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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines zumindest auch elektromotorisch antreibbaren Fahrzeugs. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Auflade-Management-System zur Durchführung des Verfahrens.
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Aufgrund knapper werdender fossiler Rohstoffe und der damit zumindest mittel- und langfristig zu erwartenden steigenden Preise für Brennstoffe auf Basis derartiger Rohstoffe sowie aufgrund der anthropogen verursachten Kohlendioxid-Emissionen und der damit einhergehenden Auswirkungen auf das Klima der Erde ist in den vergangenen Jahren zunehmend das Thema „Elektromobilität” in den Fokus des Interesses geraten. Bezüglich der mittlerweile erhältlichen Elektrofahrzeuge, bei denen als Energiequelle eine sog. Traktionsbatterie zum Einsatz kommt, mangelt es in vielen Märkten jedoch noch an einer ausreichenden Kaufbereitschaft durch die Kunden.
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Eine Ursache hierfür könnte darin zu suchen sein, dass insbesondere rein elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge, bei denen als Traktionsbatterie derzeit wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien (Akkumulatoren) zum Einsatz kommen, im Vergleich zu Fahrzeugen mit einer Verbrennungskraftmaschine pro „Tankladung” (d. h. in diesem Fall pro Batterieladung) nur eine vergleichsweise geringe Reichweite aufweisen.
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Auch bestehen Vorbehalte in Bezug auf das Alterungsverhalten (kalendarische Alterung und Zyklenfestigkeit) von Lithium-Ionen-Batterien. Eine vorzeitige Alterung, d. h. eine spürbare Verringerung von deren Kapazität nach bspw. bereits 100.000 km, würde bei einem rein elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug einen Austausch der Traktionsbatterie erforderlich machen, was mit nicht unerheblichen Kosten verbunden wäre. Und bei einem zumindest auch elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug, etwa einem Plug-In-Hybrid-Fahrzeug oder einem seriellen Hybrid-Fahrzeug, würde eine Traktionsbatterie mit einer verringerten Kapazität zur Folge haben, dass die Verbrennungskraftmaschine häufiger als anfänglich erforderlich betrieben werden muss, was einen unerwünschten, erhöhten Kraftstoffverbrauch zur Folge hätte.
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In Bezug auf ein möglichst optimales, d. h. möglichst langsames Alterungsverhalten von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien von zumindest auch elektromotorisch antreibbaren Fahrzeugen (reine batterieelektrische Fahrzeuge, Plug-In-Hybrid-Fahrzeuge, serielle Hybridfahrzeuge, etc.; die im nachfolgenden lediglich der sprachlichen Einfachheit halber gemeinsam als ”Elektrofahrzeug(e)” bezeichnet werden) ergibt sich insbesondere bei Fahrzeugen, die von Privatleuten genutzt werden das Problem, dass das zukünftige Nutzungsprofil bei Auslieferung eines Elektrofahrzeugs unbekannt ist bzw. sich dieses während der Lebensdauer des Elektrofahrzeugs stark verändern kann. Demgegenüber kann bei Nutzfahrzeugen das Nutzungsprofil entsprechend bspw. einem Fahrplan, einem Klimadiagramm, einer Stadt, einem Kundenprofil vergleichsweise genau vorhergesagt werden und kann dementsprechend das Batteriesystem eines (auch) elektromotorisch angetriebenen Nutzfahrzeugs entsprechend dem zu erwartenden Nutzungsprofil ausgelegt werden.
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Bei privat genutzten Elektrofahrzeugen muss das Batteriesystem dagegen so ausgelegt werden, dass dieses in der Lage ist, die gesamte Bandbreite an möglichen Nutzungsszenarien sicher abzudecken.
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Daher wird bei der Auslegung von Batteriesystemen und Ladeverfahren von ganz oder überwiegend privat genutzten Elektrofahrzeugen herkömmlicherweise davon ausgegangen, dass ein Nutzer eines solchen Fahrzeugs zum einen möglichst rasche Ladevorgänge bis hin zur Vollladung erwartet, und zum anderen nicht bekannt ist, welche Zeitdauer für einen Ladevorgang zur Verfügung steht.
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Vor diesem Hintergrund werden die Batteriemanagement-Systeme von ganz oder überwiegend privat genutzten Elektrofahrzeugen derzeit standardmäßig dahin ausgelegt, die Traktionsbatterie, sobald das Elektrofahrzeug an eine elektrische Stromquelle zum Wiederaufladen seiner Traktionsbatterie angeschlossen ist, so rasch wie es die Leistungsfähigkeit der elektrischen Stromquelle und/oder die Spezifikation der Traktionsbatterie zulassen, ausgehend von dem zu Beginn des Ladevorgangs gegebenen Ladezustand (SOC = State Of Charge) vollzuladen (SOC bis nahe oder bis 100%) und diesen Vollladungszustand (und den damit verbundenen hohen SOC) bis zum Trennen der Traktionsbatterie von der elektrischen Stromquelle aufrecht zu erhalten. Eine Ausnahme bilden nur sog. Schnellladestationen, bei denen eine Traktionsbatterie mit sehr großen Stromstärken sehr rasch, d. h. etwa innerhalb von 30 bis 40 Minuten, aber dafür nur bis zu etwa 80% ihrer Kapazität aufgeladen wird.
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Diese Herangehensweise und Auslegung von Batteriesystemen hat zur Folge, dass für sehr viele Nutzerszenarien die entsprechenden Einbauten in Batterien, wie bspw. Kühlung, Heizung, anderweitige Temperatur-Regelungen, Sicherheitseinrichtungen, Schnellladeverfahren, Sicherheitseinrichtungen, tendenziell überdimensioniert sind.
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Wie Fachleuten bekannt ist, sind ein hoher SOC (bspw. 85% und höher), wenn er wiederholt über längere Zeiträume beibehalten wird, und eine (sehr) rasche Aufladung einer Traktionsbatterie Ursachen für eine beschleunigte Alterung bei derzeit verfügbaren Traktionsbatterien auf Basis von Lithium-Ionen-Technologie.
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So sorgt die ”kompromissbereite” Auslegung aller entsprechenden Komponenten und Verfahren für die Traktionsbatterie für alle möglichen denkbaren Nutzerszenarien auch dafür, dass sich die Alterung der Traktionsbatterien tendenziell nur im Mittelfeld bewegt. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass für keinen Nutzer bzw. kein Nutzerszenarium ein Optimum gefunden wird in Bezug auf Reichweite, Lebensdauer und elektrochemischer Leistungsfähigkeit, d. h. Motorleistung.
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Um die Lebensdauer von Traktionsbatterien zu optimieren sind aus dem Stand mehrere Lösungsvorschläge bekannt. So schlägt etwa die
US 2013/0221928 A1 vor, bei einem Elektrofahrzeug verschiedene Betriebsmodi vorzusehen, etwa einen ”Batterie-Lebensdauer-Modus” und einen ”Standard-Modus”, wobei der gewünschte Betriebsmodus von einem Nutzer des Elektrofahrzeugs bspw. mittels eines Schalters gewählt werden kann. Beim ”Batterie-Lebensdauer-Modus” sind im Vergleich zum ”Standard-Modus” bspw. ein geringerer maximaler SOC beim Aufladen der Traktionsbatterie und eine geringere Ladestromstärke vorgesehen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Optimierung der Lebensdauer von Traktionsbatterien besteht darin, bereits eingetretene Alterungserscheinungen zumindest teilweise wieder zu ”heilen”. Hierzu ist etwa aus der
DE 10 2015 109 497 A1 bekannt, bei einer Traktionsbatterie, die im Vergleich zum Neuzustand eine verringerte Kapazität aufweist, eine ”gesteuerte Überentladung” durchzuführen, bei der die Traktionsbatterie so weit entladen wird, dass die Batteriespannung niedriger ist als die vom Hersteller spezifizierte Entladeschlussspannung, so dass sich relative Lithiierungsgrade, die mit positiven und negativen Elektroden der Batterie assoziiert sind, für mindestens einen Ladezustand ändern, was eine Erhöhung der Batterieladekapazität bewirkt.
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An diesen Lösungsvorschlägen aus dem Stand der Technik ist nachteilig, dass entweder bei einem ”Batterie-Lebensdauer-Modus” gemäß der
US 2013/0221928 A1 nicht die maximal mögliche Kapazität, d. h. nicht die maximal mögliche Reichweite des Elektrofahrzeugs zu Verfügung steht, oder bei dem aus der
DE 10 2015 109 497 A1 bekannten Verfahren eine rasche Verringerung der anfänglich zur Verfügung stehenden Kapazität einer Traktionsbatterie aufgrund von wiederholten Lade- und Entladevorgängen billigend in Kauf genommen wird, und im Nachhinein versucht wird, eingetretene Alterungserscheinungen zu reparieren.
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Vorteilhafter wäre es hingegen, ein ”intelligentes” Ladeverfahren zur Verfügung zu haben, mit dem zum einen eine Vollladung der Traktionsbatterie erreicht wird und zum anderen dadurch bedingte Alterungserscheinungen bei der Traktionsbatterie im Vergleich zum Stand der Technik zumindest deutlich verringert würden.
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Diese sich aus dem vorhergehenden Absatz ergebende Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und das Auflade-Management-System gemäß Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines zumindest auch elektromotorisch antreibbaren (Kraft) Fahrzeugs (Elektrofahrzeugs) vorgeschlagen, das mit einer elektrischen Stromquelle zum Aufladen der Traktionsbatterie elektrisch verbunden ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Steuern des Aufladevorgangs mittels eines Auflade-Management-Systems des Fahrzeugs in Abhängigkeit von einer ersten oder zweiten Fahrertypklasse, der der Fahrer des Fahrzeugs in einem Vorverfahren zugeordnet wurde, derart, dass
- – bei einem Aufladevorgang entsprechend der ersten Fahrertypklasse unmittelbar nach dem elektrischen Verbinden des Fahrzeugs mit der elektrischen Stromquelle die Traktionsbatterie so rasch wie technisch möglich bis zu einem Ladezustand (SOC) im Bereich von etwa 50% bis etwa 60% aufgeladen wird, und die weitere Aufladung der Traktionsbatterie mit einer batterieschonenden Ladestromstärke durchgeführt und rückwärts gesteuert zu einem Zeitpunkt begonnen wird, aufgrund dessen erst kurz vor einem prognostizierten Ende der Ruhezeit ein Volladezustand der Traktionsbatterie erreicht wird, und
- – bei einem Aufladevorgang gemäß der zweiten Fahrertypklasse die Aufladung der Traktionsbatterie mit einer batterieschonenden Ladestromstärke durchgeführt und rückwärts gesteuert zu einem Zeitpunkt begonnen wird, aufgrund dessen erst kurz vor einem prognostizierten Ende der Ruhezeit ein Volladezustand der Traktionsbatterie erreicht wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich die Vorteile, dass ein hoher Ladezustand der Traktionsbatterie nur durch Anwendung einer (möglichst) batterieschonenden Ladestromstärke erreicht wird und (zumindest mit einer hohen Wahrscheinlichkeit) dieser, für die Lebensdauer der Traktionsbatterie nicht vorteilhafte hohe Ladezustand der Traktionsbatterie nur für einen vergleichsweise kurzen Zeitraum gegeben ist, da dieser hohe Ladezustand regelmäßig erst kurz vor Ende der Ruhezeit des Fahrzeugs erreicht wird.
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Unter einer ”so rasch wie technisch möglichen” Teilaufladung der Traktionsbatterie ist hier zu verstehen, dass sich die Ladegeschwindigkeit an der maximal möglichen Ladegeschwindigkeit orientieren kann, wobei in vielen Fällen eine ”Steckdose im Haus” oder eine häusliche wall-box der limitierende Faktor sein kann. Unter einer ”batterieschonenden” Ladestromstärke ist eine zu verstehen, die nicht höher liegt als die vom Hersteller spezifizierte Ladestromstärke für Standardladevorgänge, oder bevorzugt eine darunter liegende Ladestromstärke (bspw. im Bereich von 0,05C bis 0,5C).
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis des Erfinders, dass auf Grundlage einer Analyse von Nutzerdaten von Elektrofahrzeugen deren Fahrer sehr diskret zwei unterschiedlichen Gruppen zugeordnet werden können, bei denen sich auch unterschiedliche Alterungsverläufe der Traktionsbatterien ergeben:
- a) Bei einer ersten Gruppe von Fahrern neigt die Traktionsbatterie zu einem (sehr) raschen Altern (engl.: high fader). Bei dieser ersten Gruppe von Fahrern wird das Fahrzeug über vergleichsweise viele Tageskilometer bewegt und dies mit einer vergleichsweise dynamischen Fahrweise, wobei regelmäßige Ruhezeiten in der Nacht gegeben sind. Tendenziell trennt sich diese Gruppe von Fahrern nach vergleichsweise kurzer Haltezeit von dem Fahrzeug.
- b) Bei einer zweiten Gruppe von Fahrern neigt die Traktionsbatterie zu einem (sehr) langsamen Altern (engl.: low fader). Bei dieser Gruppe von Fahrern wird das Fahrzeug über vergleichsweise wenige Tageskilometer bewegt und dies mit einer eher kontinuierlichen und defensiven Fahrweise. Bei dieser zweiten Gruppe von Fahrern sind regelmäßig auch längere Ruhezeiten gegeben als bei der ersten Gruppe. Die Haltezeit des Fahrzeugs ist bei dieser Gruppe von Fahrern deutlich länger als bei der ersten Gruppe.
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Die Unterschiede in Bezug auf Tageskilometer und Fahrstil werden gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Einteilung der Fahrer des Fahrzeugs in eine von zwei Gruppen verwendet, indem
- – mittels fahrzeugseitiger Mittel über einen mehrtägigen Zeitraum (bspw. 10 bis 21 Tage) oder über einen Zeitraum von 7 bis 15 Ladezyklen (bspw. 10 Ladezyklen) ermittelt wird, welche Streckenlänge das Fahrzeug gemittelt pro Tag zurücklegt und welche gemittelten Beschleunigungswerte dabei bei den positiven und negativen Beschleunigungsvorgängen auftreten; und danach
- – der Fahrer des Fahrzeugs mittels fahrzeugseitiger Mittel einer von zwei Fahrertypklassen zugeordnet wird, wobei der Fahrer des Fahrzeugs einer ersten Fahrertypklasse zugeordnet wird, wenn das Fahrzeug über den Mehrtageszeitraum oder den Zeitraum von 7 bis 15 Ladezyklen pro Tag gemittelt mehr als eine jeweils vorgebbare Streckenlänge zurücklegt und dabei die gemittelten Beschleunigungswerte für positive und/oder negative Beschleunigungsvorgänge über einem vorgebbaren Schwellenwert liegen, und der Fahrer des Fahrzeugs einer zweiten Fahrertypklasse zugeordnet wird, wenn das Fahrzeug über den Mehrtageszeitraum oder den Zeitraum von 7 bis 15 Ladezyklen gemittelt pro Tag gleich oder weniger als die vorgebbare Streckenlänge zurücklegt und dabei die gemittelten Beschleunigungswerte für positive und/oder negative Beschleunigungsvorgänge den vorgebbaren Schwellenwert nicht übersteigt.
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Da für das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auch die Ruhezeiten des Fahrzeugs berücksichtigt werden müssen, ist gemäß dieser ersten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens weiter vorgesehen, dass
- – mittels fahrzeugseitiger Mittel über den mehrtägigen Zeitraum oder über einen Zeitraum von 7 bis 15 Ladezyklen ermittelt wird, zu welcher Tageszeit und über welche Zeiträume hinweg das Fahrzeug nicht benutzt wird.
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Soweit in der vorliegenden Anmeldung von ”fahrzeugseitigen Mitteln” gesprochen wird, sind darunter die Fachleuten bekannten Mess- und Regeleinrichtungen, Sensormittel (etwa für Längs- und Querbeschleunigung, Lenkbewegungen, Stärke der Betätigung von Brems- und Gaspedal, etc.), digitale Recheneinrichtungen, digitale Speichereinrichtungen, Zeitmesseinrichtungen, etc. zu verstehen, mit denen die vorliegende Erfindung in technisch vorteilhafter Weise realisiert werden kann. Da diese ”fahrzeugseitigen Mittel” und deren mögliches Zusammenwirken Fachleuten bekannt ist, braucht in dieser Anmeldung hierauf nicht näher eingegangen zu werden.
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Da gerade bei privat genutzten Elektrofahrzeugen vergleichsweise häufig ein Besitz- oder Fahrerwechsel stattfindet, ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die Ermittlung der zurückgelegten Streckenlänge pro Tag, die Ermittlung, welche gemittelten Beschleunigungswerte dabei bei den positiven und negativen Beschleunigungsvorgängen auftreten, und die Ermittlung, zu welcher Tageszeit und über welche Zeiträume hinweg das Fahrzeug nicht benutzt wird, in vorgebbaren Zeitabständen oder kontinuierlich wiederholt wird und gegebenenfalls die Zuordnung des Fahrers zu einer der zwei Fahrertypklassen und damit auch das Ladeverfahren angepasst wird.
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Auch kann bei privat genutzten Elektrofahrzeugen oftmals eine Benutzung durch mehrere Fahrer innerhalb von wenigen Tagen gegeben sein. Da sich das erfindungsgemäße Verfahren oder eines seiner vorteilhaften Weiterbildungen aber an dem Fahrertyp des ”Hauptfahrers” orientieren muss, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass bei Mehrnutzerfahrzeugen ein Hauptfahrer mittels eines Identifizierungsverfahrens ermittelt wird, und die Streckenlänge, die das Fahrzeug über den Mehrtageszeitraum oder über einen Zeitraum von 7 bis 15 Ladezyklen hinweg gemittelt pro Tag mit dem Hauptfahrer zurücklegt und welche gemittelten Beschleunigungswerte dabei bei den positiven und negativen Beschleunigungsvorgängen auftreten, für die Einteilung des Fahrers des Fahrzeugs in eine der zwei Fahrertypklassen und damit auch für die Anwendung des jeweiligen Ladeverfahrens verwendet wird.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt, mit denen verschiedene Nutzer eines Fahrzeugs erkannt werden können. Beispielsweise kann je eine von mehreren existierenden Zugangs- und Fahrberechtigungseinrichtungen für das Fahrzeug (Schlüssel oder Key-Cards) je einem bestimmten Fahrer zugeordnet sein, es kann eine Fahrererkennung durch Kopplung einer fahrzeugseitigen Einrichtung mit dem Smartphone eines Nutzers vorgesehen bzw. möglich sein, es kann eine Fahrererkennung mittels Gesichtserkennung und/oder Stimmerkennung erfolgen bzw. möglich sein, etc.
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Und als ”Hauptfahrer” kann bspw. derjenige Fahrer festgelegt werden, der innerhalb eines betrachteten Zeitraums von mehreren Tagen oder den mehreren Ladezyklen die meisten Kilometer mit dem Fahrzeug zurückgelegt hat.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass als Vollladezustand ein SOC von nicht mehr als 85% des vom Hersteller angegebenen maximalen Ladezustands vorgegeben wird, um die kalendarische Alterung der Traktionsbatterie zu minimieren.
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Selbstverständlich kann vorgesehen sein, dass ein Nutzer eines Elektrofahrzeugs einen höheren SOC für die Vollladung einstellen bzw. vorgeben kann, bspw. wenn er bereits absehen kann, dass nach einer Vollladung eine sehr weite Strecke zurückgelegt werden muss, die bspw. nur mit einem SOC von 100% ohne zwischenzeitliche Aufladung der Traktionsbatterie bewältigt werden kann. Eine solche Einstellung bzw. Vorgabe eines höheren SOC als etwa 85% kann entweder nur für einen Aufladevorgang vorgesehen sein, oder so lange gelten, bis ein Nutzer diese Einstellung bzw. Vorgabe wieder ändert oder rückgängig macht. Auch kann vorgesehen sein, dass eine Nutzer des Elektrofahrzeugs auf die Einstellung oder Vorgabe eines hohen SOC zu Beginn einer Fahrt nach Beendigung des Aufladevorgangs hingewiesen wird (bspw. optisch und/oder akustisch) und es kann weiter optional vorgesehen sein, dass der Nutzer diese Einstellung oder Vorgabe bestätigen muss, damit diese auch beim nächsten Aufladevorgang berücksichtigt wird.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass nach dem Verbinden des Elektrofahrzeugs mit der elektrischen Stromquelle und vor einem Ladevorgang der Traktionsbatterie ein Verfahren zur Revitalisierung und Kapazitätserhöhung durchgeführt wird, wie es bspw. in der oben erwähnten
DE 10 2015 109 497 A1 beschrieben ist.
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Bei einem anderen, vom Erfinder der vorliegenden Erfindung aufgefundenen Verfahren zur Revitalisierung und Kapazitätserhöhung von Traktionsbatterien, das auch bei dem vorliegenden Ladeverfahren in besonders vorteilhafter Weise anwendbar ist, wird ermittelt, ob die wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen der Traktionsbatterie einen vorgegebenen Wert für die Zellspannung im Bereich von 3,0 Volt bis 3,1 Volt aufweisen, und werden für den Fall, dass die wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen eine von dem vorgegebenen Wert abweichende Zellspannung aufweisen, die wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen soweit entladen oder aufgeladen, bis deren Zellspannung den vorgegebenen Wert erreicht hat; und danach werden die wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen bei dem vorgegebenen Wert für die Zellspannung über eine Zeitdauer von 6 bis 24 Stunden, bevorzugt über eine Zeitdauer von 6 bis 10 Stunden gehalten.
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Bei diesem Verfahren zur Revitalisierung und Kapazitätserhöhung von Traktionsbatterien wird in vorteilhafter Weise
- – bei dem Halten der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen bei dem vorgegebenen Wert für die Zellspannung eine Zellspannung von 3,0 Volt nicht unterschritten;
- – das Halten der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen bei dem vorgegebenen Wert für die Zellspannung bei einer Temperatur im Bereich von 0°C und 30°C durchgeführt, und
- – die Durchführung des Verfahrens jeweils nach einem Zeitraum von etwa 30 Tagen bis etwa 180 Tagen wiederholt.
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Da für das vom Erfinder der vorliegenden Erfindung aufgefundene Verfahren zur Revitalisierung und Kapazitätserhöhung von Traktionsbatterien ein Halten der Batteriezellen auf der vorgegebenen Zellspannung im Bereich von 3,0 Volt bis 3,1 Volt über einen Zeitraum von wenigstens 6 Stunden erforderlich ist, um seine positiven Wirkungen zu zeigen, kann ein solcher Verfahrensschritt sinnvollerweise nur dann automatisch durchgeführt werden, wenn unter Berücksichtigung der zu erwartenden Ruhezeit des Elektrofahrzeugs noch ausreichend Zeit für den erfindungsgemäßen Aufladevorgang bis hin zur Vollladung unter Anwendung einer batterieschonenden Ladestromstärke zur Verfügung steht.
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Diesbezüglich kann etwa vorgesehen sein, dass für den Fall, dass einem Nutzer eines Elektrofahrzeugs bekannt ist, dass er das Elektrofahrzeug für einen längeren Zeitraum nicht nutzen wird, bspw. für mehr als 18, 20 oder 24 Stunden, dieser einen ”verlängerten Ruhezeitraum” und/oder die Länge des verlängerten Ruhezeitraums bei dem Fahrzeug eingeben kann, so dass in einem solchen Fall von dem Auflade-Management-System im Bedarfsfalle neben dem Aufladevorgang gemäß der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zur Revitalisierung und Kapazitätserhöhung der Traktionsbatterie durchgeführt werden kann.
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Von der vorliegenden Erfindung umfasst ist auch ein Auflade-Management-System für eine Traktionsbatterie eines zumindest auch elektromotorisch antreibbaren Fahrzeugs (Elektrofahrzeugs), das dadurch gekennzeichnet ist, dass es zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner vorteilhaften Weiterbildungen eingerichtet ist.
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Das Auflade-Management-System kann in vorteilhafter Weise Bestandteil eines Batterie-Management-Systems einer Traktionsbatterie sein. Das Auflade-Management-System kann in Form von Software bei dem Batterie-Management-System implementiert sein, oder als diskrete Baueinheit (etwa in Form einer digitalen Recheneinrichtung mit Speicher, Ein- und Ausgängen, etc.).
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren 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.
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Dabei zeigen:
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1 Eine graphische Darstellung von beispielhaften Verläufen der Aufladeverfahren gemäß dem ersten und zweiten Fahrertyp im Vergleich zu einem konventionellen Ladeverfahren;
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2 eine graphische Darstellung von beispielhaften Verläufen von Aufladeverfahren gemäß dem ersten und zweiten Fahrertyp, bei denen zusätzlich das vom Erfinder vorgeschlagene Verfahren zur Revitalisierung und Kapazitätserhöhung der Traktionsbatterie durchgeführt wird;
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3 eine graphische Darstellung eines typischen Verlaufs der Alterung von Batteriezellen bei Anwendung des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens für die erste Fahrertypklasse und konventionellen Ladeverfahren.
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1 zeigt einen beispielhaften Verlauf bei einem konventionellen Ladeverfahren (rasches Aufladen vom anfänglichen SOC bis zur Vollldadung, hier SOC 100%, und Halten des SOC über einen längeren Zeitraum bis zum Ende der Ruhephase); den beispielhaften Verlauf bei einem erfindungsgemäßen Ladeverfahren für die erste Fahrertypklasse (rasches Aufladen vom anfänglichen SOC bis zu einem SOC von etwa 60%, Halten des SOC von etwa 60% so lange, wie für ein rückwärts gesteuertes, d. h. von dem prognostizierten Ende der Ruhezeit aus betrachtet, ein batterieschonendes Aufladen bis zur Vollladung, hier beispielhaft auf einen SOC von etwa 85%, möglich ist); und den beispielhaften Verlauf bei einem erfindungsgemäßen Ladeverfahren für die zweite Fahrertypklasse (Beibehalten des anfänglichen SOC so lange, wie für ein rückwärts gesteuertes, d. h. von dem prognostizierten Ende der Ruhezeit aus betrachtet, ein batterieschonendes Aufladen bis zur Vollladung, hier beispielhaft auf einen SOC von 100%, möglich ist).
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2 zeigt Beispiele des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens, die ab einer Zeitdauer von 8 Stunden ab dem Verbinden des Elektrofahrzeugs mit der elektrischen Stromquelle grundsätzlich denjenigen von 1 entsprechen. Für die Zeitspanne von 0 Stunden bis 8 Stunden ab dem Verbinden des Elektrofahrzeugs mit der elektrischen Stromquelle zeigt 2 einen beispielhaften Verlauf des SOC der Traktionsbatterie, genauer der Batteriezellen der Traktionsbatterie bei Durchführung des oben erwähnten, vom Erfinder der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Verfahren zur Revitalisierung und Kapazitätserhöhung der Batteriezellen. Da bei den in 2 gezeigten Beispielen die Zellspannung der Batteriezellen beim Verbinden mit der elektrischen Stromquelle höher ist als 3,0 bis 3,1 V, erfolgt in einem ersten Schritt eine Entladung der Batteriezellen auf einen SOC, bei dem die erforderliche Zellspannung gegeben ist. Bei den in 2 gezeigten Beispielen wird diese Zellspannung bzw. der entsprechende SOC für etwa 7 Stunden beibehalten. Sollte eine längere Ruhephase zur Verfügung stehen, kann diese Zellspannung bzw. der entsprechende SOC selbstverständlich auch noch länger aufrechterhalten werden.
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Bei regemäßiger Anwendung des hier beschriebenen Revitalisierungsverfahrens können Alterungsvorgänge zum größten Teil wieder rückgängig gemacht werden, d. h. etwa 80% der Alterungsvorgänge können aufgehoben werden.
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3 zeigt die positiven Auswirkungen des hier vorgeschlagenen Aufladeverfahrens auf den Alterungszustand (State of Health) von Traktionsbatterien anhand von Aufladungszyklen gemäß dem ersten Fahrertyp. Nicht nur bei einer erfindungsgemäßen raschen Erhöhung des SOC um 25% ausgehend vom anfänglich gegebenen SOC, sondern auch bei einer erfindungsgemäßen raschen Erhöhung des SOC um 50% ausgehend vom anfänglichen SOC ergeben sich über einen betrachteten Zeitraum von 100 Monaten deutlich verbesserte ”Gesundheitszustände” (State of Health) bei den Traktionsbatterien (Puma-Pouch-Format; Ladegeschwindigkeit jeweils 3C).
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Durch die vorliegende Erfindung wird für das Ladeverfahren von Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen, insbesondere für solche, die überwiegend privat verwendet werden, sowohl der Fahrertyp als auch die Terminplanung der Fahrer berücksichtigt und diese Kriterien in neuartiger Weise für das hier offenbarte Ladeverfahren verwendet, wodurch sowohl die kalendarische als auch die zyklische Lebensdauer von entsprechend ausgerüsteten Traktionsbatterien signifikant verlängert werden kann.
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So ergeben sich mittels des Ladeverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung für den ersten Fahrertyp unter Zugrundelegung eines Garantiezeitraums vom 8 Jahren und 160.000 km technisch etwa 1700 Vollzyklen gegenüber andernfalls nur 1100 Vollzyklen.
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Und mittels des Ladeverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung für den zweiten Fahrertyp ergibt sich eine Steigerung der Mindestlebensdauer der Traktionsbatterie von etwa 12 Jahren auf fast 18 Jahre, genauer 17,8 Jahre bei sonst unveränderten Parametern für die Traktionsbatterie.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist sehr einfach zu implementieren, erfordert es doch nur sehr wenige zusätzliche Software, kein zusätzliches Thermomanagement, und nur eine geringe Speicherkapazität im Hintergrund. Für die Ermittlung des Fahrertyps und der regelmäßigen Ruhezeiten des Elektrofahrzeugs kann in der Regel auf bereits im Elektrofahrzeug vorhandene Einrichtungen zurückgegriffen werden. Es muss ab Auslieferung lediglich der Zeitraum von einigen Tagen oder Ladezyklen (etwa 10 Zyklen) betrachtet werden, um eine sichere Zuordnung vornehmen zu können. Während des Betriebes des Elektrofahrzeugs kann eine Nachsteuerung durch erneut durchgeführte Vergleiche mit den jeweiligen Fahrprofilen vorgenommen werden, um eine entsprechende Optimierung oder Nachsteuerung der entsprechenden Lade- und Entladestrategien vornehmen zu können.
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Bei Anwendung und Durchführung des Ladeverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung oder eines seiner vorteilhaften Weiterbildungen ergibt sich durch ein verbessertes Alterungsverhalten eine höhere Lebensdauer der Traktionsbatterien. Es kann daher eine Traktionsbatterie mit einer geringeren Batteriekapazität verwendet werden, da die bisherige erforderliche ”Reservekapazität” nicht mehr vorgehalten zu werden braucht. Durch die geringere Anzahl an zu installierender kWh ergeben sich somit auch verringerte Kosten für die Traktionsbatterie. Heutige Batteriemanagementsysteme sind von der Rechenkapazität bereits die vorliegende Erfindung geeignet, müssen eventuell lediglich um eine entsprechende (vergrößerte) Speichereinrichtung nachgerüstet werden.
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Zusammenfassend kann man das Ladeverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch charakterisieren, dass so wie die Traktionsbatterie von einem Fahrer entladen wird und wie ein Fahrer das Elektrofahrzeug fährt, in etwa auch der Ladevorgang vonstattengehen muss. Wer dynamisch fährt, benötigt eine dynamische Ladestrategie (Ladestrategie gemäß erstem Fahrertyp; auch bei einer Inbetriebnahme des Elektrofahrzeugs vor Ablauf der prognostizierten Ruhephase steht bereits ein Großteil der verfügbaren Kapazität der Traktionsbatterie für die zu erwartende lange Tagesstrecke zur Verfügung zur Verfügung). Bei einem eher defensiven ”Wenigfahrer” ist ein gleichmäßiges und langsames Ladeverfahren ausreichend (Ladestrategie gemäß zweitem Fahrertyp; auch bei einer Inbetriebnahme des Elektrofahrzeugs vor Ablauf der prognostizierten Ruhephase steht bereits ausreichend Kapazität der Traktionsbatterie für die zu erwartende kurze Tagesstrecke zur Verfügung). In allen Fällen sollte die Vollladung erst kurz vor Ende des zu erwartenden Ruhezeitraums erreicht werden, um hohe Ladezustände für längere Zeiträume zu vermeiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0221928 A1 [0012, 0014]
- DE 102015109497 A1 [0013, 0014, 0030]
