DE102017222217A1 - Verfahren zum Laden einer Batterie, Auswerteeinheit eines Stromnetzes und Automobil - Google Patents

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Lutz Lackenmacher
Oliver Nolte
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Volkswagen AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie umfassend die Schritte:
- Ermitteln (100) einer konstanten Soll-Ladeleistung anhand einer vordefinierten Referenz und in Abhängigkeit eines aktuellen Ladeparameters der Batterie;
- Kommunizieren (200) einer Anfrage umfassend die ermittelte konstante Soll-Ladeleistung an eine Auswerteeinheit eines mit der Batterie verbundenen Stromnetzes;
- Ermitteln (400) einer vom Stromnetz bereitzustellenden konstanten Ladeleistung in Abhängigkeit der Soll-Ladeleistung anhand eines vordefinierten Kriteriums durch die Auswerteeinheit des Stromnetzes und infolge dessen
- Empfangen (500) einer Rückmeldung vom Stromnetz repräsentierend die bereitzustellende konstante Ladeleistung an das Batteriemanagementsystem der Batterie; und
- Beginnen (600) eines Ladevorgangs der Batterie durch das Batteriemanagementsystem mit der bereitzustellenden konstanten Ladeleistung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie, eine Auswerteeinheit eines Stromnetzes und ein Automobil.
  • Fortbewegungsmittel mit einem elektrischen Antriebsstrang haben in der Regel einen elektrischen Energiespeicher. In diversen heutzutage eingesetzten Fortbewegungsmitteln ist der elektrische Energiespeicher beispielsweise auf Basis von Li-Zellen aufgebaut. Dabei umfasst der elektrische Energiespeicher (hier auch als Batterie bezeichnet) z.B. eine Reihenschaltung mehrerer einzelner Li-Zellen.
  • Das Laden des elektrischen Energiespeichers erfolgt entweder über einen im Fortbewegungsmittel verbauten Energiewandler (z.B. eine Verbrennungskraftmaschine oder eine Brennstoffzelle) oder über eine Ladeschnittstelle. Erfolgt das Laden über eine Ladeschnittstelle, gibt es hierfür mehrere Möglichkeiten, wie etwa kabelgebundenes einphasiges AC-Laden und kabelgebundenes DC-Laden (z.B. mithilfe einer dreiphasigen Netzkopplung) oder auch kontaktloses Laden. Alle Möglichkeiten stellen für das elektrische Energieversorgungsnetz unterschiedliche Belastungen dar, wobei der Bereich des Leistungsbedarfes von kleiner 1 kW bis zu mehreren 100 kW reicht. In Abhängigkeit der Ladeleistung und der Anzahl der über Ladeschnittstellen an das Energieversorgungsnetz angeschlossenen Fahrzeuge ergibt sich die Notwendigkeit einer Lastregelung des Netzbetreibers, um Energieerzeugung und Energieverbrauch aufeinander abzustimmen. Hierfür gibt es im Stand der Technik unterschiedliche Konzepte, wie etwa „V2G“. Weiterhin ist die Speisung von Energie aus dem Fahrzeug in das Netz eine Möglichkeit. Allerdings besteht hierbei keine Möglichkeit eines selektiven Lademanagements der an das Netz angeschlossenen Fahrzeuge.
  • Bei den vorgenannten Systemen erfolgt das Laden der Batterie durch einen geregelten Ladevorgang. Das Laden der Batterie bzw. die Anpassung von Strom und Spannung erfolgt hierbei entweder im Fahrzeug oder in der Ladesäule. Die Vorgabe von Strom- und Spannungssollwerten wird in der Regel durch das Batteriemanagementsystem der Batterie geregelt. Aktuell erfolgt der Ladevorgang häufig nach unterschiedlichen Ladeverfahren, wie etwa nach dem CCCV-Ladeverfahren (CC = constant current; CV = constant voltage). Der Verbraucherbedarf zeigt hier einen Trend hin zu einem schnellen Laden; also hin zu einer Verkürzung der Ladezeit (d.h. hohe Ladeleistungen). Ein wesentlicher Nachteil dieses Ladens, insbesondere des Schnellladens, ist eine beschleunigte Alterung der Batterie bzw. die Verkürzung deren Lebensdauer durch zu hohe Ladeleistungen. Ein weiterer Nachteil ist die unregelmäßige Belastung des Energieversorgungsnetzes durch den nichtlinearen Ladevorgang. Eine nichtlineare Netzbelastung stellt für das Netzmanagement eine nur sehr aufwendig und kostspielig zu regelnde Störgröße dar.
  • In DE 10 2012 012 765 A1 ist eine Stromregelung mit überlagerter Spannungsregelung für das Laden eines aus einer Reihenschaltung vieler Einzelzellen aufgebauten Batteriesystems beschrieben. Weiterhin ist aus DE 10 2016 007 479 A1 eine Berücksichtigung des Anodenpotentials zur Vermeidung von Alterungseffekten bekannt. Diese Vorschläge adressieren jeweils bestenfalls eine Problematik aus den beiden primär herausgearbeiteten Problemkomplexen „Alterung der Batterie“ und „Belastung des Energieversorgungsnetzes“.
  • Ferner schlägt DE 10 2012 212 755 A1 ein Konstantleistungsladen einer Batterie vor, wobei ein Nutzer beispielsweise in Abhängigkeit von der Tageszeit eine Stromentnahme aus dem Stromnetz variieren kann, um seine Stromrechnung zu verringern. Allerdings wird hierbei der Problemkomplex der Alterung der Batterie nicht berücksichtigt.
  • DE 10 2015 219 202 A1 offenbart ein Konstantleistungsladen einer Batterie, wobei innerhalb unterschiedlicher Zeitsegmente unterschiedliche konstante Ladeleistungen anhand eines vordefinierten Kostenkriteriums, insbesondere anhand der aktuellen Energiekosten, ermittelt und zum Laden bereitgestellt werden. Hierbei wird jedoch ebenfalls die Alterung der Batterie bzw. deren Lebensdauer nicht berücksichtigt.
  • Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Laden einer Batterie anzugeben, welches die oben genannten Nachteile lindert und insbesondere eine optimale Integration von Batterien in das Netzmanagement sowie gleichzeitig eine ideale Verkürzung der Ladezeit, d.h. mit geringstmöglicher Auswirkung auf die Lebensdauer der Batterie, ermöglicht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruches 1 gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Laden einer Batterie. Eine Batterie im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere Batterien mit Li-Zellchemie umfassen, wie etwa Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und/oder Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA) und/oder Eisenphosphat (LFP) und/oder Titanat (LTO). Beispielsweise wird unter einer Batterie eine Vielzahl in Reihe geschalteter elektrischer Zellen verstanden. Insbesondere umfasst eine solche Batterie 10 bis 300 in Reihe geschalteter Zellen, bevorzugt 48 bis 120 in Reihe geschalteter Zellen und/oder 140 bis 230 in Reihe geschalteter Zellen.
  • In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine konstante Soll-Ladeleistung anhand einer vordefinierten Referenz und in Abhängigkeit eines aktuellen Ladeparameters der Batterie ermittelt. Das Ermitteln kann über eine Auswerteeinheit eines Batteriemanagementsystems erfolgen. Als Auswerteeinheit kommen im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise eine CPU und/oder ein Mikrocontroller infrage.
  • Das Ermitteln der konstanten Soll-Ladeleistung kann sich in unterschiedliche Teilschritte gliedern. In einem ersten Teilschritt kann eine statische Ladeleistung, d.h. eine anhand von statischen Ladeparametern (d.h. solche, welche im Wesentlichen bei der Ermittlung der konstanten Soll-Ladeleistung als konstant angenommen wird) welche als aktuelle Ladeparameter der Batterie verwendet werden können, ermittelt werden. Statische Ladeparameter können z.B. die Temperatur der Batterie und/oder die Leerlaufspannung der Batterie und/oder die Ladezeit bis zu einem vordefinierten Ladezustand der Batterie und/oder eine Nennkapazität der Batterie umfassen. Hierfür werden beispielsweise durch das Batteriemanagementsystem Messwerte der Batterie, wie etwa Strom (z.B. der Gesamtstrom der Batterie) und/oder Spannungen (beispielsweise die Gesamtspannung oder Spannungen bestimmter Einzelzellen) und/oder Temperaturen ermittelt. Hierbei sei das Ermitteln der konstanten Soll-Ladeleistung mithilfe des aktuellen bzw. statischen Ladeparameters der Temperatur exemplarisch dargestellt. Insbesondere können hierzu die Temperatursensoren derart angeordnet sein, dass die Temperatur einer jeden Zelle der Batterie ermittelt werden kann. Alternativ ist es möglich, lediglich einen Temperatursensor pro Modul zusammengefasster Zellen anzuordnen. Die Weiterverarbeitung der durch die Sensoren gemessenen Temperaturen kann derart erfolgen, dass aus einem Temperaturmodell abgeleitet wird, welche Temperatur aller gemessenen Temperaturwerte für die weiteren Berechnungen verwendet werden soll. Dies kann zum Beispiel die kälteste Temperatur für die Begrenzung der Ladeleistung und/oder der Mittelwert für die Berechnung der Leerlaufspannung und/oder die wärmste Temperatur für die Anforderung einer Kühlung sein. Das entscheidende Kriterium ist hierbei, dass die Lebensdauer der Batterie beim Laden geschont wird.
  • Die konstante Soll-Ladeleistung wird ferner anhand einer vordefinierten Referenz mitermittelt. Die vordefinierte Referenz kann beispielsweise empirisch bestimmte Kennfelder der Konstantladeleistung umfassen. Die empirische Bestimmung dieser Kennfelder kann z.B. über Laborcharakterisierung erfolgen. Derartige Laborcharakterisierungen haben z.B. optimierte Kennfelder hinsichtlich eines lebensdauerschonenden Konstantleistungsladens in Abhängigkeit der Zellchemie zum Resultat. Derartige Kennfelder können z.B. lebensdaueroptimierte Stufenprofile (d.h. Stufenschaubilder) für die konstante Ladeleistung mit der Ladeleistung als Ordinate eines beispielsweise zweidimensionalen Koordinatensystems enthalten. Die Abszisse des Kennfeldes kann z.B. den Ladezustand (auch „state of charge“ (SOC) genannt) oder die Ladezeit oder die Leerlaufspannung umfassen. Daraus können sich Stufenprofile der konstanten Ladeleistung hinsichtlich eines lebensdauerschonenden Ladens ergeben. Entsprechend der mit dem Messwert (z.B. die Spannung) oder dem daraus abgeleiteten Wert (z.B. dem Ladezustand) der Batterie korrelierten Abszisse kann die lebensdaueroptimierte konstante Ladeleistung als Ordinate (bzw. Stufe des Schaubilds) aus den Kennfeldern ermittelt werden. Die aus den Kennfeldern ermittelte lebensdaueroptimierte konstante Ladeleistung kann mit der erwähnten Temperatur korreliert werden, um die Alterung der Batterie weiter zu verringern. Ferner kann eine bestimmte Zeit festgelegt werden, in der die aus den Kennfeldern ermittelte konstante Ladeleistung zum Laden dienen soll (z.B. die Breite einer Stufe des erwähnten Stufenprofils). Hierbei kann ein mit der entsprechenden Temperatur verbundener Temperaturkorrekturfaktor für die aus den Kennfeldern ermittelte konstante Ladeleistung aus den im Batteriemanagementsystem hinterlegten Daten entnommen werden. Beispielsweise kann für bestimmte Temperaturen ein damit korrelierter Temperaturkorrekturfaktor hinterlegt sein. Dieser Temperaturkorrekturfaktor kann ebenfalls empirisch bestimmt werden und wird vorzugsweise mit der aus den Kennfeldern ermittelten konstanten Ladeleistung multipliziert. Hierbei ist der Temperaturkorrekturfaktor üblicherweise kleiner als eins. Die daraus erhaltene statische Ladeleistung kann direkt als Soll-Ladeleistung verwendet werden.
  • Optional kann zusätzlich oder alternativ als aktueller Ladeparameter ein dynamischer Ladeparameter in das Ermitteln der Soll-Ladeleistung einfließen. Als dynamische Ladeparameter werden hierbei veränderliche Parameter, wie etwa Stromgradienten in der Batterie und/oder Spannungsgradienten in der Batterie und/oder Temperaturgradienten und/oder in der Batterie und/oder die Änderung des Zellinnendrucks und/oder eine Änderung des Anodenpotentials, verstanden. Die dynamischen Ladeparameter können über konventionelle Sensoren des Batteriemanagementsystems bestimmt werden. Das Einbeziehen dynamischer Ladeparameter dient dazu, die Alterungseffekte der Batterie weiter zu reduzieren.
  • Wenn sowohl statische als auch dynamische Ladeparameter zur Ermittlung des Soll-Ladezustandes verwendet werden, kann eine Gewichtungsfunktion verwendet werden, durch welche eine Priorisierung der statischen oder der dynamischen Ladeparameter vorgenommen wird. Hierbei werden beispielsweise mit fortschreitender Lebensdauer der Batterie (also mit fortschreitendem Amperestunden-Durchsatz) die statischen Ladeparameter weniger und die dynamischen Ladeparameter mehr gewichtet. Somit ist eine effiziente Ermittlung der konstanten Soll-Ladeleistung zum lebensdauerschonenden Laden gegeben. Durch die Berücksichtigung der hier erwähnten Einflussgrößen kann eine ideale Ladegeschwindigkeit realisiert werden, bei der die Batterie möglichst wenig Schaden nimmt. Bei einer Nichtberücksichtigung der vorgenannten Einflussgrößen, wie es im Stand der Technik der Fall ist, ist eine schnelle Ladung zwar möglich, jedoch verringert diese die Lebensdauer der Batterien. Außerdem ist dann die Netzbelastung extrem hoch und somit schwer zu kontrollieren.
  • Ferner kann ein Anwender eine konstante Ladeleistung vorgeben, welche in die Ermittlung der konstanten Soll-Ladeleistung als vordefinierte Referenz einbezogen wird, wobei diese vorgegebene nicht über die in den Kennfeldern hinterlegte Ladeleistung hinausgehen darf und somit vorzugsweise die geringste konstante Soll-Ladeleistung aus der z.B. durch das Batteriemanagementsystem ermittelten konstanten Soll-Ladeleistung und der Vorgabe des Anwenders ausgewählt werden kann.
  • Insgesamt kann also durch das Ermitteln der konstanten Soll-Ladeleistung ein lebensdauerschonendes Laden erreicht werden. Mit anderen Worten wird in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Abwägung einer Vielzahl von Einflussgrößen eine optimale und lebensdauerschonende konstante Soll-Ladeleistung ermittelt.
  • In einem nächsten Schritt wird eine Anfrage umfassend die ermittelte konstante Soll-Ladeleistung an eine Auswerteeinheit eines mit der Batterie verbundenen Stromnetzes kommuniziert. Dieser Schritt erfolgt vorzugsweise im Ansprechen auf den vorgenannten Schritt. Eine derartige Anfrage kann sinngemäß lauten: „Darf die Batterie mit der ermittelten konstanten Soll-Ladeleistung geladen werden?“. Ferner kann die Anfrage einen Vorschlag enthalten, wie lange die Batterie mit der ermittelten konstanten Soll-Ladeleistung geladen werden soll. Die Kommunikation an das Stromnetz kann über das Batteriemanagementsystem und/oder das Ladegerät erfolgen. Beispiele für derartige Kommunikationswege umfassen „Powerline Communication (PLC)“ und/oder WLAN und/oder GSM und/oder CAN und/oder Ethernet.
  • Ein weiterer Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Ermitteln einer vom Stromnetz bereitzustellenden konstanten Ladeleistung in Abhängigkeit der Soll-Ladeleistung anhand eines vordefinierten Kriteriums durch die Auswerteeinheit des Stromnetzes. Hierbei ist die „bereitzustellende konstante Ladeleistung“ diejenige Leistung, welche letztlich für das Laden der Batterie zur Verfügung steht. Das erwähnte „vordefinierte Kriterium“ ist hierbei nicht mit der oben erläuterten vordefinierten Referenz zu verwechseln. Das vordefinierte Kriterium kann Verbrauchsdaten des Stromnetzes (z.B. in Gigawatt für einen bestimmten Zeitraum) und/oder Erzeugungsdaten des Stromnetzes (z.B. in Gigawatt für einen bestimmten Zeitraum) und/oder Prognosedaten des Stromnetzes (z.B. in Gigawatt für einen bestimmten Zeitraum) und/oder eine Identifikationskodierung der Batterie umfassen. Das heißt, dass das vordefinierte Kriterium vorzugsweise auf einer Datenbank des Stromnetzes hinterlegt ist. Die, insbesondere einzigartige, Identifikationskodierung der Batterie kann beispielsweise im Rahmen dieser Ermittlung einer Tarifgruppe des Stromnetzbetreibers bzw. des Energieversorgungsunternehmens zugeordnet sein. Wenn die Identifikationskodierung beispielsweise einem hochpreisigen Tarif mit einer entsprechenden Priorisierung zugeordnet ist, dann ist beispielsweise die bereitzustellende konstante Ladeleistung gleich der ermittelten konstanten Soll-Ladeleistung. Mit anderen Worten bedeutet dieses Beispiel, dass sich der Anwender für einen Premiumtarif entschieden hat. Diese Tatsache kann der Identifikationskodierung seiner Batterie zugeordnet werden und somit bekommt der Anwender die gewünschte Soll-Ladeleistung zum Laden seiner Batterie zur Verfügung gestellt. Sollte dies nicht der Fall sein, ist die gewünschte Soll-Ladeleistung in jedem Fall niedriger. Hierbei sei erwähnt, dass die lebensdauerschonende Ladung in jedem Fall vorhanden ist, da bereitzustellende konstante Ladeleistung höchstens gleich der ermittelten konstanten Soll-Ladeleistung sein kann. Ferner können über diese Ermittlung definierte Energiepakete des Stromnetzes angefragt bzw. abgegeben werden, was die Netzausladung kontrollierbar macht und somit vereinfacht. Beispielsweise kann neben der bereitzustellenden konstanten Ladeleistung ebenfalls eine Zeitdauer ermittelt werden, in welcher die bereitzustellende konstante Ladeleistung verfügbar gemacht bzw. zugesichert wird.
  • Ein weiterer Schritt umfasst das Empfangen einer Rückmeldung vom Stromnetz repräsentierend die bereitzustellende konstante Ladeleistung an das Batteriemanagementsystem. Die Rückmeldung ist also als eine Antwort auf die Anfrage zu verstehen. Hierbei enthält die Rückmeldung z.B. eine Autorisierung im Hinblick auf die bereitzustellende konstante Ladeleistung, mit welcher die Batterie geladen werden darf. Die Rückmeldung kann ebenso die Zeit enthalten, in welcher die bereitzustellende konstante Ladeleistung verfügbar ist. Die Kommunikation, über welche die Rückmeldung verläuft, kann über die oben erwähnten Kommunikationswege stattfinden.
  • In einem weiteren Schritt beginnt der Ladevorgang der Batterie durch die Initiierung durch das Batteriemanagementsystem mit der bereitzustellenden konstanten Ladeleistung. Der Ladevorgang mittels einer konstanten Ladeleistung ist ein selbstregulierender Prozess der Batterie. Bei niedrigeren Spannungen (niedriger SOC) wird mit einem höheren Strom geladen als bei hohen Spannungen (hoher SOC). Dies wirkt sich ebenfalls positiv auf die Lebensdauer der Batterie aus.
  • Somit werden durch das erfindungsgemäße Verfahren sowohl das lebensdauerschonende Laden der Batterie als auch eine Reduzierung der Auslastung des Stromnetzes berücksichtigt.
  • Bei der Batterie des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich insbesondere um eine (Traktions)-Batterie eines Fortbewegungsmittels. Als Fortbewegungsmittel im Sinne der Erfindung kommen zum Beispiel Automobile, insbesondere PKW und/oder LKW, und/oder Flugzeuge und/oder Schiffe und/oder Motorräder infrage. Somit können auch Fortbewegungsmittel effizient in das Energieversorgungsnetz mit konstanter bzw. vorhersehbarer Anschlussleistung in das Energieversorgungsnetz integriert werden.
  • Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen zum Inhalt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der aktuelle Ladeparameter einen Ladezustand der Batterie und/oder eine Ladezeit bis zu einem vordefinierten Ladezustand der Batterie und/oder eine Nennkapazität der Batterie und/oder einen Innenwiderstand der Batterie und oder eine Temperatur der Batterie, welche insbesondere wie oben ausgeführt bestimmt wird. Die vorgenannten Ladeparameter werden auch als statische Ladeparameter bezeichnet, da deren Wert bei dem Ermitteln der konstanten Soll-Ladeleistung im Wesentlichen konstant ist. Ferner umfassen die aktuellen Ladeparameter einen Stromgradienten in der Batterie und/oder einen Spannungsgradienten in der Batterie und/oder einen Temperaturgradienten in der Batterie und/oder eine Anodenpotentialänderung der Batterie und/oder eine Änderung des Zellinnendruckes einer Zelle der Batterie. Diese Ladeparameter werden als dynamische Ladeparameter bezeichnet, weil sie einer Änderung unterliegen. Die Gradienten können als Ableitung nach der Zeit und/oder nach der Ladung (z.B. in Laderichtung) und/oder nach der Spannung und/oder nach der Temperatur und/oder weiterer Größen berechnet werden. Zum einen besteht hierbei die Möglichkeit, die konstante Soll-Ladeleistung anhand der vordefinierten Referenz und unter Verwendung von statischen Ladeparametern oder von dynamischen Ladeparametern als solche zu ermitteln. Ferner besteht auch die Möglichkeit, statische und dynamische Ladeparameter zur Ermittlung der konstanten Soll-Ladeleistung zu kombinieren. In diesem Fall kann eine Gewichtungsfunktion verwendet werden, um ein Optimum aus den statischen und dynamischen Ladeparametern zu ermitteln, damit die Batterie zwar altersschonend, aber nicht langsamer als nötig geladen wird. Die Gewichtungsfunktion kann beispielsweise die statischen bzw. die dynamischen Ladeparameter unterschiedlich gewichten bzw. priorisieren. Dies kann z.B. in Abhängigkeit der Lebensdauer, insbesondere der Zyklenzahl der Batterie und/oder des Amperestundendurchsatzes der Batterie, erfolgen. Hierbei werden die dynamischen Ladeparameter umso stärker gewichtet, je fortgeschritten die Lebensdauer der Batterie ist. Je weniger fortgeschritten die Lebensdauer der Batterie ist, desto mehr werden die statischen Ladeparameter gewichtet. Dies liegt, ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, u.a. daran, dass statischen Kennfeldern nach fortgeschrittener Alterung der Batterie eine geringere Gültigkeit zukommt. Alternativ kann die Gewichtung auch über neuronale Netze erfolgen. Hierbei kommen insbesondere einschichtige feedforward-Netze und/oder mehrschichtige feedforward-Netze und/oder rekurrente Netze in Betracht. Alle aktuellen Ladeparameter können über bekannte technische Maßnahmen bestimmt werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das vordefinierte Kriterium eine Identifikationskodierung der Batterie und/oder Erzeugungsdaten des Stromnetzes und/oder Verbrauchdaten des Stromnetzes und/oder Prognosedaten des Stromnetzes. Die Identifikationskodierung kann eine Identifikationsnummer und/oder eine IP-Adresse und/oder ein Piktogramm, wie etwa einen Barcode und/oder einen QR-Code, umfassen. Beispielsweise kann die Identifikationskodierung von einem Energieversorgungsunternehmen bzw. dem Netzbetreiber bereitgestellt werden. Vorzugsweise ist die Identifikationskodierung einzigartig und eindeutig zuordenbar. Beispielsweise kann für die Identifikationskodierung eine Tarifgruppe hinsichtlich der bereitzustellenden konstanten Ladeleistung angelegt werden. Die Tarifgruppen können z.B. die Bezeichnungen „Premiumanwender“ (mit Priorisierung) und/oder „Extraanwender“ (mit eingeschränkter Priorisierung) und/oder „Basisanwender“ (ohne Priorisierung) umfassen. Mit anderen Worten umfasst Premiumanwender die höchste Preisklasse, Extraanwender die mittlere Preisklasse und Basisanwender die niedrigste Preisklasse. Wenn die Identifikationskodierung der Batterie z.B. einer Tarifgruppe „Premiumanwender“ zugeordnet ist, so ist die bereitzustellende konstante Ladeleistung immer gleich der ermittelten konstanten Soll-Ladeleistung. Wenn die Identifikationskodierung der Batterie z.B. einer Gruppe „Extraanwender“ zugeordnet ist, so kann beispielsweise je nach Energieangebot eine niedrigere als die „gewünschte“ konstante Soll-Ladeleistung zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann auch bei Spitzenstromerzeugungszeiten der Tarifgruppe „Basisanwender“ die Ladung der Batterie versagt bleiben. Weiterhin kann zwischen den oben genannten vordefinierten Kriterien auch Priorisiert werden. Das heißt, dass z.B. auch ein Premiumnutzer, wenn die Erzeugung des Stromnetzes gering ist und eine hohe Auslastung des Stromnetzes nicht wünschenswert wäre, eine niedrigere konstante Ladeleistung erhalten kann als die ermittelte Soll-Ladeleistung. Dieselbe Priorisierung kommt auch in Bezug auf Verbrauchsdaten des Stromnetzes bzw. für Prognosedaten des Stromnetzes infrage.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der vorgenannten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Schritt der Übermittlung der Identifikationskodierung der Batterie an das Stromnetz mitumfasst. Die Identifikationskodierung sorgt dafür, dass die Auswerteeinheit des Stromnetzes die Anfrage der Batterie direkt erkennt und die Anfrage zulässt und ggf. autorisiert. Somit hat die Übermittlung der Identifikationskodierung eine Art Passwortfunktion. Die Übermittlung der Identifikationskodierung sorgt also für eine sichere Zuordenbarkeit der entsprechenden Batterie. Somit ist die Fehleranfälligkeit des Netzmanagements und eines Falschladens der Batterie durch eine Fehlzuordnung drastisch reduziert. Die Übermittlung kann ebenfalls über o.g. Kommunikationswege erfolgen.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der vorstehenden beiden Weiterbildung umfasst das Ermitteln der bereitzustellenden konstanten Ladeleistung eine Neuermittlung der ermittelten konstanten Ladeleistung und eines Zeitraumes über welchen eine Bereitstellung vom Stromnetz zugesichert wird, wenn die Identifikationskodierung keine Priorisierung aufweist, wobei die bereitzustellende konstante Ladeleistung eine geringere konstante Ladeleistung als die durch das Batteriemanagementsystem ermittelte konstante Soll-Ladeleistung, und insbesondere einen längeren Zeitraum, aufweist. Der Zeitraum wird insbesondere deshalb verlängert, damit bei einer niedrigeren konstanten Ladeleistung immer noch dieselbe Energiemenge bereitgestellt werden kann, welche für den entsprechenden Ladezustand der Batterie erforderlich ist. Dies sei in Anlehnung an das obige Szenario exemplarisch erläutert. Wenn eine Anfrage mit einer konstanten Soll-Ladeleistung, welche durch z.B. über das Batteriemanagement ermittelt wurde, über eine bestimmte Zeit für die mit der Identifikationskodierung verbundene Tarifgruppe „Basisanwender“ an die Auswerteeinheit des Stromnetzes gesendet wird, so weist die Identifikationskodierung keine Priorisierung auf. Entsprechend z.B. wird eine niedrigere konstante Ladeleistung über einen längeren Zeitraum ausgegeben. Somit wird zum einen die Netzbelastung effizient reguliert und zum anderen die Batterie lebensdauerschonend geladen.
  • Alternativ weist das Ermitteln der bereitzustellenden konstanten Ladeleistung eine Bestätigung der Anfrage auf, wenn die Identifikationskodierung eine Priorisierung aufweist. Im Falle der Bestätigung kann also die Batterie mit der ermittelten konstanten Soll-Ladeleistung geladen werden. Dies ist beispielsweise in dem oben geschilderten Szenario der Fall, wenn der Identifikationskodierung die Tarifgruppe „Premiumanwender“ zugeordnet ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorgenannten bevorzugten Weiterbildung wird das erfindungsgemäße Verfahren nach Ablauf des zugesicherten Zeitraumes erneut durchgeführt. Ein zugesicherter Zeitraum dient der Effizienz des Netzmanagements und auch dem schonenden Laden der Batterie. Einerseits können Kriterien wie Erzeugungsdaten des Stromnetzes und/oder Prognosedaten des Stromnetzes und/oder Verbrauchsdaten des Stromnetzes eine zeitliche Limitierung einer bestimmten konstanten bereitzustellenden Ladeleistung notwendig machen. Weiterhin könnte auch, beispielsweise aufgrund geringer Verbrauchszeiten des Stromnetzes, eine Erhöhung der konstanten Ladeleistung, d.h. durch eine Neubestimmung derer, sinnvoll sein. Auf der anderen Seite kann auch die Batterie zum lebensdauerschonenden Laden eine Verringerung der Ladeleistung nach einer bestimmten Zeit vorgesehen sein. Auch ist eine Erhöhung bis hin zur maximalen Ladeleistung denkbar, wenn dies in Korrelation mit der vordefinierten Referenz sinnvoll ist. Somit kann die Ladedauer zeitoptimiert werden, ohne jedoch den Alterungszustand der Batterie aus dem Auge zu verlieren. Ferner ist auch denkbar, dass eine der Identifikationsnummer zugesicherte Priorisierung temporär eingestellt wird und somit für einen zugesicherten Zeitraum die ermittelte Soll-Ladeleistung für diesen Zeitraum der Batterie zu Verfügung steht.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die vordefinierte Referenz ein Stufenprofil bezüglich der konstanten Ladeleistung zum Laden der Batterie und/oder eine Vorgabe des Netzbetreibers und/oder eine Vorgabe des Anwenders. Das Stufenprofil ist z.B. als Schaubild in einem zweidimensionalen Koordinatensystem ausgestaltet, wobei die Ordinate die Ladeleistung umfasst. Das Stufenprofil kann beispielsweise empirisch bestimmte Kennfelder der Konstantladeleistung umfassen. Die empirische Bestimmung kann z.B. über Laborcharakterisierung erfolgen. Derartige Laborcharakterisierungen haben z.B. optimierte Kennfelder hinsichtlich eines lebensdauerschonenden Konstantleistungsladens in Abhängigkeit der Zellchemie zum Resultat. Die Abszisse des Kennfeldes kann z.B. der Ladezustand oder die Ladezeit oder die Leerlaufspannung sein. Daraus können sich Stufenprofile hinsichtlich eines lebensdauerschonenden Ladens ergeben. Entsprechend der mit dem Ist-Wert (z.B. Leerlaufspannung) korrelierten Abszisse, wird die lebensdaueroptimierte konstante Ladeleistung als Ordinate in Form einer Stufe aus den Kennfeldern ermittelt. Ferner kann die vordefinierte Referenz eine Vorgabe eines Netzbetreibers umfassen. Hierbei kann das Energieversorgungsunternehmen, also der Netzbetreiber, die Netzlast über diese Vorgabe steuern. Die Vorgabe kann sich z.B. aus Prognoserechnungen des Netzverbrauches und/oder der Netzerzeugung ergeben. Die Vorgabe kann regelmäßig über die oben genannten Kommunikationswege erneuert werden. Ferner kann die vordefinierte Referenz eine Vorgabe des Anwenders umfassen. Hierbei können Anwenderwünsche für das lebensdauerschonende Laden berücksichtigt werden. Auch diese wird, genauso wie die Vorgabe des Netzbetreibers, mit den aktuellen Ladeparametern zur lebensdauerschonenden Ermittlung der konstanten Soll-Ladeleistung herangezogen. Sollte die vordefinierte Referenz mindestens eine der oben diskutierten Vorgaben und das Stufenprofil oder zwei Vorgaben umfassen, so wird bevorzugt der Minimumwert der resultierenden konstanten Soll-Ladeleistung, welcher durch diese vordefinierten Referenzen jeweils berechnet wurde für das Kommunizieren der Anfrage ausgewählt, um in jedem Fall die Batterie so lebensdauerschonend wie möglich zu laden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verlauf der bereitzustellenden konstanten Ladeleistung aufgezeichnet und es erfolgt ein Berücksichtigen des Verlaufes für das Ermitteln der konstanten Ladeleistung. Die Aufzeichnung kann beispielsweise durch die Auswerteeinheit des Batteriemanagementsystems erfolgen. Hierbei kann die Aufzeichnung auf einem Speicher des Batteriemanagementsystems hinterlegt werden. Ferner kann mit der Aufzeichnung die Tages- und/oder Monats und/oder Jahreszeit dokumentiert werden. Darüber hinaus ist auch eine Aufzeichnung der Erzeugungsdaten und/oder der Verbrauchsdaten des Stromnetzes zum Aufzeichnungszeitpunkt möglich. Die Einbeziehung des Verlaufes ist in vielen Varianten möglich. Der Anwender kann beispielsweise festlegen, dass die Einbeziehung nur zur jeweiligen Tages- und/oder Monats und/oder Jahreszeit bei der Ermittlung der konstanten Soll-Ladeleistung erfolgt, welche jener des aufgezeichneten Verlaufes gleicht oder ähnelt. Selbiges gilt für die mitaufgezeichneten Verbrauchsdaten und/oder Erzeugungsdaten des Stromnetzes. Überdies können die aufgezeichneten Verläufe und die damit dokumentierten Daten für die Einbeziehung zur Ermittlung der Soll-Ladeleistung für Batterien Dritter verwendet werden. Dies ist beispielsweise möglich, wenn es sich um den gleichen Batterietyp bei der Batterie des Dritten handelt. Ferner kann der aufgezeichnete und dokumentierte Verlauf für die Einbeziehung zur Ermittlung der konstanten Soll-Ladeleistung für Batterien mit einer ähnlichen Priorisierung (z.B. Premiumanwender) verwendet werden. Somit kann durch diese Art „peer-to-peer“(P2P)-Nutzung bzw. Einbeziehung aufgezeichneter Verläufe Rechenkapazität der Auswerteeinheit des Stromnetzes gespart werden. Insgesamt ist durch das Aufzeichnen und Einbeziehen ein schnelleres und effizienteres Netzmanagement möglich.
  • Die folgenden erfindungsgemäßen Aspekte umfassen die vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie die generellen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und die jeweils damit verbundenen technischen Effekte gleichsam.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Auswerteeinheit eines Stromnetzes. Diese Auswerteeinheit ist im Wesentlichen eingerichtet, die erfindungsgemäßen Schritte der Auswerteeinheit gemäß dem ersten Aspekt durchzuführen. Dabei ist die Auswerteeinheit eingerichtet, eine Anfrage von einem Batteriemanagementsystem umfassend eine ermittelte konstante Soll-Ladeleistung über o.g. Kommunikationsmöglichkeiten zu erhalten. Hierbei ist die Auswerteeinheit ferner eingerichtet, in Abhängigkeit der Soll-Ladeleistung anhand eines vordefinierten Kriteriums eine bereitzustellende konstante Ladeleistung zu ermitteln und eine Rückmeldung repräsentierend die bereitzustellende konstante Ladeleistung an das Batteriemanagementsystem zu senden.
  • Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Automobil, welches ein Batteriemanagementsystem umfasst, welches eingerichtet ist, an dem Verfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt teilzunehmen.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
    • 1 ein Flussdiagramm zur Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    • 2 eine mögliche Ausführungsform einer Umgebung der Batterie im erfindungsgemäßen Ladeverfahren;
    • 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Automobils;
    • 4 den Zusammenhang von Strom und Spannung beim Laden mit einer Leistungsvorgabe in Bezug auf ein Ladegerät 8;
    • 5 eine mögliche erfindungsgemäße Ausgestaltung der Batterie als Reihenschaltung von Zellen;
    • 6 eine Verbildlichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    • 7 eine weitere Ausführungsform einer Umgebung der Batterie innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    • 8a und 8b mögliche Anordnung der Komponenten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    • 9 eine Verbildlichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in zyklischer Darstellung;
    • 10 eine Verbildlichung einer Ausführungsform des Schrittes des Ermittelns der konstanten Soll-Ladeleistung;
    • 11a eine Ausführungsform eines empirisch ermittelten Kennfeldes mit dem Ladezustand als Abszisse;
    • 11 b eine Ausführungsform eines empirisch ermittelten Kennfeldes mit der Ladezeit bis zu einem vordefinierten Ladezustand als Abszisse;
    • 11c eine Ausführungsform eines empirisch ermittelten Kennfeldes mit der Leerlaufspannung als Abszisse;
    • 12 einen Kapazitätsverlauf bei unterschiedlichen Ladeverfahren;
    • 13 ein Schaubild eines Temperaturkorrekturverlaufes für bestimmte Batterietypen;
    • 14 ein Schaubild eines Spannungsgradienten; und
    • 15 ein Schaubild eines Verlaufes einer Gewichtungsfunktion für bestimmte Batterietypen.
  • Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 1 gezeigt. In einem ersten Schritt 100 wird eine konstante Soll-Ladeleistung durch die Auswerteeinheit 1 (z.B. eine CPU und/oder ein Mikrocontroller) des Batteriemanagementsystems 2 ermittelt. Hierzu wird ein experimentell bestimmtes Kennfeld 3a verwendet. Dieses Kennfeld 3a ist als zweidimensionales kartesisches Koordinatensystem ausgestaltet und weist die Ladeleistung als Ordinate auf. Die Abszisse umfasst hierbei den Ladezustand der Batterie 4. Die durch Laborcharakterisierung ermittelten konstanten statischen Ladeleistungen sind als Stufenprofil, d.h. als stufenartiges Schaubild, in dem kartesischen Koordinatensystem hinterlegt. Anhand des aktuellen Ladezustandes der Batterie 4 wird die statische Ladeleistung ermittelt. Ferner wird ein Zeitraum ermittelt, über welche diese Ladeleistung stattfinden soll. Ferner wird die Temperatur der kältesten Zelle der Batterie 4 als statischer Ladeparameter über die Auswerteeinheit 1 ermittelt. Die Auswerteeinheit 1 des Batteriemanagementsystems 2 multipliziert einen auf einem Speicher 5 des Batteriemanagementsystems hinterlegten Temperaturkorrekturfaktor mit der ermittelten statischen Ladeleistung. Der Temperaturkorrekturfaktor ist ebenfalls experimentell bestimmbar. Die aus der Multiplikation ermittelte konstante Soll-Ladeleistung über den ermittelten Zeitraum ist das Resultat des ersten Schrittes 100.
  • In einem zweiten Schritt 200 wird die ermittelte konstante Soll-Ladeleistung und der ermittelte Zeitraum als Anfrage an eine Auswerteeinheit 11 (z.B. eine CPU und/oder ein Mikrocontroller) des mit der Batterie 4 verbundenen Stromnetzes 6 kommuniziert. Das Kommunizieren erfolgt über Powerline Communication (PLC)“ und/oder WLAN und/oder GSM und/oder CAN und/oder Ethernet, vorzugsweise über Powerline-Communication.
  • In einem dritten Schritt 300 wird ferner die Identifikationskodierung 7 der Batterie 4 mit der zugeordneten Priorisierung „Premiumanwender“ an die Auswerteeinheit 11 des Stromnetzes 6 übermittelt.
  • In einem vierten Schritt 400 ermittelt die Auswerteeinheit 11 des Stromnetzes 6 die bereitzustellende konstante Ladeleistung anhand der Identifikationskodierung 7 über den zuzusichernden Zeitraum. Da die Identifikationskodierung 7 die zugeordnete Priorisierung „Premiumanwender“ aufweist, ist die bereitzustellende konstante Ladeleistung gleich der im ersten Schritt 100 ermittelten konstanten Soll-Ladeleistung über die angefragte Ladezeit.
  • In einem fünften Schritt 500 empfängt das Batteriemanagementsystem 2 eine Rückmeldung des Stromnetzes 6 mit der Autorisierung, dass die Batterie 4 mit der angefragten konstanten Soll-Ladeleistung über den angefragten Zeitraum geladen werden darf. Hierbei erfolgt die Kommunikation ebenfalls über die in Schritt 200 genannten Kommunikationsmöglichkeiten.
  • In einem sechsten Schritt 600 Beginnt der Ladevorgang der Batterie 4 durch die Auswerteeinheit 1 des Batteriemanagementsystems 2 mit der bereitzustellenden konstanten Ladeleistung. Dies ist, wie oben erläutert, im vorliegenden Fall die ermittelte konstante Soll-Ladeleistung.
  • 2 zeigt eine mögliche Umgebung der Batterie 4 im erfindungsgemäßen Ladeverfahren. Hierbei ist die Batterie 4 über ein Ladegerät 8 mit dem Stromnetz 6 verbunden. Das Batteriemanagementsystem 2 regelt hierbei den Ladevorgang. Das Ladegerät 8 passt hierbei Strom und Spannung beim Konstantleistungsladen mithilfe der Auswerteeinheit 1 des Batteriemanagementsystems 2 an.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Automobils 9, welches zum Laden dessen Batterie 4 über eine Ladesäule als Ladegerät 8 mit dem Stromnetz 6 verbunden ist. Das erfindungsgemäße Automobil 9 umfasst ein Batteriemanagementsystem 4, welches eingerichtet ist, am erfindungsgemäßen Verfahren teilzunehmen.
  • 4 zeigt den Zusammenhang von Strom und Spannung beim Laden mit einer Leistungsvorgabe in Bezug auf ein Ladegerät 8. Hierbei definiert P die Leistung, U die Spannung, Ri den Innenwiderstand, I den Strom und OCV (open circuit voltage, d.h. die Leerlaufspannung). Hierdurch soll zum Ausdruck kommen, dass im vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren die Batterie 4 nicht mit einem Stromsollwert geladen wird, sondern durch einen Sollwert der Ladeleistung. Entsprechend wird von dem Ladegerät 8 über das Batteriemanagementsystem 2 eine Ladeleistung eingestellt, welche sich aus einem aktuellen Ist-Zustand (z.B. Leerlaufspannung und Innenwiderstand) der Batterie 4 ergibt. Mit dem Konstantleistungsladen stellen sich Storm und Spannung quasi harmonisch auf den Batteriezustand ein. Dies ist ein selbstregulierender Prozess der Batterie 4. Bei niedrigeren Spannungen (niedrige SOCs) wird mit einem höheren Strom geladen als bei hohen Spannungen (hoher SOCs).
  • 5 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Batterie 4 als Teilnehmer des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei ist die Batterie 4 als Reihenschaltung von Zellen dargestellt. Das Batteriemanagementsystem 2 ist damit verbunden. Über die Stromwerte und die Spannungswerte (statische Ladeparameter) der Batterie 4 kann das Batteriemanagementsystem 2 über das oben erläuterte erfindungsgemäße Verfahren eine konstante Soll-Ladeleistung ermitteln.
  • 6 zeigt eine Verbildlichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei ist das Batteriemanagementsystem mit der Batterie 4, dem Ladegerät 8 und der Auswerteeinheit 11 des Stromnetzes 6, bzw. des Energieversorgungsunternehmens, verbunden. Ferner ist das Ladegerät 8 mit dem Stromnetz 6 verbunden. Über das oben geschilderte erfindungsgemäße Verfahren kann durch das Batteriemanagementsystem 2, bzw. dessen Auswerteeinheit 1, die konstante Soll-Ladeleistung an die Auswerteinheit 11 des Stromnetzes 6 kommuniziert werden, wobei die Auswerteinheit 11 des Stromnetzes 6 zum Laden der Batterie 4 eine konstante bereitzustellende Ladeleistung zur Verfügung stellt. Darüber hinaus kann auch ein Anwender 10 eine gewünschte konstante Ladeleistung über einen Zeitraum als vordefinierte Referenz in Form einer Vorgabe an das Batteriemanagementsystem 2 senden. Die Ermittlung der konstanten Soll-Ladeleistung wird dann anhand dieser Vorgabe und in Abhängigkeit eines aktuellen Ladeparameters durchgeführt.
  • 7 zeigt eine mögliche Ausführungsform eine Umgebung der Batterie 4 innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei ist die Batterie mit einem Ladegerät 8 verbunden, das einen AC/DC-Wandler beinhaltet. Ferner ist das Ladegerät 8 mit einem Netzanschluss 12 verbunden. Der Netzanschluss 12 und das Ladegerät 8 bilden gemeinsam die Ladeschnittstelle 13.
  • 8a und 8b zeigen weitere Anordnungsmöglichkeiten der Komponenten innerhalb einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In diesen Figuren handelt es sich bei der Batterie 4 um die eines erfindungsgemäßen Automobils 9. Hierbei können die Vorgaben des Anwenders 10 Fahrerdaten 14 sein, also solche, welche er über das erfindungsgemäße Automobil an die Auswerteeinheit 11 des Batteriemanagementsystems 2 zur Ermittlung der konstanten Soll-Ladeleistung 100 übermitteln kann.
  • 9 zeigt eine zyklische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Innerhalb des Schrittes des Ermittelns 100 der konstanten Soll-Ladeleistung wird hierbei in Teilschritt 100a zunächst ein statischer Ladeparameter (z.B. Temperatur und/oder Spannung und/oder Strom), welcher als aktueller Ladeparameter verwendet wird über die Auswerteeinheit 1 des Batteriemanagementsystems 2 der Batterie 4 ermittelt. In einem weiteren Teilschritt wird ein statisches Kennfeld 3a, wobei die Ordinate die Ladeleistung und die Abszisse der SOC der Batterie 4 ist verwendet und beispielsweise über ein neuronales Netz und/oder eine Gewichtungsfunktion 15 zur Bestimmung der konstanten Soll-Ladeleistung. Die konstante Soll-Ladeleistung wird an die Auswerteeinheit 11 des Stromnetzes 6 kommuniziert und das Verfahren wird wie oben beschrieben bis zum Ladevorgang 600 fortgesetzt. Ist dieser beendet, so startet der in 9 abgebildete Zyklus erneut.
  • 10 zeigt eine Ausführungsform des ersten Schrittes 100 des Ermittelns der konstanten Soll-Ladeleistung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach dem Ende des Schrittes wird die ermittelte konstante Soll-Ladeleistung über das Batteriemanagementsystem 2 an die Auswerteeinheit 11 des Stromnetzes kommuniziert. Das Batteriemanagementsystem 2 berücksichtigt hierbei stets die minimale konstante Soll-Ladeleistung bei folgenden drei Eingangsgrößen der Gewichtungsfunktion 15 und der Vorgabe 14 des Anwenders und der netzseitigen Vorgabe 18. Zunächst sind Fahrerdaten 14 als vordefinierte Referenz möglich.
  • Diese können von dem Anwender 9 in Abhängigkeit einer benötigten konstanten Ladeleistung angefragt werden. Ferner kann die vordefinierte Referenz eine Netzvorgabe 18 hinsichtlich Verbrauchsdaten und/oder Erzeugungsdaten und/oder Prognosedaten des Stromnetzes 6 umfassen. In jedem Fall werden durch Sensoren 17 ermittelte Messewert wie etwa Temperatur und/oder Strom und/oder Spannung der Batterie ermittelt, um statische Ladeparameter, wie zum Beispiel die Temperatur der geringsten Zelle und/oder den Ladezustand zu ermitteln.
  • Weiterhin können dynamische Ladeparameter wie Spannungsänderungen ermittelt werden. Die statischen Ladeparameter werden über empirisch bestimmte Kennfelder 3a, 3b, 3c zu einer korrigierten Soll-Ladeleistung umgerechnet. Ferner erfolgt eine Gewichtung 15 der dynamischen und statischen Ladeparameter, welche beispielsweise durch die Auswerteeinheit 1 vorgenommen wird. Diese wird in Abhängigkeit des Amperestundendurchsatzes der Batterie vorgenommen. Solange die Gewichtungsfunktion 15 positiv ist, wird der Gewichtungsfaktor a des statischen Ladeparameters stärker gewichtet. Wenn allerdings die Gewichtungsfunktion, wie aus 10 ersichtlich negativ wird, so wird der Gewichtungsfaktor b der veränderlichen, also der dynamischen, Ladeparameter stärker Gewichtet.
  • 11a bis 11c zeigen empirisch, z.B. durch Laborcharakterisierung hinsichtlich der Zellchemie im Hinblick auf die Lebensdauer, ermittelte Kennfelder 3a, 3b, 3c für die Batterie 4 mit Stufenprofilen, d.h. Schaubilder mit der Ladeleistung als Ordinate. Da die Ladeleistung je für einen bestimmten Abszissenbereich konstant ist, werden die Schaubilder Stufenprofile genannt. Hierbei sind auf der Ordinate verschiedene Ladephasen gekennzeichnet. Die Kennfelder 3a, 3b, 3c können beispielsweise auf einem Speicher 5 des Batteriemanagementsystems 5
  • 12 zeigt einen Kapazitätsverlauf bei unterschiedlichen Ladeverfahren. Im Vergleich zum herkömmlichen Laden mit konstantem Strom (Dreiecke) bietet die Ladung mit einer konstanten Leistung (Vierecke) unter denselben Bedingungen einen Lebensdauervorteil.
  • 13 zeigt ein Schaubild zur Ermittlung eines Temperaturkorrekturfaktors (Ordinate) in Abhängigkeit der Temperatur. Diese Temperaturkorrekturfaktoren werden für unterschiedliche Zellchemien ermittelt, wobei es für unterschiedliche NMC (Nickel-Mangan-Cobalt), NCA (Nickel-Cobalt-Aluminium), LFP (Eisenphosphat) oder LTO (Titanat) unterschiedliche Tempertaturverläufe gibt. Die Temperaturkorrekturfaktoren werden mit der ermittelten Ladeleistung aus den oben vielfach diskutierten Kennfeldern multipliziert.
  • 14 zeigt eine Auftragung der Ableitung der Spannung nach der Ladung gegen den Ladezustand der Batterie. Dies ist ein dynamischer Ladeparameter 16. Der Gradient kann auch als Ableitung der Zeit, der der Spannung und weiterer Größen aufgetragen werden. Überschreitet der Gradient hinterlegte Schwellen, so erfolgt eine Änderung der dynamischen Ladeleistungsvorgabe. Wenn der hier abgebildete Gradient die Schwelle überschreitet, so wird die Ladeleistung reduziert. Unterschreitet der Gradient hingegen die Schwelle, so wird die Ladeleistung erhöht.
  • 15 zeigt einen Verlauf der Gewichtungsfunktion in Abhängigkeit der Zyklen. Die Gewichtung errechnet sich nach den folgenden Formeln P Laden = a ⋅ P statisch + b ⋅ P dynamisch
    Figure DE102017222217A1_0001
     a = Gewichtung ;  b = 1 − Gewichtung
    Figure DE102017222217A1_0002
  • Hierbei ist PLaden die konstante Ladeleistung, während Pstatisch die konstante statische Ladeleistung ist und Pdynamisch die dynamische konstante Ladeleistung ist. a und b sind hierbei Gewichtungsfaktoren.
  • Anwendbarkeit auf Zellchemien
  • Vorzugsweise wird das Verfahren bei Batterien mit Li-Ionen Zellchemie verwendet, wie z.B. NMC (Nickel-Mangan-Cobalt), NCA (Nickel-Cobalt-Aluminium), LFP (Eisenphosphat) oder LTO (Titanat). Die Konstante Ladeleistung kann jedoch auch mit anderen Batterien bzw. Energiespeichern mit den oben beschriebenen Vorzügen für den Energieversorger angewendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Auswerteeinheit der Batterie
    2
    Batteriemanagementsystem
    3a-3c
    Kennfeld
    4
    Batterie
    5
    Speicher
    6
    Stromnetz
    7
    Identifikationskodierung
    8
    Ladegerät
    9
    Automobil
    10
    Anwender
    11
    Auswerteeinheit des Stromnetzes
    12
    Netzanschluss
    13
    Ladeschnittstelle
    14
    Fahrerdaten
    15
    Gewichtungsfunktion
    16
    Dynamischer Ladeparameter
    17
    Sensoren
    18
    Netzvorgabe
    100 bis 600
    Verfahrensschritte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012012765 A1 [0005]
    • DE 102016007479 A1 [0005]
    • DE 102012212755 A1 [0006]
    • DE 102015219202 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Laden einer Batterie (4) umfassend die Schritte: - Ermitteln (100) einer konstanten Soll-Ladeleistung anhand einer vordefinierten Referenz (3a-3c) und in Abhängigkeit eines aktuellen Ladeparameters der Batterie (4); - Kommunizieren (200) einer Anfrage umfassend die ermittelte konstante Soll-Ladeleistung an eine Auswerteeinheit (11) eines mit der Batterie (4) verbundenen Stromnetzes (6); - Ermitteln (400) einer vom Stromnetz (6) bereitzustellenden konstanten Ladeleistung in Abhängigkeit der Soll-Ladeleistung anhand eines vordefinierten Kriteriums durch die Auswerteeinheit (11) des Stromnetzes (6), infolge dessen - Empfangen (500) einer Rückmeldung vom Stromnetz (6) repräsentierend die bereitzustellende konstante Ladeleistung an ein Batteriemanagementsystem (2) der Batterie (4); und - Beginnen (600) eines Ladevorgangs der Batterie (4) durch das Batteriemanagementsystem (2) mit der bereitzustellenden konstanten Ladeleistung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der aktuelle Ladeparameter - einen Ladezustand der Batterie (4); und/oder - eine Ladezeit bis zu einem vordefinierten Ladezustand der Batterie (4); und/oder - eine Leerlaufspannung der Batterie (4); und/oder - eine Nennkapazität der Batterie (4); und/oder - einen Innenwiderstand der Batterie (4); und/oder - eine Temperatur der Batterie (4); und/oder - einen Stromgradienten in der Batterie (4); und/oder - einen Spannungsgradienten in der Batterie (4); und/oder - einen Temperaturgradienten in der Batterie (4); und/oder - eine Änderung des Anodenpotentials der Batterie (4); und/oder - eine Änderung des Zellinnendruckes der Batterie (4) umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das vordefinierte Kriterium - eine Identifikationskodierung (7) der Batterie (4); und/oder - Erzeugungsdaten des Stromnetzes (6); und/oder - Verbrauchsdaten des Stromnetzes (6); und/oder - Prognosedaten des Stromnetzes (6) umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3 ferner umfassend den Schritt des Übermittelns (300) der Identifikationskodierung (7) der Batterie (4) an das Stromnetz (6).
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das Ermitteln (400) der bereitzustellenden konstanten Ladeleistung eine Neuermittlung der ermittelten konstanten Ladeleistung und eines Zeitraums, über welchen eine Bereitstellung der Ladeleistung vom Stromnetz (6) zugesichert wird, umfasst, wenn die Identifikationskodierung (7) keine Priorisierung aufweist, wobei die bereitzustellende konstante Ladeleistung eine geringere konstante Ladeleistung als die durch das Batteriemanagementsystem (2) ermittelte konstante Soll-Ladeleistung, und insbesondere einen längeren Zeitraum, umfasst; oder das Ermitteln (400) der bereitzustellenden konstanten Ladeleistung eine Bestätigung der Anfrage umfasst, wenn die Identifikationskodierung (7) eine Priorisierung aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verfahren nach Ablauf des zugesicherten Zeitraumes erneut durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vordefinierte Referenz (3a-3c) ein vordefiniertes Stufenprofil bezüglich der konstanten Ladeleistung zum Laden der Batterie (4) und/oder eine Vorgabe des Netzbetreibers (18) und/oder eine Vorgabe (14) des Anwenders (10) umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ferner umfassend die Schritte eines Aufzeichnens eines Verlaufes der bereitzustellenden konstanten Ladeleistung und ein Berücksichtigen des Verlaufes für das Ermitteln (100) der konstanten Ladeleistung.
  9. Auswerteeinheit eines Stromnetzes (11), welche eingerichtet ist, eine Anfrage von einem Batteriemanagementsystem (2) umfassend eine ermittelte konstante Soll-Ladeleistung zu erhalten, wobei die Auswerteeinheit ferner eingerichtet ist, in Abhängigkeit der Soll-Ladeleistung anhand eines vordefinierten Kriteriums (7) eine bereitzustellende konstante Ladeleistung zu ermitteln und eine Rückmeldung repräsentierend die bereitzustellende konstante Ladeleistung an das Batteriemanagementsystem (2) zu senden.
  10. Automobil (9), welches ein Batteriemanagementsystem (2) umfasst, welches eingerichtet ist, an dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 teilzunehmen.
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