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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft Fahrzeuge mit Elektroantrieb, insbesondere Fahrzeuge mit einem Antriebssystem, das einen aus einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher gespeisten Elektroantrieb aufweist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Betreiben des Kraftfahrzeugs mit optimierter Nutzung von Rekuperationsenergie.
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Bei Antriebssystemen, bei denen zumindest ein Teil der Antriebsleistung von einem Elektroantrieb bereitgestellt wird, ist häufig ein wiederaufladbarer elektrischer Energiespeicher in Form einer Batterie bzw. eines Akkumulators vorgesehen. Insbesondere bei Hybridantriebssystemen bestimmt die Betriebsstrategie den Ladezustand bzw. den Verlauf des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers, wobei insbesondere die vorausliegende Fahrstrecke berücksichtigt werden kann.
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Insbesondere kann eine Fahrstrategie die Rekuperation von elektrischer Energie vorsehen, wobei der Elektroantrieb generatorisch betrieben wird, um elektrische Energie zu erzeugen und diese durch Aufladen des elektrischen Energiespeichers zwischenzuspeichern.
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Die Rekuperation in elektrischen Energiespeichern ist jedoch bei geringer Temperatur relativ ineffektiv und der zulässige maximale Ladestrom bzw. die maximal zulässige Ladeleistung entsprechend gering, so dass ein Großteil der zur Verfügung stehenden kinetischen Energie durch die konventionelle Fahrzeugbremse abgebaut werden muss.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2008 040 916 A1 ist ein Verfahren zum Aufwärmen eines elektrischen Energiespeichers in einem Fahrzeug mit einem Hybridantriebsstrang bekannt. Dabei wird der elektrische Energiespeicher durch Stromentnahme und/oder Stromzufuhr gezielt belastet, um eine Eigenerwärmung des Energiespeichers über dessen Innenwiderstand zu erreichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems mit einem elektrischen Energiespeicher gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung, ein Antriebssystem und ein Kraftfahrzeug gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb und einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Überprüfen, ob während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs auf einer zu fahrenden Fahrstrecke eine Rekuperationsphase vorausliegt, bei der von dem Elektroantrieb generatorisch bereitgestellte Rekuperationsenergie zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt wird;
- – Erwärmen des elektrischen Energiespeichers abhängig davon, ob zu Beginn der Rekuperationsphase der Energiespeicher eine Temperatur aufweisen wird, die eine insbesondere vollständige Aufnahme der Rekuperationsenergie während der anstehenden Rekuperationsphase ermöglicht.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, aktiv die temperaturabhängige Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers an eine anstehende (künftige) Verfügbarkeit von Rekuperationsenergie anzupassen. Beispielsweise durch eine prädiktive Betrachtung einer vorausliegenden Fahrstrecke können Streckenabschnitte ermittelt werden, in denen dem Kraftfahrzeug kinetische Energie entzogen werden kann/soll und dem elektrischen Energiespeicher durch generatorischen Betrieb des Elektroantriebs Rekuperationsenergie bzw. Ladeleistung zugeführt werden kann. Da bei einem elektrische Energiespeicher, der üblicherweise als wiederaufladbare Batterie ausgebildet ist, die aufnehmbare Ladeleistung erheblich von einer Temperatur abhängt, kann der Fall auftreten, dass bei einer zu niedrigen Temperatur des elektrischen Energiespeichers die voraussichtlich zur Verfügung stehende Rekuperationsenergie nicht vollständig dem elektrischen Energiespeicher zum Aufladen zugeführt werden kann, da die der Rekuperationsenergie entsprechende Leistung die maximal zulässige Ladeleistung übersteigen würde. Die überschüssige kinetische Energie muss dann anstatt durch Rekuperation durch eine herkömmliche Reibbremse des Kraftfahrzeugs abgebaut werden.
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Durch Maßnahmen zum Erhöhen der Temperatur des elektrischen Energiespeichers kann die von dem elektrischen Energiespeicher aufnehmbare Ladeleistung erhöht werden und an die prädiktiv festgestellte anstehende Rekuperationsenergie angepasst werden.
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Durch den prädiktiven Ansatz kann Rekuperationsenergie, die in Rekuperationsphasen bereitgestellt wird, d.h. Betriebsphasen, in denen Rekuperationsenergie aufgrund einer zu verringernden kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden kann, durch vorherige Anpassung einer Temperatur des elektrischen Energiespeichers möglichst effizient, insbesondere vollständig von dem elektrischen Energiespeicher aufgenommen werden. Dadurch ergibt sich eine Temperatur des elektrischen Energiespeichers, die, sofern diese nicht ohnehin durch die geplante Betriebsstrategie erreicht wird, durch zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise das Erhöhen der elektromotorischen Antriebsleistung, bei einem Hybridantriebssystem oder durch Aktivieren einer Heizeinrichtung, erreicht werden kann.
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Weiterhin kann festgestellt werden, dass die Rekuperationsphase vorausliegt, wenn eine Prädiktion einer Geschwindigkeitstrajektorie des Kraftfahrzeugs angibt, dass eine kinetische Energie des Kraftfahrzeugs verringert werden soll.
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Alternativ oder zusätzlich kann festgestellt werden, dass die Rekuperationsphase vorausliegt, wenn eine vorausliegende Fahrstrecke ein Gefälle aufweist, und die frei werdende potenzielle Energie des Kraftfahrzeugs nicht vollständig in kinetische Energie des Kraftfahrzeugs umgewandelt werden soll.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Erwärmen des Energiespeichers durch eine elektrische Heizeinrichtung durchgeführt werden, die mithilfe von elektrischer Energie aus dem Energiespeicher oder mithilfe von elektrischer Energie aus einem generatorischen Betrieb des Elektroantriebs betrieben wird. Es hat sich gezeigt, dass bei vielen elektrischen Energiespeichern der energetische Mehraufwand zum Aufwärmen des elektrischen Energiespeichers durch die zusätzlich nutzbare Rekuperationsenergie mehr als kompensiert werden kann. Insbesondere kann durch Beeinflussung des Betriebspunktes der Heizeinrichtung der Trade-off zwischen zusätzlich verbrauchter Heizenergie zum Betreiben der Heizeinrichtung und rückgewonnener Rekuperationsenergie optimiert werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Erwärmen des Energiespeichers durch die elektrische Heizeinrichtung nur dann durchgeführt wird, wenn für die Erwärmung des elektrischen Energiespeichers auf eine zur Aufnahme der Rekuperationsenergie benötigte Temperatur weniger Energie benötigt wird, als während der anstehenden Rekuperationsphase aufgrund der Erwärmung des Energiespeichers zusätzlich gespeichert werden kann.
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Weiterhin kann bei einem Hybridantriebssystem eine Lastverteilung zwischen dem Elektroantrieb und einer weiteren Antriebseinheit gemäß einem Optimierungsverfahren bestimmt werden, wobei zum Erwärmen des Energiespeichers die Lastverteilung so geändert wird, dass die Last des Elektroantriebs über die optimierte Lastverteilung hinaus vergrößert wird.
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Weiterhin kann die Erwärmung des elektrischen Energiespeichers durch eine verstärkte Entladung des Energiespeichers erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere Steuergerät, zum Betreiben eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb und einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um zu überprüfen, ob während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs auf einer zu fahrenden Fahrstrecke eine Rekuperationsphase vorausliegt, bei der von dem Elektroantrieb generatorisch bereitgestellte Rekuperationsenergie zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt wird, und den elektrischen Energiespeicher abhängig davon zu erwärmen, ob zu Beginn der Rekuperationphase der Energiespeicher eine Temperatur aufweist, die eine Aufnahme der Rekuperationsenergie während der anstehenden Rekuperationsphase ermöglicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, umfassend:
- – einen Elektroantrieb zum Bereitstellen von Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug;
- – einen elektrischen Energiespeicher; und
- – die obige Vorrichtung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Hybridantriebssystem mit einem Elektroantrieb, der elektrische Energie aus einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher bezieht;
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2 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben eines Antriebssystems mit einem aus einem elektrischen Energiespeicher gespeisten Elektroantrieb; und
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3a und 3b eine Darstellung von Kennfeldern zur maximalen Lade- bzw. Entladeleistung abhängig von einer Temperatur des elektrischen Energiespeichers.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantriebssystem 2, das einen Elektroantrieb 3 und eine weitere Antriebseinheit 4 zum Beispiel in Form eines Verbrennungsmotors vorsehen kann. In alternativen Ausführungsformen können auch Antriebssysteme mit rein elektromotorischem Betrieb vorgesehen werden.
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Dem Elektroantrieb 3 kann elektrische Energie aus einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher 5 bereitgestellt werden. Die als Verbrennungsmotor ausgebildete weitere Antriebseinheit 4 erhält in Antriebsenergie umsetzbare Energie aus einem Kraftstofftank 6. Weiterhin kann der Elektroantrieb 3 generatorisch betrieben werden, indem dieser zur Umwandlung von überschüssiger kinetischer Energie des Kraftfahrzeugs 1 und/oder von von der weiteren Antriebseinheit 4 bereitgestellten mechanischen Energie in elektrische Energie betrieben wird. Diese so genannte Rekuperationsenergie kann als Rekuperationsleistung dem elektrischen Energiespeicher 5 zugeführt werden, um diese dort zu speichern.
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Das Hybridantriebssystem 2 ist über einen geeigneten (nicht gezeigten) Abtriebsstrang mit einem Antriebsrad 7 gekoppelt, um das Fahrzeug durch Bereitstellen eines Antriebsmoments anzutreiben. Gleichzeitig kann kinetische Energie des Kraftfahrzeugs 1 über das Antriebsrad 7 in das Hybridantriebssystem 2 eingebracht werden, um dort in elektrische Energie rekuperiert zu werden.
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Das Hybridantriebssystem 2 wird durch ein Hybridsteuergerät 8 gesteuert. Das Hybridsteuergerät 8 sieht eine bestimmte Betriebsstrategie vor, die eine Lastverteilung der bereitzustellenden Antriebsleistung auf den Elektroantrieb 3 und die weitere Antriebseinheit 4 vornimmt. Dies kann mithilfe von Optimierungsverfahren nicht-prädiktiv oder prädiktiv unter Berücksichtigung einer vorausliegenden wahrscheinlichen Fahrstrecke durchgeführt werden. Dafür verwendete Optimierungsverfahren können ECMS-Verfahren (ECMS: Equivalent Consumption Minimization Strategy) oder dynamische Programmierung umfassen.
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Der elektrische Energiespeicher 5, der vorzugsweise als wiederaufladbare Batterie ausgebildet ist, weist üblicherweise ein stark temperaturabhängiges Verhalten auf. Die von dem elektrischen Energiespeicher 5 entnehmbare und zuführbare Lade- bzw. Entladeleistung hängt erheblich von der Temperatur TBatt des elektrischen Energiespeichers 5 ab. Dies ist durch die Energiespeicherkennlinien der 3a und 3b für einen beispielhaften Energiespeicher dargestellt. Man erkennt, dass sich die Abhängigkeit der aufnehmbaren (Ladeleistung) Plademax oder abgebbaren Leistung (Entladeleistung) Pentlademax des elektrischen Energiespeichers 5 besonders deutlich in einem Temperaturbereich zwischen –20 und +10°C verändert. Aus diesem Grund kann es zweckmäßig sein, bei einer zur Verfügung stehenden künftigen Rekuperationsenergie, die eine maximale Ladeleistung Plademax des elektrischen Energiespeichers 5 übersteigt, zusätzliche Maßnahmen vorzusehen, die Temperatur des elektrischen Energiespeichers 5 anzupassen, insbesondere zu erhöhen. Ein solcher Fall kann insbesondere unmittelbar nach einem Start des Kraftfahrzeugs 1 bei niedrigen Umgebungstemperaturen auftreten.
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Da sich der elektrische Energiespeicher 5 abhängig von der zugeführten oder abgeführten Leistung erwärmt, kann beispielsweise der durch die Lastverteilung bestimmte Anteil der elektrischen Antriebsleistung erhöht werden, um einen größeren Anteil der gesamten Antriebsleistung von dem Elektroantrieb 3 bereitzustellen. Der erhöhte Stromfluss über den Innenwiderstand des Energiespeichers 5 führt zu einer zusätzlichen Wärmeleistung in dem elektrischen Energiespeicher 5.
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Eine weitere Möglichkeit des Erwärmens des elektrischen Energiespeichers 5 besteht darin, eine Heizeinrichtung 51 im elektrischen Energiespeicher 5 zu nutzen und darin gespeicherte elektrische Energie direkt in Wärmeenergie zum Beheizen des elektrischen Energiespeichers 5 zu verwenden. Die Heizeinrichtung 51 in dem elektrischen Energiespeicher kann als so genannter PTC-Heizer ausgebildet sein, bei dem ein als PTC-Widerstand ausgebildeter Temperaturfühler durch Beaufschlagung mit einem Heizstrom erwärmt wird.
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In 2 ist ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben eines Antriebssystems mit einem aus einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher 5 gespeisten Elektroantrieb 3 dargestellt. Dieses kann ein Hybridantriebssystem 2 oder ein rein elektromotorisches Antriebssystem sein.
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Im Schritt S1 wird zunächst anhand an sich bekannter Verfahren eine vorausliegende, am wahrscheinlichsten zu befahrende Fahrstrecke ermittelt. Diese Information kann von einem Navigationsgerät, durch das beispielsweise eine Fahrstreckenempfehlung vorgegeben wird, oder eine entsprechende Funktion in einem Fahrerassistenzsystem vorgegeben sein. Die vorausliegende Fahrstrecke wird analysiert und mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens, dem eine entsprechende Kostenfunktion vorgegeben wird, wird eine Geschwindigkeitstrajektorie, d.h. ein Verlauf einer Fahrzeuggeschwindigkeit, über die betrachtete Fahrstrecke ermittelt. Weiterhin ergibt sich aus dem Navigationsgerät oder die entsprechende Funktion in dem Fahrerassistenzsystem eine Fahrstreckentopologie, d.h. Steigungen oder Gefälle, der am wahrscheinlichsten zu befahrenden Fahrstrecke.
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Aus der Geschwindigkeitstrajektorie kann im Schritt S2 mit Hilfe eines das Verhalten des elektrischen Energiespeichers beschreibenden Kennfeldes ein Verlauf einer Temperatur über die vorausliegende Wegstrecke bei Einhalten der Geschwindigkeitstrajektorie prädiziert werden. Insbesondere können auf den Energiespeicher einwirkende Wärmezufuhren und Wärmeverluste über die Zeit ermittelt werden.
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Weiterhin werden im Schritt S3 Streckenabschnitte innerhalb der vorausliegenden betrachteten Fahrstrecke ermittelt, in denen gemäß der Geschwindigkeitstrajektorie eine kinetische Energie des Fahrzeugs reduziert werden soll bzw. in denen gemäß der Fahrstreckentopologie z.B. aufgrund einer Bergabfahrt mechanische Energie als Rekuperationsenergie zur Verfügung gestellt wird. Diese Abschnitte eignen sich für einen generatorischen Betrieb des Elektroantriebs, bei dem die Rekuperationsenergie bereitgestellt werden kann. Die Rekuperationsenergie kann und soll zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers verwendet werden.
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Nun wird in Schritt S4 überprüft, insbesondere mit Hilfe einer Energiespeicherladefunktion, die eine Ladeleistung abhängig von einer Temperatur des elektrischen Energiespeichers 5 beschreibt, wie z.B. mit Hilfe eines Energiespeicherkennfeldes, ob für die anstehende Rekuperationsphase in der vorausliegenden Fahrstrecke die Temperatur des elektrischen Energiespeichers 5 ausreichend hoch sein wird, um die in der Rekuperationsphase bereitgestellte Rekuperationsenergie aufzunehmen und zu speichern. Eine Kennfeldfunktion zur Abhängigkeit der Ladeleistung von der Temperatur ist in 3a angegeben. Wird festgestellt, dass der elektrische Energiespeicher 5 eine ausreichende Temperatur zu Beginn der Rekuperationsphase aufweist, um die Rekuperationsleistung aufzunehmen (Alternative: Ja), so wird zu Schritt S1 zurückgesprungen, andernfalls (Alternative: Nein) werden in Schritt S5 eine oder mehrere Maßnahmen ergriffen, den elektrischen Energiespeicher 5 zu erwärmen.
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Eine Erwärmung des elektrischen Energiespeichers 5 kann in Schritt S5 beispielsweise durch ein Aktivieren der Heizeinrichtung unter Nutzung von in dem elektrischen Energiespeicher 5 gespeicherter Energie vorgenommen werden.
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Bei einem Hybridantriebssystem 2 kann weiterhin durch eine Verschiebung der Lastaufteilung zwischen dem Elektroantrieb 3 und der weiteren Antriebseinheit 4 zugunsten eines größeren Anteils des Elektroantriebs 3 der Entladestrom des elektrischen Energiespeichers 5 erhöht werden, was zu einer stärkeren Erwärmung des elektrischen Energiespeichers 5 führt.
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Weiterhin kann in einem Hybridantriebssystem 2 ein Betriebszustand eingenommen werden, bei dem die weitere Antriebseinheit 4 sowohl das Antriebsmoment als auch darüber hinausgehend das für einen generatorischen Betrieb des Elektroantriebs 3 benötigte Generatormoment bereitstellt. Das in diesem Fall bereitzustellende Generatormoment ist so gewählt, dass ein Ladestrom durch den Elektroantrieb 3 erzeugt wird, der einen maximalen Ladestrom für die gegebene Temperatur des Energiespeichers 5 nicht überschreitet.
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Durch das Laden des elektrischen Energiespeichers 5 wird dieser ebenso wie beim Entladen erwärmt, und somit kann zu dem Zeitpunkt zu Beginn der Rekuperationsphase eine notwendige Temperatur des elektrischen Energiespeichers 5 durch Laden oder Entladen des elektrischen Energiespeichers 5 erreicht werden. Letztere Maßnahme des Erwärmens des elektrischen Energiespeichers durch generatorischen Betrieb des Elektroantriebs mit Hilfe eines von der weiteren Antriebseinheit 4 bereitgestellten Generatormoments muss jedoch den Ladezustand, d.h. die Kapazität des elektrischen Energiespeichers 5, berücksichtigen, so dass sowohl die durch das Generatormoment bereitgestellte elektrische Energie als auch die zu erwartende anfallende Rekuperationsenergie nicht die maximale Ladekapazität des elektrischen Energiespeichers 5 bei der gegebenen Temperatur zum Zeitpunkt des Endes der betrachteten Rekuperationsphase übersteigt. Ein Erwärmen kann auch durch Entladen des elektrischen Energiespeichers 5 durchgeführt werden.
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Die oben beschriebenen Verfahren zum Erwärmen des elektrischen Energiespeichers können auch in Kombination angewendet werden.
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Kommt als Maßnahme für eine Temperaturerhöhung des elektrischen Energiespeichers 5 nur die direkte Heizung durch die Heizeinrichtung in Frage, so kann vorgesehen sein, dass diese nur dann aktiviert wird, um den elektrischen Energiespeicher auf die zu Beginn der Rekuperationsphase benötigte Temperatur aufzuwärmen, wenn für die Erwärmung auf die benötigte Energie weniger Energie benötigt wird, als während der anstehenden Rekuperationsphase aufgrund der Erwärmung zusätzlich gespeichert werden kann.
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Die für die Erwärmung des Energiespeichers benötigte Energie lässt sich anhand der thermischen Masse des Energiespeichers 5 bestimmen. Aus der Energiespeicherkennlinie für die Temperaturabhängigkeit lässt sich der maximale Ladestrom und damit die maximal zulässige Ladeleistung (bei Kenntnis der Spannung des Energiespeichers) bei einer bestimmten Temperatur bestimmen. Mithilfe der prädizierten Dauer der Rekuperationsphase kann man feststellen, ob die durch die Erwärmung während der Rekuperationsphase zusätzlich aufnehmbare Rekuperationsenergie größer ist als die für die Erwärmung des Energiespeichers auf die erforderliche Temperatur benötigte Energie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008040916 A1 [0005]
