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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang und einer Hochvoltbatterie, wobei die Hochvoltbatterie durch einen Ladevorgang an einer fahrzeugexternen Leistungsquelle ladbar ist.
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Bei Fahrzeugen mit elektrifiziertem Antriebsstrang handelt es sich meist um reine Batterieelektrofahrzeuge oder Plug-In-Hybridfahrzeuge. Beiden Fahrzeugkonzepten ist gemeinsam, dass sie über eine Hochvoltbatterie verfügen, die an einer externen Strom- bzw. Spannungsquelle ladbar ist. An die Hochvoltbatterie werden dabei nicht nur elektrische leistungs- und energiebezogene Anforderungen gestellt. Insbesondere soll die verhältnismäßig teure Fahrzeugkomponente Hochvoltbatterie eine hohe kalendarische Lebensdauer und eine hohe Zyklenfestigkeit aufweisen. Es ist bekannt, dass die verfügbare Batteriekapazität stark vom Betriebsverhalten, welchem die Hochvoltbatterie unterliegt, beeinflusst ist. So schreitet z.B. die Kapazitätsdegradation einer Lithium-Ionen-Hochvoltbatterie mit zunehmender Entladungstiefe schneller voran, siehe z.B. Ecker et. al., Journal of Power Sources, Vol. 215, pp. 248–257, 2012. Die Hochvoltbatterie kann also durch überwiegend hohe Entladungstiefen lebensdauerverschlechternd betrieben werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang und einer Hochvoltbatterie, wobei die Hochvoltbatterie durch einen Ladevorgang an einer fahrzeugexternen Leistungsquelle ladbar ist, anzugeben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß umfasst das Fahrzeug zumindest ein Steuergerät mit einem Leistungsmanagement zur Steuerung, Regelung und Überwachung des Ladevorgangs der Hochvoltbatterie, wobei durch das Leistungsmanagement die Anzahl von Ladevorgängen und für jeden dieser Ladevorgang eine Ladedauer und eine Lademenge erfassbar ist.
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Dies bedeutet, dass auf zumindest einem Steuergerät des Fahrzeugs ein Software-Modul als Leistungsmanagement der Hochvoltbatterie lauffähig ist, mit dem die Anzahl von Ladevorgängen und für jeden dieser Ladevorgang eine Ladedauer und eine Lademenge erfassbar ist. Nach einer Alternative können die Größen Anzahl von Ladevorgängen sowie Ladedauer und eine Lademenge für den jeweiligen Ladevorgang auch von einem Steuergerät mit Leistungsmanagement außerhalb des Fahrzeugs, z.B. von einem Steuergerät der fahrzeugexternen Ladeinfrastruktur, erfasst werden. Die erfassten Daten können auch an eine Smartphone-App eines vorgebbaren Nutzers des Fahrzeugs übermittelt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist durch das Leistungsmanagement für eine vorgebbare Anzahl von Ladevorgängen eine durchschnittliche Ladedauer je Ladevorgang und/oder eine durchschnittliche Lademenge je Ladevorgang ermittelbar ist.
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Mit anderen Worten sind durch das Leistungsmanagement die Ladevorgänge hinsichtlich durchschnittlicher Ladedauer und/oder durchschnittlicher Lademenge auswertbar. Die vorgebbare Anzahl von Ladevorgängen soll eine statistisch relevante Auswertung ermöglichen und die jüngsten Ladevorgänge betreffen. Eine zu hoch gewählte Anzahl von Ladevorgängen macht Änderungen in der durchschnittlichen Ladedauer und der durchschnittlichen Lademenge schwieriger erkennbar. Dies ist nach alternativen Ausführungsformen unabhängig davon, ob das Leistungsmanagement auf dem Fahrzeugsteuergerät, auf einem Steuergerät der Ladeinfrastruktur als Smartphone-Applikation läuft.
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Gemäß einer Variante der Erfindung ist durch das Leistungsmanagement die durchschnittliche Ladedauer mit einer Referenzladedauer vergleichbar. Es kann durch das Leistungsmanagement auch die durchschnittliche Lademenge mit einer Referenzlademenge alternativ oder zusätzlich vergleichbar sein.
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Sowohl die Referenzladedauer und die Referenzlademenge sind fest im Leistungsmanagement hinterlegbare Werte.
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Weiterhin ist es sinnvoll, wenn durch das Leistungsmanagement ein erster Abweichungswert der durchschnittlichen Ladedauer von der Referenzladedauer ermittelbar und/oder ein zweiter Abweichungswert der durchschnittlichen Lademenge von der Referenzlademenge ermittelbar ist.
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Das bedeutet, dass das Leistungsmanagement ermittelt, wie weit die durchschnittliche Ladedauer von der Referenzladedauer und/oder die durchschnittliche Lademenge von der Referenzlademenge abweicht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei Überschreitung eines vorgebbaren ersten Referenzwertes durch den ersten Abweichungswert und/oder bei Überschreitung eines vorgebbaren zweiten Referenzwertes durch den zweiten Abweichungswert durch das Leistungsmanagement eine vorgebbare Teilkapazität der Hochvoltbatterie sperrbar ist.
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Wird durch das Leistungsmanagement also ermittelt, dass die Abweichung der durchschnittlichen Ladedauer von der Referenzladedauer einen bestimmten Referenzwert überschreitet und/oder die Abweichung der durchschnittlichen Lademenge von der Referenzlademenge einen bestimmten Referenzwert überschreitet, so kann durch das Leistungsmanagement eine Teilkapazität der Hochvoltbatterie gesperrt werden, d.h. unverfügbar geschaltet werden. Diese Teilkapazität wird dann beim Betrieb der Hochvoltbatterie ausgespart und somit nicht mehr erschlossen. Der Werte der Teilkapazität kann mit der Höhe der Abweichung korreliert sein. Diese Teilkapazität verbleibt dann als Dauerladung in der Hochvoltbatterie und ist nicht Bestandteil von Zyklisierung der Batterie. Die Batterie wird dann als vollständig entladen behandelt, wenn nur (noch) eine Ladung in Höhe der Teilkapazität in der Batterie vorhanden ist. Die Berechnung des Ladezustandes wird also auf diese Teilkapazität tariert. Mit anderen Worten bildet diese Teilkapazität ein Tara bzw. einen Offset. Bei Verwendung des tarierten Ladezustand anstatt des elektrochemischen Ladezustands (ohne Offset) zum Betreiben der Hochvoltbatterie im Fahrzeug erzwingt ein häufigeres Laden des Fahrzeugs. beugen weiterhin größere Entladungstiefen und bewirken eine kleinere durchschnittliche Lademenge und kürzere durchschnittliche Ladedauern. Dies begünstigt die Lebensdauer der Hochvoltbatterie positiv durch Bewirken eines günstigen, d.h. lebensdauerschonenden Ladeverhaltens des Fahrzeugnutzers.
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Außerdem kann es nützlich sein, wenn alternativ oder zusätzlich zur Sperrung einer Teilkapazität durch das Leistungsmanagement ein Warnhinweis über ein Anzeigeelement des Fahrzeugs ausgebbar ist. Dann wird dem Nutzer angezeigt, z.B. durch einen textuellen Hinweis im Instrumentenkombi des Fahrzeugs oder alternativ per Smartphone-Anwendung, dass sinngemäß das Ladeverhalten ungünstig, d.h. lebensdauerverschlechternd auf den Antrieb des Fahrzeugs wirkt.
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Alternative Maßnahmen der Leistungsmanagements können auch sein, dass der Nutzer per Anzeigeelement auf besonders lebensdauerschonendes Ladeverhalten hingewiesen wird. Dies tritt dann ein, wenn die Abweichung der durchschnittlichen Ladedauer von der Referenzladedauer einen bestimmten Referenzwert unterschreitet und/oder die Abweichung der durchschnittlichen Lademenge von der Referenzlademenge einen bestimmten Referenzwert unterschreitet. Dies kann auch genutzt werden, um bestimmte Teilkapazitäten der Hochvoltbatterie erst bei einer solchen Unterschreitung freizugeben. Hier wird die Batterie – komplementär zur obig beschriebenen Vorgehensweise – mit einem tarierten Ladezustand betrieben, der bei Ermittlung eines günstigen Ladeverhaltens dem elektrochemischen Ladezustand der Hochvoltbatterie genähert wird.
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Weiterhin ist es sinnvoll, wenn für jeden Ladevorgang von kurzer Dauer und/oder kleinem Ladehub „Ladecredits“ vergeben werden. Dazu werden die Kennwerte, die das Ladeverhalten in diesem Sinne (d.h. Ladezeit und Lademenge) charakterisieren, im Steuergerät hinterlegt oder mittels einer Datenübertragung in einer fahrzeugexternen Cloud anonym gespeichert. Die „Ladecredits“ sind nach Freigabe durch den Nutzer beim Fahrzeugservice von einem Händlernetzwerk oder Fahrzeug-Serviceprovidern mit einer Datenschnittstelle zwischen dem Fahrzeug oder dem fahrzeugexternen Cloud-Speicher auslesbar. Je höher die Anzahl Ladecredits umso schonender wurde die Hochvoltbatterie betrieben. Die Ladecredits können beim Service berücksichtigt werden, indem dem Nutzer z.B. Vergünstigungen beim Fahrzeugservice oder Garantieverlängerungen gewährt werden.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Es wird von einem xEV-Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang, d.h. einem Plug-In hybrid electric vehicle (PHEV), einem battery electric vehicle (BEV), einem Range-Extender-BEV, o.Ä. ausgegangen, das einen Hochvolt-Energiespeicher (Hochvoltbatterie) umfasst. Die Hochvoltbatterie kann am externen Stromnetz geladen werden. Weiterhin verfügt das Fahrzeug über diverse Mensch-Maschine-Kommunikationsschnittstellen, die beispielsweise durch Anwendungen (Apps) für das Smartphone des Fahrzeugnutzers ergänzt wird. Nach dem Stand der Technik erkennt der Nutzer des Fahrzeugs nicht unbedingt die Notwendigkeit des häufigen Nachladens. Nachladen ist selbst bei erst teilentladener Hochvoltbatterie sinnvoll, da die Lebensdauer von Hochvoltbatterien durch viele kleinere Lade- bzw. Entladehübe im Gegensatz zu wenigen großen Hüben vorteilhaft beeinflusst wird. Deshalb kann es zu Betriebssituationen der Hochvoltbatterie kommen, bei denen die Ladungsmenge zwar für weiteren Fahrbetrieb vollkommen ausreichend ist, jedoch das Laden aus Gründen der Batterielebensdauer empfehlenswert ist. Wenn die Kapazitäten der Hochvoltbatterien von xEV-Fahrzeugen künftig weiter steigen, um die elektrischen Reichweiten zu erhöhen, ist die Wahrscheinlichkeit dieser Betriebssituation erhöht. Die unmittelbare Notwendigkeit zum Nachladen am externen Stromnetz tritt dann erst bei nahezu entleerter Hochvoltbatterie auf – ähnlich wie beim heutigen Kraftstofftanken bei Fahrzeugen mit konventionellem Antrieb. Falls dann bei nahezu entleerter Hochvoltbatterie diese wieder in einem Hub komplett geladen wird, entsteht eine Zyklisierung, die für die Lebensdauer der Hochvoltbatterie nachteilig ist (im Vergleich zum häufigeren Laden mit kleinen Hüben. Um dies zu verbessern, wird zunächst festgestellt, dass der Nutzer eines xEV-Fahrzeugs außer dem möglicherweise vorhandenen theoretischen Wissen über die Lebensdauer der Hochvoltbatterie keinerlei Anreize hat, sein Ladeverhalten zu ändern. Deshalb wird vorgeschlagen, ein Energie- und Powermanagement des Fahrzeugs vorzusehen, das die Funktionalität und Erlebbarkeit des Fahrzeugs für den Nutzer an die Ladehäufigkeit und den Ladehub pro Ladevorgang koppelt.
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Vorteilhaft daran ist, dass der Nutzer des Fahrzeugs die Hochvoltbatterie derart lebensdauerschonend betreibt bzw. so, dass die Lebensdauer optimal verlängernd beeinflusst wird. Der Nutzer profitiert von einer verbesserten Fahrzeugverfügbarkeit und verinnerlicht den Zusammenhang zwischen Lebensdauer und Nachladeverhalten. Die Gewährleistungskosten für den Fahrzeughersteller sinken zudem.
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Im Einzelnen kann die oben genannte Kopplung wie folgt verwirklicht werden:
In Abhängigkeit vom Ladehäufigkeit und der jeweiligen Ladehübe wird der SoC-Zähler der Hochvoltbatterie tariert. Das Tara, d.h. SOC(state of charge) = 0 % liegt relativ zur Gesamtkapazität der Hochvoltbatterie umso höher, je ungünstiger das Ladeverhalten für die Batterielebensdauer ist. Umso eher wird der Nutzer also zum erneuten Laden veranlasst, was das Ladeverhalten verbessert. Mit anderen Worten gibt das Energiemanagement bei lebensdauerschonendem Ladeverhalten auch mehr tatsächliche Kapazität der Hochvoltbatterie frei. Dies kann ergänzt werden mit einer SoH(state-of-health)-Information an den Nutzer, der so über den Zustand des Speichers „aufgeklärt“ wird und den eigenen Einfluss durch Ladeverhalten auf den Zustand beobachten kann. Abhängig vom Speicherzustand wird mehr Kapazität, d.h. Reichweite, freigegeben. Weiterhin kann es sinnvoll sein, sinkende Gewährleistungskosten an den Nutzer des Fahrzeugs durchzureichen, z.B. durch monetäre Zuschüsse bei jeder geladenen kWh mit besonders lebensdauerschonendem Ladestrom. Außerdem kann das Fahrzeug dem Nutzer ergänzend über „Frequently Plug-In Counter“ anzeigen, ob das vom Nutzer praktizierte Ladeverhalten günstig oder ungünstig für die Hochvoltbatterie ist. Diese Information kann auch in eine Internet-basierte Community anonymisiert weitergegeben werden, innerhalb derer das günstige Ladeverhalten über eine Vielzahl von Nutzern von xEV-Fahrzeugen ermittelbar ist.
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Weitere Maßnahmen zur Förderung von häufigen Nachladevorgängen mit kleinen Ladehüben sind z.B.: Dem Nutzer kann ein Gegenwert zugewiesen werden wie etwa durch einen vergünstigen Stromtarif, eine Garantieverlängerung auf die Hochvoltbatterie oder andere direkte merkantile Maßnahmen wie kostenloser Kundendienst. Weiterhin ist eine Kombination sinnvoll, die darin besteht, dem Nutzer den State-of-Health (Gesundheitszustand) der Hochvoltbatterie anzuzeigen und diese Anzeige bzw. Entwicklung des State-of-Health mit der Nachladehäufigkeit zu korrelieren, so dass der Nutzer die positive Wirkung des häufigen Nachladens vom Fahrzeug oder vom (fahrzeugexternen) Ladesystem mitgeteilt bekommt. Zusätzlich kann das häufige Nachladen mit einem optischen „Goodie“ als eine angezeigte Information kombiniert werden, bei dem das Fahrzeug oder das (fahrzeugexterne) Ladesystem ausgibt, dass es sich um einen die Lebensdauer begünstigenden Ladevorgang handelt, z.B. wenn der maximal mögliche Ladehub für den betreffenden Ladevorgang einen vorgebbaren Wert unterschreitet.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigt schematisch 1 Zeitlicher Verlauf von Ladezustand (SoC) und tariertem Ladezustand (SoCtar) Ausgegangen wird von einem Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang und einer Hochvoltbatterie. Die Hochvoltbatterie ist als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgeführt. Die Hochvoltbatterie kann an einer fahrzeugexternen Leistungsquelle, z.B. am häuslichen Stromnetz geladen werden. Die Hochvoltbatterie wird von einem Energie- und Leistungsmanagement-Softwaremodul des Fahrzeugs überwacht, gesteuert und geregelt. Eine wichtige Regelgröße bildet dabei der Ladezustand (state-of-charge, SoC). Der SOC gibt an, mit welcher Ladungsmenge die Hochvoltbatterie relativ zur maximal verfügbar Ladungsmenge (Batteriekapazität) geladen ist. Die Hochvoltbatterie erfährt im Fahrzeug im Wesentlichen zwei Betriebsarten, Laden und Entladen. Diese Betriebsarten wirken sich auf den SOC gegen die Zeit in Form eines Ladeverlaufs aus (siehe 1, SOC, linke Hochwertachse). Dabei zeigt die gestrichelte Linie einen Ladeverlauf der sich ungünstig, das heißt lebensdauerverschlechternd, auf die Hochvoltbatterie auswirkt. Dies liegt daran, dass die Hochvoltbatterie bei diesem Ladeverlauf mit großen Ladehüben (zwei Ladehübe in 1) geladen wird. Auch die Entladehübe sind dementsprechend groß. Mit anderen Worten wird die Hochvoltbatterie selten geladen, wobei das seltene Laden der Hochvoltbatterie zu hohen Entladetiefe führt. Dies zieht eine beschleunigte Kapazitätsdegradation nach sich. Die durchgezogene Linie an der linken Hochwertachse in 1 zeigt einen lebensdauerschonenden Ladeverlauf. Dabei wird die Batterie mit häufigeren, kleineren Ladehüben geladen (vier Ladehübe in 1). Dementsprechend niedriger ist die Entladetiefe bei diesem Ladeverlauf. 1 beschreibt einen zeitlichen Abschnitt in der Größenordnung von mehreren Tagen.
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Gemäß Ausführungsbeispiel ermittelt das Leistungsmanagement die Häufigkeit von Ladevorgängen sowie die Ladedauer und die eingeladene Ladungsmenge (Lademenge) für jeden einzelnen Ladevorgang. Weiterhin ermittelt das Leistungsmanagement auf Basis der Anzahl von Ladevorgängen, wie lange durchschnittlich geladen wird und wie hoch die durchschnittliche eingeladene Ladungsmenge je Ladevorgang ist. Wird nur selten geladen, ergibt sich eine hohe durchschnittliche Ladedauer sowie eine hohe durchschnittliche Ladungsmenge. Auf diese Weise erkennt das Leistungsmanagement einen ungünstigen Ladeverlauf gemäß der beispielhaften gestrichelten Linie in 1. dazu sind im Leistungsmanagement Referenzwerte für die durchschnittliche Ladedauer und der durchschnittliche Lademenge hinterlegt. Mit Überschreitung mindestens eines dieser Referenzwerte erkennt das Leistungsmanagement ein ungünstiges, d.h. lebensdauerverschlechterndes, Ladeverhalten. Mit Erkennen dieses ungünstigen Ladeverhaltens sperrt das Leistungsmanagement eine Teilkapazität der Hochvoltbatterie. Die Berechnung des Ladezustandes erfolgt auf Basis der noch verfügbaren Kapazität der Hochvoltbatterie. Der Ladezustand wird also auf die nicht mehr verfügbare Teilkapazität tariert, siehe rechte Hochwertachse 1. Durch diese effektive „Verkleinerung“ der Hochvoltbatterie wird ein häufigeres Nachladen mit folglich kleinen Lade- und Entadehüben bewirkt, siehe Strichpunktlinie in 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Ecker et. al., Journal of Power Sources, Vol. 215, pp. 248–257, 2012 [0002]
