive setting”). Beispielsweise kann der Fahrer hier einen Bedienknopf für eine erhöhte Reichweite („high range-button”) betätigen, welcher eine besonders extensive Nutzung des wiederaufladbaren Speichers ankündigt und zu einem erweiterten oder vollständigen Laden des Speichers führt. Effizienz und Lebensdauer des wiederaufladbaren Speichers wird so bestmöglich erhöht.
• In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform beträgt der erste Ladezustand weniger als 100%, insbesondere 80%, und der zweite Ladezustand 100%.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
• Dabei zeigt die einzige Fig. einen beispielhaften Verlauf eines Ladezustands eines wiederaufladbaren Speichers eines Kraftwagens über einen beispielhaften Zeitraum.
• In der Fig. ist der Ladezustand oder state-of-charge, SOC, über der Zeit t für einen beispielhaften Ladevorgang aufgetragen. Ein erster vorgegebener Ladezustand 1 liegt im gezeigten Beispiel bei 80%, ein zweiter vorgegebener Ladezustand 2 bei 100% des Ladezustands. In dem Bereich 8 zwischen dem ersten Ladezustand 1 und dem zweiten Ladezustand 2 weist ein wiederaufladbarer Speicher im gezeigten Beispiel eine überproportional hohe Selbstentladungsrate und/oder eine überproportional hohe Alterungsrate auf. Der Bereich 8 ist also energetisch und alterungstechnisch ungünstig. Entsprechend wirkt es sich positiv auf die Energieeffizienz und Lebensdauer des wiederaufladbaren elektrischen Speichers aus, wenn die Verweildauer in dem Bereich 8 zwischen dem ersten Ladezustand 1 und dem zweiten Ladezustand 2 minimiert wird.
• Im gezeigten Beispiel ist nun zunächst im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ der wiederaufladbare Speicher an ein Ladegerät angeschlossen. Ein tatsächlicher Ladezustand 4 des wiederaufladbaren Speichers beträgt entsprechend vorliegend 100%. Zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ erfolgt nun vorliegend ein Benutzen 3 des wiederaufladbaren Speichers, beispielsweise durch ein Nutzen eines zugehörigen Kraftwagens, was zu einem Absinken des tatsächlichen Ladezustands 4 führt. Das Benutzen 3 kann sich beispielsweise über einem Zeitraum zwischen einem Morgen und einem Abend eines Tages erstrecken. Auf das Benutzen 3 des wiederaufladbaren Speichers erfolgt im gezeigten Beispiel eine Nutzungspause, in welcher zu einem Zeitpunkt t₃ ein erstes Aufladen 5 beginnt, welches sich bis zu einem darauffolgenden Zeitpunkt t₄ fortsetzt. Zu dem Zeitpunkt t₄ ist dann der erste Ladezustand 1 mit vorliegend 80% erreicht. Auf den Zeitpunkt t₄ folgt in diesem Beispiel ein Belassen 6 des wiederaufladbaren Speichers in dem ersten Ladezustand 1. Das Belassen 6 kann sich beispielsweise über mehrere Stunden hinweg erstrecken. Für das Belassen 6 kommt beispielsweise eine Nachtzeit, zu der der Kraftwagen nicht oder aller Voraussicht nach nicht genutzt wird, in Frage. Auf einen Zeitpunkt t₅ hin folgend bis zu einem weiteren Zeitpunkt t₆, erfolgt schließlich ein zweites Aufladen 7. Am Ende des zweiten Aufladens 7 zum Zeitpunkt t₆ ist der zweite Ladezustand 2 mit vorliegend 100% erreicht. Das zweite Aufladen 7 kann auch als „on-demand charging” oder „high-range charging” bezeichnet werden. Damit steht der wiederaufladbare Speicher mit seiner vollen Kapazität zu einem Nutzungszeitpunkt t_x, welcher im gezeigten Beispiel nach dem Zeitpunkt t₆ liegt, jedoch auch mit diesem zusammenfallen kann, zur Verfügung. Gleichzeitig wurde der wiederaufladbare Speicher in dem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t₄ und t₅, beispielsweise über Nacht, in dem niedrigen ersten Ladezustand 1 belassen. Dadurch ist der Energieverlust auf Grund der Selbstentladung minimiert und gleichzeitig die Alterung oder Degradation reduziert.
• Bezugszeichenliste

1

Erster Ladezustand

2

Zweiter Ladezustand

3

Benutzen

4

Tatsächlicher Ladezustand

5

Erstes Aufladen

6

Belassen

7

Zweites Aufladen

8

Bereich

SOC

Ladezustand

t

Zeit

t₁–t₅

Zeitpunkt

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102012207673 A1 [0003]

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben eines wiederaufladbaren Speichers für elektrische Energie in einem Kraftwagen, insbesondere eines wiederaufladbaren Speichers mit einer von Null verschiedenen Selbstentladungsrate, mit den Schritten: – erstes Aufladen (5) des wiederaufladbaren Speichers bis zu einem ersten vorgegebenen Ladezustand (1); – Beenden des ersten Aufladens (5) des wiederaufladbaren Speichers; – Festlegen eines künftigen Nutzungszeitpunktes (t_x) des wiederaufladbaren Speichers; – zweites Aufladen (7) des wiederaufladbaren Speichers bis zu einem den ersten Ladezustand (1) übertreffenden zweiten vorgegebenen Ladezustand (2) in einem vorgegebenen Zeitraum vor dem festgelegten Nutzungszeitpunkt (t_x).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wiederaufladbare Speicher in einem Ladezustand oberhalb des ersten Ladezustands (1) eine höhere Selbstentladungsrate und/oder eine höhere Alterungsrate aufweist als in einem Ladezustand in oder unterhalb des ersten Ladezustands (1).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der künftige Nutzungszeitpunkt (t_x) über eine Bedienhandlung eines Nutzers manuell oder über eine Programmierung automatisch festgelegt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite und/oder erste Ladezustand (1, 2) automatisch in Abhängigkeit einer vorgegebenen künftigen Nutzungsintensität nach dem künftigen Nutzungszeitpunkt (t_x) vorgegeben wird, wobei insbesondere die künftige Nutzungsintensität über eine Bedienhandlung eines Nutzers manuell oder über eine Programmierung automatisch festgelegt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ladezustand (1) weniger als 100%, insbesondere 80%, beträgt und/oder der zweite Ladezustand (2) 100% beträgt.

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