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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie, insbesondere eine Batterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, gemäß dem der Ladestrom erhöht und somit die Ladedauer verkürzt werden kann und gleichzeitig eine Erreichung der Lebensdauerziele der Batteriezelle gegeben ist. Die vorliegende Erfindung ist ferner gerichtet auf eine Ladesteuerungsanordnung sowie auf ein Computerprogrammprodukt mit Steuerbefehlen, welche das vorgeschlagene Verfahren implementieren beziehungsweise die vorgeschlagene Ladesteuerungsanordnung betreiben.
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DE 10 2014 002 973 A1 zeigt ein Verfahren zum Laden einer Batterie, bei welchem ein Minimum einer zum Laden zur Verfügung stehenden Ladezeit und ein erforderliches Minimum des zu erreichenden Ladezustandes (SOC), auf welchen die Batterie aufzuladen ist, vor dem Start des Ladevorganges berücksichtigt wird.
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DE 11 2013 005 216 T5 zeigt ein Schnelllade-System für ein aufladbares Energiespeicher-System umfassend ein Schnelllade-Voraussagesystem, welches ein bevorstehendes Schnelllade-Ereignis für das aufladbare Energiespeicher-System identifiziert und ein Umgebungs-Regelsystem, das mit dem Energiespeicher-System gekoppelt ist und eine Temperaturumgebung des Energiespeicher-Systems abhängig von einem ersten Betriebsprofil unter Nutzung der Temperaturumgebung regelt.
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DE 10 2010 011 704 A1 beschreibt ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, welches einen preisabhängigen Lademodus aufweist. Die zu ladende Energiemenge und die Endzeit, zu welcher der Ladevorgang abgeschlossen sein muss, werden zur Adaption des Ladestromes genutzt.
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Gemäß herkömmlicher Verfahren kann eine Schnellladung von Batteriezellen erfolgen, welche jedoch eine negative Auswirkung auf die Langlebigkeit der Batteriezellen mit sich führt. Wird hingegen keine Schnellladung angewendet, so dauert der Ladevorgang erheblich länger, was wiederum die Akzeptanz des Fahrers mindert. Die Ladeleistung von Elektrofahrzeugen mit Li-Ionen Zellen ist aufgrund Lebensdauereinschränkungen mit Standardladeverfahren begrenzt. Schnellladen von Batteriezellen wird bekanntermaßen verbessert, wenn die Batteriezellen wärmer als die typische Umgebungs- und/oder Standardbetriebs-Temperatur sind. Batteriezellen werden gemäß bekannter Verfahren im Betrieb gekühlt und auf einer abgesenkten Temperatur gehalten. Dies ist kontraproduktiv für Schnellladebedingungen und kann unnötigerweise Ressourcen für kontraproduktives Kühlen der Batteriezellen verbrauchen.
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Gemäß dem Stand der Technik erfolgt entweder eine lange Ladezeit oder es tritt die Gefahr einer erhöhten Alterung der Batteriezellen bei Schnellladevorgängen auf. Somit weist der Stand der Technik den Nachteil auf, dass keine befriedigende Balance gefunden werden kann zwischen einem situationsabhängigen schnellen Laden auf der einen Seite und einer Schonung der Batterie in Bezug auf deren Verschleiß auf der anderen Seite.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Laden einer Batteriezelle bereitzustellen, gemäß dem der Ladestrom erhöht und somit die Ladedauer verkürzt werden kann und gleichzeitig eine Erreichung der Lebensdauerziele der Batteriezelle gegeben ist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine entsprechend eingerichtete Ladesteueranordnung bereitzustellen sowie ein Computerprogrammprodukt mit Steuerbefehlen, welche das vorgeschlagene Verfahren implementieren beziehungsweise die vorgeschlagene Ladesteueranordnung betreiben.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Demgemäß wird ein Verfahren zum schonenden Schnellladen eines Energiespeichers vorgeschlagen, aufweisend die Schritte des Bestimmens einer Zelltemperatur des Energiespeichers, eines Ladestandes und eines Alterungszustandes des Energiespeichers sowie eines Aufladens des Energiespeichers, wobei eine maximale Ladeleistung mittels eines Degradationsfaktors in Abhängigkeit der bestimmten Zelltemperatur, des Ladestands und des Alterungszustandes angepasst wird und der Energiespeicher lediglich mit der angepassten Ladeleistung aufgeladen wird.
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Die Ladeparameter sind auch von dem sogenannten SOH (State of health) abhängig. Der Strom muss mit Abnahme der Kapazität reduziert werden, ein Faktor kann typischerweise hierzu bei 0,8 (Bereich 0,7 bis 1) für End-Of-Life EOL liegen. Es sollte nicht zu stark gekühlt werden, somit muss der Energiespeicher HVS (High-Voltage Battery) nur so viel Kühlleistung anfordern, dass die Zellen sich erwärmen: DeltaT/ Minute sollte also immer größer 0 sein. Ziel ist es am Ende des Schnellladens eine Zelltemperatur von 35–45°C zu erreichen. Der alterungsbedingte Degradations-Faktor (0,7–1) kann allerdings auch von einer gekauften Kundenoption abhängen. SOH bedeutet “State of Health”. Das deutsche Synonym ist etwa “Gesundheitszustand”. Der SOH beschreibt den Gesundheitszustand einer bereits gealterten, gebrauchten Batterie im Sinne der Fähigkeit, die geforderten Leistungsparameter im Vergleich zu einer neuen Batterie zu erreichen. Der SOH bezeichnet also den Alterungszustand einer Batterie.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein thermisches Management vorgeschlagen, das die Zelltemperaturen so regelt, dass beim Schnellladevorgang ein maximaler Ladestrom bzw. kürzeste Ladezeit erreicht wird und auch nach dem Schnellladevorgang sofort wieder eine ausreichende Fahrperformance zur Verfügung steht. Hierzu wird ein Ladekennfeld für die erlaubten Ladeströme in Abhängigkeit von Temperatur, SOC und Zellspannung in verschiedene Degradationsbereiche eingeteilt und bereitgestellt. Abhängigkeit vom SOH wäre ein übergreifender konstanter Degradationsfaktor gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung im Bereich 0,7 bis 1.
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Das thermische Management kann vor oder während der Fahrt bereits Vorkonditionieren oder Maßnahmen ergreifen (Kühlen oder Heizen), um ideale Voraussetzungen für den Schnellladevorgang zu schaffen. Während des Schnellladens ist ein Temperaturanstieg sicherzustellen um z.B. für Zellspannungsbereiche > 4,0V am Ende des Schnellladevorgangs eine Zelltemperatur oberhalb 35°C zu erreichen. Somit muss die im Fahrzeug zur Verfügung stehende Kühlleistung nicht zwingend auf die maximal entstehende Abwärme dimensioniert werden.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine intelligente Routenplanung vorgeschlagen, die das Ladekennfeld und daraus resultierende Ladezeiten in Abhängigkeit von SOC, SOH und Zelltemperatur berücksichtigt, um die Gesamtfahrzeit an das Ziel zu optimieren. Z.B. können Temperaturlimits, Kühlleistungsprognose, prognostizierte Verkehrsaufkommen, Entfernungen zu Schnellladestationen berücksichtigt werden, um die erreichbaren Zelltemperaturen (auch von gefahrener Geschwindigkeit vor dem Ladestopp abhängig) und SOC beim Erreichen der Schnellladestation vorauszusagen und somit die Reiseroute zu optimieren. Die errechneten Ladeleistungen, Ladezeitpunkte und Ladedauern können direkt bei einer Schnellladesäule vorab gebucht/reserviert werden.
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Der Ladestrom kann erhöht und somit die Ladedauer verkürzt werden, bei gleichzeitiger Erreichung der Lebensdauerziele. Höherer Ladestrom gerade in niedrigen SOC-Bereichen führt zu kürzeren Ladezeiten für das Elektrofahrzeug. Somit kann z.B. in den ersten 10 Minuten annähernd 50% Ladezustand erreicht werden. Zudem stellt das Ladekennfeld mit verschiedenen Degradationsbereichen sicher, dass auch bei nicht idealen Voraussetzungen für das Schnellladen der je nach Degradationsbereich maximal mögliche Ladestrom unter Beibehaltung der Lebensdauerziele gefahren wird und nach dem Schnellladevorgang eine ausreichende Fahrperformance wieder zur Verfügung steht. Bei intelligenter Routenplanung ergibt sich für den Kunden eine optimale Reiseroute (schnellste Reiseroute, billigste Reiseroute, ...). Anhand des Ladekennfeldes kann dem Kunden eine Ladedauerprognose zur Verfügung gestellt werden, wodurch er seine Ladestopps für sich optimal planen kann. Die errechneten Ladeleistungen, Ladezeitpunkte und Ladedauern können direkt bei einer Schnellladesäule vorab gebucht/reserviert werden. Die Ladeleistung ist direkt proportional zum Ladestrom und wird daher teilweise synonym verwendet.
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Generell ist State of Charge (SOC) ein Kennwert für den Ladezustand von Akkus, also der Batteriestand. Der SOC-Wert kennzeichnet die noch verfügbare Kapazität eines Akkus im Verhältnis zum Nominalwert. Der Ladezustand wird in Prozent vom vollgeladenen Zustand angegeben. 40 % bedeuten somit, dass der Akku noch eine Restladung von 40 % bezogen auf die Vollladung von 100 % hat.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt das Anpassen des Ladestroms in Abhängigkeit einer ausgemessenen Zellspannung des Energiespeichers. Dies hat den Vorteil, dass weitere Parameter berücksichtigt werden können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Degradationsbereiche bereitgestellt, welche beschreiben wie der Degradationsfaktor bezüglich Temperaturbereichen und Ladestandbereichen zu wählen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Degradationsfaktor ferner in Abhängigkeit von Temperaturlimits, einer Außentemperatur, einer Kühlleistungsprognose, eines prognostizierten Verkehrsaufkommens, einer Entfernung zu mindestens einer Ladestation, einer Entfernung zu mindestens einer Schnellladestation, einer Fahrgeschwindigkeit, einer Reiseroute und/oder einer Entfernung zu mindestens einem Zielort gewählt. Dies hat den Vorteil, dass der Ladevorgang und somit die Stromleistung anhand diverser Anwendungsszenarien situationsabhängig gestaltet werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden eine Mindesttemperatur T_min, eine Maximaltemperatur T_max, ein Mindestladestand SOC_u und ein Maximalladestand SOC_o bei der Auswahl des Degradationsfaktors berücksichtigt. Dies hat den Vorteil, dass stets ein geeigneter Ladevorgang vorherrschen kann, der sowohl die Bedürfnisse des Fahrers, zum Beispiel bei niedrigem Batteriestand, als auch die Langlebigkeit der Batterie berücksichtigt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Degradationsfaktor derart gewählt, dass ein kritischer Maximaltemperaturwert T_Grenz des Energiespeichers beim Aufladen nicht überschritten wird. Dies hat den Vorteil, dass bei Bedarf maximal aufgeladen werden kann, ohne dass hieraus eine Überhitzung und damit Reduktion der Lebensdauer des Energiespeichers stattfindet. Zudem ist hierdurch nach dem Schnellladevorgang die Fahrperformance nicht eingeschränkt
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei einer Zelltemperatur innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs, der zwischen einer Mindesttemperatur (T_min) und einer Maximaltemperatur (T_max) liegt, und wenn ein geringer Ladezustand vorherrscht (< SOC_u) der Degradationsfaktor 1. Dies hat den Vorteil, dass bei optimalen Ladebedingungen die maximale Ladeleistung bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird vorbereitend auf einen Schnellladevorgang der Energiespeicher entweder gekühlt oder erwärmt. Dies hat den Vorteil, dass der Energiespeicher während der Fahrt oder bereits beim Parken auf einen Schnellladevorgang vorbereitet werden kann.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Ladesteuerungsanordnung zum schonenden Schnellladen eines Energiespeichers, aufweisend mindestens einen Messfühler eingerichtet zum Bestimmen einer Zelltemperatur T des Energiespeichers und eines Ladestandes SOC des Energiespeichers, sowie eine Ladeeinrichtung eingerichtet zum Aufladen des Energiespeichers, wobei eine maximale Ladeleistung mittels eines Degradationsfaktors in Abhängigkeit der bestimmten Zelltemperatur, des SOH und des Ladestands angepasst ist und der Energiespeicher lediglich mit der angepassten Ladeleistung aufzuladen ist. Die Steuerung beziehungsweise das Batteriemanagement kann hierbei den Alterungszustand der Batterie (SOH) errechnen und bereitstellen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Computerprogrammprodukt mit Steuerbefehlen, welche das vorgeschlagene Verfahren implementieren beziehungsweise die vorgeschlagene Ladesteuerungsanordnung betreiben.
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Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, dass das Verfahren zum Betreiben der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Einheiten verwendet werden kann. Ferner eignen sich die vorgeschlagenen Vorrichtungen und Einheiten zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Somit implementiert jeweils die Vorrichtung strukturelle Merkmale, welche geeignet sind, das entsprechende Verfahren auszuführen. Die strukturellen Merkmale können jedoch auch als Verfahrensschritte ausgestaltet werden. Auch hält das vorgeschlagene Verfahren Schritte zur Umsetzung der Funktion der strukturellen Merkmale bereit.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Figuren Aspekte der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Ebenso können die vorstehend genannten und die hier weiter ausgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Funktionsähnliche oder identische Bauteile oder Komponenten sind teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele verwendeten Begriffe „links“, „rechts“, „oben“ und „unten“ beziehen sich auf die Zeichnungen in einer Ausrichtung mit normal lesbarer Figurenbezeichnung bzw. normal lesbaren Bezugszeichen. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließend zu verstehen, sondern haben beispielhaften Charakter zur Erläuterung der Erfindung. Die detaillierte Beschreibung dient der Information des Fachmanns, daher werden bei der Beschreibung bekannte Schaltungen, Strukturen und Verfahren nicht im Detail gezeigt oder erläutert, um das Verständnis der vorliegenden Beschreibung nicht zu erschweren. In den Figuren zeigen:
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1: ein schematisches Diagramm mit Stromgrenzen bzw. sogenannten Degradationsbereichen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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2: eine Tabelle mit Ladespannungen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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3: ein Diagramm mit Stromgrenzen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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4: ein Diagramm mit Parametern für ein Schnellladen für mehr als SOC_u, also wenn der Ladestand über SOC_u liegt, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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5: ein Diagramm mit Parametern für ein Schnellladen für weniger als SOC_u, also wenn der Ladestand unter SOC_u liegt, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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6: ein schematisches Diagramm mit Stromgrenzen bzw. sogenannten Degradationsbereichen gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung; und
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7: ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein Diagramm zur Stromdegradation gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Hierzu ist auf der y-Achse eine Zelltemperatur angetragen, welche an dem Energiespeicher messbar ist. Auf der x-Achse ist der Batteriestand SOC angetragen. Anhand der tatsächlich bestimmten Parameterwerte kann der Degradationsfaktor in Abhängigkeit der jeweiligen Kategorisierung, welche durch die Felder gegeben ist, gewählt werden.
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Ein Schnellladevorgang kann im vorliegenden Beispiel bei einem Batteriestand bis zu 80% durchgeführt werden. Dieser maximale Batteriestand wird in 1 als Grenz-SOC_o bezeichnet. Zwischen 80% und 100% erfolgt nur ein normales Laden, da der Batteriestand ausreichend gefüllt ist. Unter einem Schwellwert Grenz-SOC_u kann mit voller Leistung geladen werden, da dies notwendig ist und zudem bei niedrigem Batteriestand die schnellsten Ladefortschritte erzielt werden. Wird ein Schnellladevorgang bis 80% durchgeführt und abgeschlossen, darf gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung nicht direkt im Anschluss „normal“ weitergeladen werden, da sonst die Zellen geschädigt werden würden. Die Lithium-Oberflächenkonzentration der Aktivmaterialien in der Anode ist nach dem Schnellladen so hoch, so dass eine weitere egal wie geartete Ladung zum Plating führen kann. Bei hohen Zellspannungen steigt die Wahrscheinlichkeit, dass bei zu hohen Strömen die Speicherzellen stark geschädigt werden (Lebensdauerreduktion).
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Wie in 1 ersichtlich ist, wird auch eine Solltemperatur vorgeschlagen, welche zwischen den Parametern T_min und T_max liegt. Über der maximal vorgeschlagenen Temperatur T_max ist ein Bereich vorgesehen, bei dem in Ausnahmesituationen auch geladen werden kann, wobei jedoch zu beachten ist, dass die absolute Obergrenze der Temperatur T_Grenz nicht erreicht wird bzw. nicht überschritten wird. Oberhalb der Grenze T_Grenz nimmt der Energiespeicher sehr wahrscheinlich Schaden, was zu vermeiden ist. Die Grenztemperatur darf während dem Schnellladen nicht überschritten werden, so dass nach dem Schnellladevorgang die Fahrperformance nicht degradiert werden muss. Somit wird der Strom beim Schnellladen so degradiert, dass die Grenztemperatur asymptotisch erreicht, aber nicht überschritten werden kann.
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Unterhalb des unteren Grenz-SOC kann mit 100% Imax geladen werden, also ohne zellspannungsbezogene Stromdegradation. Eine Stromdegradation stellt generell das Reduzieren der bereitgestellten Stromleistung an den Energiespeicher dar. Dies kann also als ein Stromdrosseln verstanden werden. Somit ergeben sich wie in 1 gezeigt ist, folgende Stromdegradationsbereiche:
- 1. 0 < SOC < SOC_u, T_min < T < T_max => I = Imax, CCCV bis U_Ladeschluss
- 2. SOC_u < SOC < SOC_o, T_min < T < T_max I = Imax(U_Zelle), CCCV bis U_1, U_2, U_3, U_Ladeschluss
- 3. Wie Punkt 1. und Punkt 2., aber Strom wird zusätzlich so degradiert, dass T_Grenz asymptotisch erreicht, aber nicht überschritten wird.
- 4. T < Tmin, 0 < SOC < SOC_u: Wie unter Punkt 1., nur Strom aufgrund zu geringer Temperatur degradiert, siehe Faktoren in 6
- 5. T < T_min, SOC_u < SOC < SOC_o: Wie unter Punkt 2., nur Strom aufgrund zu geringer Temperatur degradiert, siehe Faktoren in 6
- 6. SOC >= SOC_o => I = 0
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Der Parameter CCCV steht hierbei für das IU-Ladeverfahren, auch CCCV für constant current constant voltage genannt, welches das Konstantstrom- mit dem Konstantspannungsladeverfahren verbindet. Dies ist jedoch vorliegend nicht einschränkend aufzufassen, insbesondere da vielmehr weitere Ladeverfahren erfindungsgemäß verwendet werden können.
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Erfindungsgemäß wird also eine Kombination aus Zelltemperatur, State of Charge SOC und Alterungszustand SOH bei einem Schnellladevorgang berücksichtigt. Eine Berücksichtigung von Temperatur und SOC ist an sich bereits vorteilhaft, wobei jedoch auch der Alterungszustand SOH berücksichtigt werden kann. Hinter jedem Feld der 1 steht eine eigene Betriebsart des Ladens, ein bestimmtes Stromprofil bzw. Ladeverfahren. Der Alterungszustandsfaktor kann für jedes Feld der 1 unterschiedlich sein. Gerade bei kurzer Ladezeit kann man trotz hohem Alterungszustand SOH mit Imax laden.
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2 zeigt verschiedene Spannungen U_1, U_2, U_3 und U_max, wobei Letzteres die Ladeschlussspannung bezeichnet. Die Häufigkeit des Schnellladens beträgt oft nur z.B. 10%–15% der geladenen Energiemenge bezüglich der Lebenszeit des Fahrzeugs bei einem Zelltemperaturlimit von z.B. 55–60°C während des Schnellladevorgangs. Also nur 10–15% der im Gesamtleben eines Fahrzeugs geladenen Energie kann mittels Schnellladen geladen werden. Der Maximalbatteriezustand SOC_max kann für einen Schnellladevorgang z.B. bei 80% SOC liegen. Unter einem Batteriestand von z.B. SOC = 25% kann mit 100% des Maximalstroms geladen werden. Der Maximalstrom I_max kann beispielsweise auf Zellebene 2,5–3C bei 500–550 Wh/l betragen. Die C-Rate ist ein relativer Stromwert und ist definiert als der Quotient aus der Kapazität des Hochvoltenergiespeichers in Amperestunden (Ah) geteilt durch die Entlade- oder Lade-Zeit in Stunden. Dies bedeutet, 2 C = Kapazität des Hochvoltenergiespeichers [Ah]/0,5 h. Bei einer 50Ah Zelle bedeuten 2C einen Strom von 100A. Die in 2 gezeigten Spannungen U1, U2, U3 und U_max finden in 3 Anwendung.
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3 zeigt ein Diagramm, welches einen Ladevorgang beschreibt bzw. Stromgrenzen in Bezug zu einem Maximalstrom setzt. Hierzu ist auf der y-Achse der Strom in Prozent des Maximalstroms angetragen. An der x-Achse sind Spannungen U1, U2, U3 und U_max angetragen. So kann beispielsweise bis U_1 CC geladen werden, dann kann eine Stromreduktion erfolgen, dann kann bis U_2 CC geladen werden, dann kann eine Stromreduktion erfolgen, dann kann bis U_3 CC geladen werden, dann kann eine Stromreduktion erfolgen, dann CC geladen werden bis U_Ladeschluss, dann erfolgt gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung die CV-Phase. CV-Schritte sind nur eine Möglichkeit den Strom zu reduzieren. Reduktion des Stromes durch sprunghafte Stromstufen oder monoton fallend Stromdegradation auf einen der Schwellspannungen (U_1, U_2, U_3) oder CV-Schritte kann ebenfalls erfolgen: eine Regelung des Ladestroms auf die jeweilige Schwellspannung (U_1, U_2, U_3) bis der für die jeweilige Schwellspannung (U_1, U_2, U_3) zugeordnete Strom erreicht ist, ist ebenfalls vorteilhaft. Die Schwellspannungen U_1, U_2, U_3 sind beispielhaft in 2 gezeigt. Ein oberes Temperaturlimit T_max für Schnellladen mit 100% I_max kann bei 50°C liegen und ein unteres Temperaturlimit T_min für Schnellladen mit 100% I_max bei ca 20°C.
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4 zeigt ein Diagramm mit Parametern für ein Schnellladen oberhalb SOC_u, z.B. 25% SOC gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Hierzu ist im vorliegenden Diagramm der ideale Verlauf während des Schnellladens im oberen Teil eingezeichnet. Bei den Stromstufen kann jeweils ein CV-Schritt erfolgen. Ein CV-Schritt ist jedoch nur eine Möglichkeit den Strom zu reduzieren und ist daher nicht einschränkend auszulegen. Eine Reduktion des Stromes durch sprunghafte Stromstufen oder monoton fallend Stromdegradation auf eine der Schwellspannungen (U_1, U_2, U_3) oder CV-Schritte ist ebenfalls möglich: eine Regelung des Ladestroms auf die jeweilige Schwellspannung (U_1, U_2, U_3) bis der für die jeweilige Schwellspannung (U_1, U_2, U_3) zugeordnete Strom erreicht ist wird somit ebenfalls vorgeschlagen.
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Um maximales Potential bezüglich Ladestrom beim Schnellladen zu nutzen, muss die Zelltemperatur am Ende des Schnellladevorgangs auf ca. 40°C steigen. Je nach gewähltem Ladevorgang (z.B. nur 5 Minuten-Laden) muss hier evtl. auch geheizt werden. Die verfügbare Kühlleistung muss gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden und ebenso der Alterungszustand der Zellen (SOH). Die Kühlungsstrategie muss gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung während des Schnellladens auch an die Zustandsparameter (T, SOC, gewählter Ladevorgang) angepasst werden, um den Temperaturanstieg auf z.B.40°C zu ermöglichen. Die beim Schnellladen entstehende Abwärme wird vermutlich nicht zu 100% abgekühlt werden können. Um die thermische Masse des Speichers zu nutzen, sollte der HVS zu Beginn des Schnellladevorgangs auf 20–25°C temperiert sein (Vorkonditionieren).
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Erfindungsgemäß werden die Degradationsfaktoren derart gewählt, dass die resultierende Ladeleistung die vorhandene Temperatur des Energiespeichers berücksichtigt. Die Stromstärke wird also in Abhängigkeit von der Temperatur gewählt I(T).
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5 zeigt, dass unter dem Batteriestand SOC_min, welcher beispielhaft bei 25% liegt, stets mit voller Ladeleistung I_max geladen werden kann. Hierbei herrscht auch eine optimale Temperatur zwischen T_min und T_max vor. Somit kann mit 100% des Maximalstroms geladen werden, unabhängig von der Zellspannung.
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6 zeigt Stromdegradationsparameter, also diejenigen Faktoren, um die ein Stromfluss gegebenenfalls gedrosselt werden muss. Dieser Faktor ist jeweils von der Temperatur abhängig, wie sie in der linken Spalte angetragen ist. Die temperaturabhängige Degradation unterhalb 25°C von I_max ist abhängig von der jeweiligen Zelle, also dem Material, Format und/ oder Design.
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Somit wird ein Verfahren zum schonenden Schnellladen eines Energiespeichers vorgeschlagen, aufweisend die Schritte des Bestimmens einer Zelltemperatur des Energiespeichers (optional eines Alterungszustands) und eines Ladestands des Energiespeichers sowie eines Aufladens des Energiespeichers, wobei eine maximale Ladeleistung mittels eines Degradationsfaktors in Abhängigkeit der bestimmten Zelltemperatur (optional eines Alterungszustands) und des Ladestands angepasst wird und der Energiespeicher lediglich mit der angepassten Ladeleistung aufgeladen wird.
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Die Stromdegradationsparameter gemäß 6 zeigen nur Beispielwerte und können in Bereichen definiert werden. Die hier genannten Werte sind die typischen Werte. Zum Beispiel können die Bereiche auch wie folgt gewählt werden: 20°C Faktor 0,8–1; 15°C: 0,5–0,9; 10°C: 0,35–0,7; 5°C: 0,25–0,55; 0°C: 0,15–0,45; –5°C: 0,05–0,35; –10°C: 0–0,25; –20°C: 0–0,15; –25°C: 0–0,1; –30°C: 0–0,05; –35°C: 0–0,05 und –40°C: 0–0,05.
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7 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung. Insbesondere zeigt 7 ein Verfahren zum schonenden Schnellladen eines Energiespeichers, aufweisend die Schritte des Bestimmens 100 einer Zelltemperatur des Energiespeichers (optional eines Alterungszustands zur Festlegung der Initialen Degradationsfaktoren) und eines Ladestandes des Energiespeichers sowie eines Aufladens 101A des Energiespeichers, wobei eine maximale Ladeleistung mittels eines Degradationsfaktors in Abhängigkeit der bestimmten Zelltemperatur und des Ladestands angepasst 101B wird und der Energiespeicher lediglich mit der angepassten Ladeleistung aufgeladen wird.
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Hierbei ist es vorteilhaft, dass der Verfahrensschritt 101B vor und während eines Ladens durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann erst die maximale Ladeleistung mittels eines Degradationsfaktors in Abhängigkeit der bestimmten Zelltemperatur (optional eines Alterungszustands) und des Ladestands angepasst werden und kann dann geladen werden. Es kann jedoch auch erst geladen werden und währenddessen die Stromstärke angepasst werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum schonenden Schnellladen eines Energiespeichers vorgeschlagen, aufweisend die Schritte eines Bestimmens 100 einer Zelltemperatur T des Energiespeichers und eines Ladestands SOC des Energiespeichers, und eines Aufladens 101A des Energiespeichers, wobei ein Bestimmen 101B eines Degradationsfaktors zum Anpassen einer Ladeleistung in Abhängigkeit der bestimmten Zelltemperatur T und des Ladestands SOC durchgeführt wird, wobei der Energiespeicher lediglich mit der angepassten Ladeleistung aufgeladen wird. 7 zeigt eine alternative Auslegung dieses Verfahren. Hierbei können die Verfahrensschritte des Aufladens 101A und des Bestimmens 101B parallel oder in anderer Reihenfolge ausgeführt werden. Somit erfolgt ein Bestimmen des Faktors und dann wird die Ladeleistung angepasst. Da sich beim Laden die Temperatur und der SOC verändern, erfolgt dann wieder ein Bestimmen und ein Aufladen.
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Das Verfahren kann mindestens teilweise jeweils von einem Fahrerassistenzsystem oder einer Bordsteuerung ausgeführt werden. Zumindest mehrere Fahrerassistenzsysteme können in ihrem Zusammenwirken das erfindungsgemäße Verfahren implementieren. Daher wird eine Systemanordnung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, aufweisend mindestens zwei Fahrerassistenzsysteme. Somit ist die vorliegende Erfindung auch gerichtet auf ein Fahrerassistenzsystem sowie auf eine Systemanordnung.
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Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls gerichtet auf ein Fahrzeug aufweisend das vorgeschlagene Fahrerassistenzsystem oder die Bordsteuerung. Somit wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches die beschriebene Systemanordnung aufweist. Manche Berechnungen könnten auch außerhalb des Fahrzeuges in einer Cloud oder im Backend berechnet werden. Das Fahrzeug schickt z.B. die Fahrzeugdaten an das Backend, wo der Ladeplan errechnet wird und worüber dann die Ladesäule gebucht und/ oder reserviert wird.
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Vorliegend nicht gezeigt ist ein Datenspeicher oder ein computerlesbares Medium mit einem Computerprogrammprodukt aufweisend Steuerbefehle, welche das vorgeschlagene Verfahren implementieren bzw. die vorgeschlagene Systemanordnung betreiben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014002973 A1 [0002]
- DE 112013005216 T5 [0003]
- DE 102010011704 A1 [0004]
