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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinheit zur Überwachung eines Energiespeichers, insbesondere in dem elektrischen Bordnetz eines Fahrzeugs.
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Ein Fahrzeug, insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug, weist typischerweise zumindest einen elektrischen Energiespeicher auf, um elektrische Energie für den Betrieb von elektrischen Verbrauchern (z.B. einem Starter, einer Klimaanlage, einer Lichtanlage, etc.) des Fahrzeugs zu speichern. Insbesondere weist ein Fahrzeug zu diesem Zweck einen elektrochemischen Energiespeicher, etwa einen Blei-Akkumulator, auf.
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Ein elektrochemischer Energiespeicher wird durch das zyklische Entladen und Aufladen belastet. Die Belastung hängt dabei typischerweise von der Entladetiefe der einzelnen Entlade/Lade-Zyklen ab. Zur Ermittlung der Belastung eines Energiespeichers kann die Summe der Entlade/Lade-Zyklen unabhängig von der jeweiligen Lade-/Entladetiefe erfasst und mit einer maximal zulässigen Anzahl von Zyklen verglichen werden. Dieser Vergleich liefert jedoch typischerweise nur eine relativ grobe Abschätzung der kumulierten Belastung eines Energiespeichers. Als Folge daraus kann die verbleibende Lebensdauer eines Energiespeichers nur unzureichend genau ermittelt werden, was dazu führen kann, dass Energiespeicher zu früh oder zu spät ausgetauscht werden (was zu erhöhten Kosten bzw. zu Beeinträchtigungen des Fahrbetriebs eines Fahrzeugs führen kann).
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, den kumulierten Belastungszustand eines (elektrochemischen) Energiespeichers, insbesondere einer Blei-basierten Batterie, mit erhöhter Genauigkeit zu ermitteln. Des Weiteren befasst sich das vorliegende Dokument mit der technischen Aufgabe, die Lebensdauer eines Energiespeichers in zuverlässiger und effizienter Weise zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Steuereinheit für einen Energiespeicher beschrieben. Der Energiespeicher kann in einem elektrischen Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Straßenkraftfahrzeugs, betrieben werden. Dabei kann elektrische Energie aus dem Energiespeicher entnommen werden, um ein oder mehrere elektrische Verbraucher zu betreiben. Andererseits kann über eine Energiequelle (z.B. über einen Generator, einen Gleichspannungswandler und/oder einen anderen Energiespeicher) elektrische Energie bereitgestellt werden, um den Energiespeicher zu laden. Der Energiespeicher kann eine Blei-Batterie und/oder eine AGM-Batterie oder eine lithiumbasierte Batterie oder eine Kombination mehrerer Energiespeicher auf gleicher oder unterschiedlicher Spannungsebene umfassen.
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Die Steuereinheit ist eingerichtet, während des Betriebs des Energiespeichers Ereignisdaten in Bezug auf unterschiedliche Entlade/Lade-Ereignisse des Energiespeichers zu erfassen. Zu diesem Zweck können ein oder mehrere Ladungszustandssensoren verwendet werden, die typischerweise speichernah integriert sind (wie z.B. ein IBS = Integrierter Batterie-Sensor bei Bleibatterien oder Strom-Spannungssensoren bei Lithiumbatterien). Dabei können Ereignisdaten ab der Inbetriebnahme des Energiespeichers ermittelt und gespeichert werden.
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Ein Entlade/Lade-Ereignis kann derart definiert sein, dass sich ein Entlade/Lade-Ereignis genau über N Entladevorgänge und/oder N Ladevorgänge des Energiespeichers erstreckt, wobei N gleich wie oder kleiner als 10, 5, 4, 3, 2, 1 sein kann. Insbesondere kann jeder einzelne Entladevorgang und/oder Ladevorgang des Energiespeichers als Entlade/Lade-Ereignis definiert sein. Es kann somit eine detaillierte Erfassung des Entlade- und/oder Lade-Verhaltens des Energiespeichers erfolgen.
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Während der Fahrt eines Fahrzeugs können typischerweise eine relativ große Anzahl von einzelnen Entladevorgängen und Ladevorgängen auftreten (z.B. 100, 1000 oder mehr). Dies gilt insbesondere bei Fahrzeugen, die Bremsenergierückgewinnung verwenden und/oder bei einer Stadtfahrt. Für jeden dieser Entladevorgänge und/oder Ladevorgänge kann ein Entlade/Lade-Ereignis definiert und/oder gespeichert werden. Ggf. können N direkt aufeinander folgende Entladevorgänge und/oder Ladevorgänge zu einem einzigen Entlade/Lade-Ereignis zusammengefasst werden, um die Menge an erfassten und/oder gespeicherten Daten zu reduzieren. Es kann somit ein Kompromiss zwischen der Genauigkeit der Erfassung der Belastung des Energiespeichers und der gespeicherten Menge an Daten vorgenommen werden.
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Ein Entlade/Lade-Ereignis kann durch einen Übergang zwischen einem Ladevorgang und einem Entladevorgang und/oder durch einen Übergang zwischen einem Entladevorgang und einem Ladevorgang begrenzt werden. Insbesondere können der Beginn und/oder das Ende eines Entlade/Lade-Ereignisses durch die Unterbrechung eines Ladevorgangs des Energiespeichers getriggert wird.
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Typischerweise weist der zeitliche Verlauf des Ladezustands eines Energiespeichers abwechselnde Teilbereiche mit negativer Steigung (bei einem Entladevorgang) und mit positiver Steigung (bei einem Ladevorgang) auf. Jeder Teilbereich mit negativer und/oder jeder Teilbereich mit positiver Steigung kann als einzelnes Entlade/Lade-Ereignis erfasst und gespeichert werden.
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Die Ereignisdaten für ein Entlade/Lade-Ereignis können eine Ereignis-Entladetiefe des Energiespeichers im Rahmen des Entlade/Lade-Ereignisses anzeigen. Es kann somit für jedes Entlade/Lade-Ereignis die entsprechende Ereignis-Entladetiefe erfasst und gespeichert werden. Der Energiespeicher weist im Rahmen eines Entlade/Lade-Ereignisses typischerweise einen minimalen Ladezustand und einen maximalen Ladezustand aufweisen (z.B. am Anfang bzw. am Ende des Entlade/Lade-Ereignisses). Die Ereignis-Entladetiefe des Entlade/Lade-Ereignisses kann dann von der Differenz zwischen dem maximalen Ladezustand und dem minimalen Ladezustand abhängen bzw. der Differenz zwischen dem maximalen Ladezustand und dem minimalen Ladezustand entsprechen.
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Außerdem ist die Steuereinheit eingerichtet, auf Basis der Entladedaten eine Entladetiefen-Verteilung zu ermitteln, wobei die Entladetiefen-Verteilung für unterschiedliche Entladetiefen eine Anzahl von Entlade/Lade-Ereignissen mit entsprechender Ereignis-Entladetiefe während des Betriebs des Energiespeichers anzeigt. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit eingerichtet sein, auf Basis der Entladedaten, die unterschiedlichen Entlade/Lade-Ereignisse in eine Mehrzahl von Entladetiefen-Gruppen für unterschiedliche Wertebereiche von Entladetiefen zu gruppieren. Es kann dann auf Basis der Anzahl von Entlade/Lade-Ereignissen in einer bestimmten Entladetiefen-Gruppe die Anzahl von Entlade/Lade-Ereignissen für diese Entladetiefen-Gruppe ermittelt werden. Die Entladetiefen-Verteilung kann somit als Entladetiefen-Histogramm ermittelt werden. Die Entladetiefen-Verteilung kann wiederholt und/oder kontinuierlich mit neuen Ereignisdaten für neu detektierte Entlade/Lade-Ereignisse aktualisiert werden. So kann in effiziente Weise eine stets aktuelle Entladetiefen-Verteilung für einen Energiespeicher ermittelt werden.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, bei der Ermittlung der Anzahl von Entlade/Lade-Ereignissen ein Entlade/Lade-Ereignis in Abhängigkeit von der Ereignis-Entladetiefe des Entlade/Lade-Ereignisses zu gewichten, um eine Anzahl von Vollzyklen-äquivalenten Entlade/Lade-Ereignissen zu ermitteln. Mit anderen Worten, die Anzahl von Entlade/Lade-Ereignissen kann auf Vollzyklen-äquivalente Entlade/Lade-Ereignisse normiert werden. Dabei weist ein Vollzyklen-äquivalentes Entlade/Lade-Ereignis eine Entladetiefe von Y% (typischerweise 100%) der Lade- bzw. Nennkapazität des Energiespeichers auf (Y ist ein konstanter Wert, etwa zwischen 1 und 100, bevorzugt Y=100). Die Ereignis-Entladetiefe eines Entlade/Lade-Ereignisses weist typischerweise einen Wert zwischen 0% und 100% auf. Ein Entlade/Lade-Ereignis kann dann nur anteilig gemäß der Ereignis-Entladetiefe bei der Ermittlung der Anzahl von Entlade/Lade-Ereignissen gezählt werden, so dass die ermittelte Anzahl jeweils Vollzyklen-äquivalente Entlade/Lade-Ereignisse (mit einer Entladetiefe von Y%) anzeigt. Durch die Umrechnung bzw. die Erfassung von Vollzyklen-äquivalenten Entlade/Lade-Ereignissen kann eine verbesserte Überwachung eines Energiespeichers ermöglicht werden (insbesondere um die verbleibende Lebensdauer des Energiespeichers zu ermitteln).
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Die Steuereinheit kann ferner eingerichtet sein, auf Basis der ermittelten Entladetiefen-Verteilung und auf Basis einer Entladetiefen-Kennlinie des Energiespeichers Zustandsdaten in Bezug auf eine kumulierte Belastung des Energiespeichers zu ermitteln. Dabei kann die Entladetiefen-Kennlinie für unterschiedliche Entladetiefen eine maximal zulässige Anzahl von Entlade/Lade-Ereignissen anzeigen (z.B. umgerechnet in Vollzyklen, wobei ein Vollzyklus der Energiemenge einer kompletten Entladung, i.e. 100% der Nennkapazität, entspricht). Insbesondere können die Zustandsdaten auf Basis eines Vergleichs der ermittelten Entladetiefen-Verteilung mit der Entladetiefen-Kennlinie ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit eingerichtet sein, ein Abstandsmaß (z.B. einen mittleren absoluten oder quadratischen Abstand) zwischen der Entladetiefen-Verteilung und der Entladetiefen-Kennlinie zu ermitteln. Die Zustandsdaten können dann auf Basis des Abstandsmaßes ermittelt werden. Dabei können die Zustandsdaten z.B. anzeigen bzw. umfassen: eine verbleibende Lebensdauer des Energiespeichers; einen verbrauchten Anteil an einer maximal vorgesehenen Belastung des Energiespeichers; und/oder einen voraussichtlichen Endzeitpunkt einer Nutzungsdauer des Energiespeichers.
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Die Steuereinheit ermöglicht es somit, in effizienter und präziser Weise den Zustand eines Energiespeichers zu ermitteln. Insbesondere kann dabei die verbleibende Lebensdauer des Energiespeichers ermittelt werden.
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Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit eingerichtet sein, in Abhängigkeit von der Entladetiefen-Verteilung und in Abhängigkeit von der Entladetiefen-Kennlinie eine Betriebsstrategie für den Energiespeicher anzupassen. Dabei kann die Betriebsstrategie durch Anpassen des Betriebs einer Energiequelle angepasst werden, die eingerichtet ist, elektrische Energie zum Laden des Energiespeichers bereitzustellen. Alternativ oder ergänzend kann die Betriebsstrategie durch Anpassen des Betriebs eines elektrischen Verbrauchers angepasst werden, der eingerichtet ist, mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher betrieben zu werden. Alternativ oder ergänzend kann die Betriebsstrategie durch Anpassen einer Umladestrategie zum Umladen von elektrischer Energie zwischen dem Energiespeicher und einem anderen Energiespeicher angepasst werden.
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Durch Anpassen der Betriebsstrategie kann die Nutzungsdauer eines Energiespeichers verlängert werden. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit eingerichtet sein, auf Basis der Entladetiefen-Verteilung und auf Basis der Entladetiefen-Kennlinie zu bestimmen, dass der Betrieb des Energiespeichers eine zu hohe Anzahl von Entlade/Lade-Ereignissen mit Ereignis-Entladetiefen in einem bestimmen Wertebereich von Entladetiefen aufweist. Die Betriebsstrategie für den Energiespeicher kann dann derart angepasst werden, dass die Anzahl von Entlade/Lade-Ereignissen mit Ereignis-Entladetiefen in dem bestimmen Wertebereich zumindest statistisch reduziert wird (im Vergleich zu einer unveränderten Betriebsstrategie). So kann in zuverlässiger Weise vermieden werden, dass für ein oder mehrere Entladetiefen-Gruppen die zulässige Anzahl an Entlade/Lade-Ereignissen (die durch die Entladetiefen-Kennlinie angezeigt wird) überschritten wird (und so die mögliche Nutzungsdauer des Energiespeichers beendet wird).
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Betriebsstrategie für den Energiespeicher derart anzupassen, dass die Entladetiefen-Verteilung mit fortschreitendem Betrieb des Energiespeichers an die Entladetiefen-Kennlinie angenähert wird. Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die Betriebsstrategie für den Energiespeicher derart anzupassen, dass mit fortschreitendem Betrieb des Energiespeichers ein Abstandsmaß zwischen der Entladetiefen-Verteilung und der Entladetiefen-Kennlinie reduziert wird. Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die Betriebsstrategie für den Energiespeicher derart anzupassen, dass die Entladetiefen-Verteilung die Entladetiefen-Kennlinie nicht schneidet und/oder nicht überschreitet. Die Betriebsstrategie für den Energiespeicher kann insbesondere derart angepasst werden, dass die verfügbare Fläche unterhalb der Entladetiefen-Kennlinie möglichst vollständig und/oder gleichmäßig für unterschiedliche Entladetiefen ausgenutzt wird. So kann die mögliche Nutzungsdauer eines Energiespeichers maximiert werden.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, an einem ersten Zeitpunkt des Betriebs des Energiespeichers eine erste Entladetiefen-Verteilung zu ermitteln, und an einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt des Energiespeichers eine zweite Entladetiefen-Verteilung zu ermitteln. Es kann dann auf Basis der ersten Entladetiefen-Verteilung und der zweiten Entladetiefen-Verteilung eine prädizierte Entladetiefen-Verteilung für einen zukünftigen Zeitpunkt prädiziert werden. Die Zustandsdaten bezüglich der kumulierten Beanspruchung des Energiespeichers können dann auf Basis der prädizierten Entladetiefen-Verteilung ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Betriebsstrategie des Energiespeichers auf Basis der prädizierten Entladetiefen-Verteilung angepasst werden. So kann die Qualität der ermittelten Zustandsdaten weiter erhöht und/oder die Nutzungsdauer des Energiespeichers weiter verlängert werden.
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Die Entladetiefen-Kennlinie des Energiespeichers und/oder der Energiespeicher können abhängig sein, von: einem Land, in dem der Energiespeicher betrieben wird; und/oder klimatischen Bedingungen während des Betriebs des Energiespeichers; und/oder ein oder mehreren elektrischen Verbrauchern, die aus dem Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt werden; und/oder einem Nutzer eines Fahrzeugs, in dem der Energiespeicher angeordnet ist. So können die Kosten für die Bereitstellung eines Energiespeichers reduziert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung eines Energiespeichers beschrieben. Das Verfahren umfasst das Erfassen, während eines Betriebs des Energiespeichers, von Ereignisdaten in Bezug auf unterschiedliche Entlade/Lade-Ereignisse des Energiespeichers, wobei die Ereignisdaten für ein Entlade/Lade-Ereignis eine Ereignis-Entladetiefe des Energiespeichers im Rahmen des Entlade/Lade-Ereignisses anzeigen. Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln, auf Basis der Entladedaten, einer Entladetiefen-Verteilung, die für unterschiedliche Entladetiefen eine Anzahl von Entlade/Lade-Ereignissen mit entsprechender Ereignis-Entladetiefe während des Betriebs des Energiespeichers anzeigt. Außerdem kann das Verfahren umfassen, das Ermitteln, auf Basis der Entladetiefen-Verteilung und auf Basis einer Entladetiefen-Kennlinie des Energiespeichers, von Zustandsdaten in Bezug auf eine kumulierte Belastung des Energiespeichers. Alternativ oder ergänzend kann das Verfahren umfassen, das Anpassen einer Betriebsstrategie für den Energiespeicher in Abhängigkeit von der Entladetiefen-Verteilung und der Entladetiefen- Kennlinie.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein elektrisches Bordnetz, insbesondere für ein Fahrzeug oder für eine stationäre oder mobile Anwendung, beschrieben, wobei das Bordnetz einen Energiespeicher und die in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Straßenkraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit und/oder das in diesem Dokument beschriebene Bordnetz umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 beispielhafte Komponenten eines elektrischen Bordnetzes;
- 2 beispielhafte Komponenten eines Fahrzeugs;
- 3 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Ladezustands eines Energiespeichers während einer Fahrt eines Fahrzeugs;
- 4a ein beispielhaftes Ladetiefen-Histogramm;
- 4b eine beispielhafte Prädiktion der Belastung eines Energiespeichers; und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Überwachung eines Energiespeichers.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der zuverlässigen und effizienten Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere in einem Fahrzeug. In diesem Zusammenhang zeigt 1 beispielhafte Komponenten eines elektrischen Bordnetzes 100 eines Fahrzeugs. Das Bordnetz 100 umfasst einen elektrischen Energiespeicher 102, der eingerichtet ist, elektrische Energie zu speichern. Des Weiteren umfasst das Bordnetz 100 ein oder mehrere elektrische Verbraucher 103 (z.B. einen Starter für einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs, eine Klimaanlage, Lichtelemente, ein Infotainmentsystem, etc.), die mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher 102 betrieben werden können. Ferner umfasst das Bordnetz 100 typischerweise eine Energiequelle 101 für das elektrische Bordnetz 100, die eingerichtet ist, elektrische Energie zu erzeugen oder aus einem anderen Bordnetz des Fahrzeugs bereitzustellen. Die Energiequelle 101 kann einen Generator und/oder einen Gleichspannungswandler umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Energiequelle 101 einen anderen Energiespeicher umfassen. Das Bordnetz 100 weist eine Bordnetzspannung 105 auf (z.B. 12V, 24V, 48V oder Hochvolt (etwa 300V oder mehr)).
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Die unterschiedlichen Komponenten 101, 102, 103 des Bordnetzes 100 können über eine Steuereinheit 104 des Bordnetzes 100 bzw. des Fahrzeugs gesteuert bzw. geregelt werden. Insbesondere kann die Steuereinheit 104 eingerichtet sein, den Ladezustand des Energiespeichers 102 einzustellen (z.B. durch Anpassen des Betriebs der Energiequelle 101 und/oder zumindest eines Verbrauchers 103). Des Weiteren kann die Steuereinheit 104 eingerichtet sein, die Bordnetzspannung 105 einzustellen. Mit anderen Worten, die Steuereinheit 104 kann eingerichtet sein, eine Betriebsstrategie für den Energiespeicher 102 umzusetzen.
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2 zeigt beispielhafte Komponenten eines Fahrzeugs 200. Das Fahrzeug 200 umfasst das Bordnetz 100. Insbesondere umfasst das Fahrzeug 100 die Steuereinheit 104, die eingerichtet ist, über eine Sensoreinheit 202 (z.B. über einen Batteriesensor) Sensordaten in Bezug auf den Energiespeicher 102 zu erfassen. Die Sensordaten können den Ladezustand 300 des Energiespeichers 102 als Funktion der Zeit t anzeigen. Ein beispielhafter zeitlicher Verlauf 301 des Ladezustands 300 (d.h. des State of Charge, SOC) des Energiespeichers 102 als Funktion der Zeit t ist in 3 dargestellt. Des Weiteren umfasst das Fahrzeug 200 eine Speichereinheit 203, die eingerichtet ist, Daten in Bezug auf den Energiespeicher 102, insbesondere die Sensordaten und/oder davon abgeleitete Ereignisdaten, zu speichern.
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Elektrochemische Energiespeicher 102 weisen typischerweise eine Lebensdauer auf, die von der Entladetiefe (d.h. von der Depth of Discharge (DoD)) des Energiespeichers 102 abhängt. Folglich führen unterschiedliche Nutzungsprofile eines Energiespeichers 102 (mit unterschiedlichen Entladetiefen) zu unterschiedlichen Lebensdauern des Energiespeichers 102. Beispielsweise können AGM (Absorbent Glass Matt) Batterien bereits nach ca. 300 Vollzyklen-äquivalenten Entlade-Ereignisse bei Entladetiefen von ca. 50% der Nennkapazität vollständig gealtert sein. Andererseits kann sich die Lebensdauer einer AGM-Batterie bei relativ geringen Entladetiefen von nur 1% der Nennkapazität auf mehrere 1000 Vollzyklen-äquivalente Entlade-Ereignisse erhöhen. Die Ermittlung des kumulierten Belastungs- bzw. Alterungszustands eines Energiespeichers 102 kann somit typischerweise nicht ohne Weiteres auf Basis der Zählung eines Vollzyklen-äquivalenten Entlade-Wertes ermittelt werden.
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Beispielsweise kann beim Abstellen des (Verbrennungs-) Motors eines Fahrzeugs 200 die Gesamtentlademenge des Energiespeichers 102 während der Fahrt des Fahrzeugs 200 ermittelt und in der Speichereinheit 203 abgespeichert werden (z.B. „5Ah Entlademenge“). Die erfasste Gesamtentlademenge kann dann als ein anteiliges Vollzyklen-äquivalentes Entladeereignis bei der Ermittlung der verbleibenden Lebensdauer des Energiespeichers 102 berücksichtigt werden. Eine derart grobe Datenerfassung (ohne Zuordnung zu den real aufgetretenen Einzel-Entlade/Lade-Ereignissen bzw. ohne Zuordnung zu einer spezifischen Entladetiefe) führt jedoch typischerweise zu einer relativ ungenauen Ermittlung des kumulierten Belastungszustands eines Energiespeichers 102. Als Folge daraus können ggf. fehlerhafte Wartungsmaßnahmen (z.B. ein verfrühter oder ein verspäteter Austausch eines Energiespeichers 102) durchgeführt werden. Des Weiteren können auch fehlerhafte Maßnahmen zur Reduzierung der Belastung eines Energiespeichers 102 (z.B. das Abschalten bzw. die Degradation einer Motor-Stopp-Automatik) durchgeführt werden.
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Die Steuereinheit 104 kann eingerichtet sein, auf Basis der Sensordaten Ereignisdaten in Bezug auf einzelne Entlade/Lade-Ereignisse eines Energiespeichers 102 zu erfassen und in der Speichereinheit 203 zu speichern. 3 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf 301 des Ladezustands 300 eines Energiespeichers 102 während des Betriebs eines Fahrzeugs 200. Wie aus 3 zu entnehmen ist, kann der Ladezustand 300 zeitweise sinken (da elektrische Energie für den Betrieb von ein oder mehreren Verbrauchern 103 entnommen wird). Andererseits kann sich der Ladezustand 300 in anderen Zeitintervallen erhöhen (weil die Energiequelle 101 betrieben wird, etwa zur Rekuperation von Bremsenergie). Ein Teilbereich des zeitlichen Verlaufs 301 des Ladezustands zwischen dem Beginn und dem Ende eines zusammenhängenden Entladevorgangs kann als einzelnes Entlade/Lade-Ereignis 310 (d.h. Entlade- und/oder Lade-Ereignis oder kurz als Ereignis 310) betrachtet werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Teilbereich des zeitlichen Verlaufs 301 des Ladezustands zwischen dem Beginn und dem Ende eines zusammenhängenden Ladevorgangs als einzelnes Entlade/Lade-Ereignis 310 (d.h. Entlade- und/oder Lade-Ereignis oder kurz als Ereignis 310) betrachtet werden. Wie aus 3 zu entnehmen ist, erfolgen beim Betrieb eines Fahrzeugs 200 (insbesondere auch während einer einzelnen Fahrt eines Fahrzeugs 200) typischerweise eine Vielzahl von Entlade/Lade-Ereignissen 310.
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Für ein Entlade/Lade-Ereignis 310 können (auf Basis der Sensordaten) Ereignisdaten ermittelt und gespeichert werden. Beispielhafte Ereignisdaten sind:
- • die Ereignis-Entladetiefe 312; diese zeigt z.B. die Differenz des Ladezustands 300 des Energiespeichers 102 zwischen dem Beginn und dem Ende des Entlade/Lade-Ereignisses 310 an; und
- • den Ereignis-Ladezustand 311 zu Beginn und/oder am Ende eines Ereignisses 310.
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Es können somit während einer einzelnen Fahrt Ereignisdaten für eine Vielzahl von Ereignissen 310 erfasst und gespeichert werden. Dies kann für eine Vielzahl von Fahrten wiederholt werden. Diese Ereignisdaten können dann durch die Steuereinheit 104 ausgewertet werden, um in präziser Weise den kumulierten Belastungszustand des Energiespeichers 102 zu ermitteln.
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4a zeigt ein beispielhaftes Entladetiefen-Histogramm 403 (als Beispiel für eine Entladetiefen-Verteilung, umgerechnet in eine Anzahl an entladenen Vollzyklen), das auf Basis der Ereignisdaten der Vielzahl von Ereignissen 310 ermittelt werden kann. Insbesondere können die Ereignisse 310 gemäß der jeweiligen Ereignis-Entladetiefen 312 in unterschiedliche Entladetiefen-Gruppen 404 für unterschiedliche Wertebereiche der Entladetiefe 404 gruppiert werden. In dem dargestellten Beispiel sind Entladetiefen-Gruppen 404 für die Bereiche 10-20%, 20-30%, etc. vorgesehen. Des Weiteren ist der Bereich 0-10% in dem dargestellten Beispiel in mehrere Teilbereiche unterteilt (aufgrund der relativ hohen Anzahl von Ereignissen 310 in diesem Wertebereich).
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Für jede Entladetiefen-Gruppen 404 kann ein Häufigkeitswert 401 ermittelt werden, wobei der Häufigkeitswert 401 die Anzahl von Vollzyklen-äquivalenten Lade/Entlade-Ereignissen mit dem jeweiligen Wert der Entladetiefe 400 anzeigen kann. Zur Ermittlung des Häufigkeitswertes bzw. der Anzahl 401 für eine Entladetiefen-Gruppe 404 können zunächst die Ereignisse 310 identifiziert werden, die eine Ereignis-Entladetiefe 312 aufweisen, die in den Wertebereich dieser Entladetiefen-Gruppe 404 fällt. Jedes identifiziert Ereignis 310 kann dann in Abhängigkeit von der Ereignis-Entladetiefe 312 gewichtet werden, da ein Ereignis 310 typischerweise nur einem anteiligen Vollzyklen-äquivalenten Lade/Entlade-Ereignis entspricht. Beispielsweise entspricht ein Ereignis 310 mit einer Ereignis-Entladetiefe 312 von x (z.B. mit x=10%) nur einem x-ten Anteil eines Vollzyklen-äquivalenten Lade/Entlade-Ereignisses.
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Insgesamt können so für unterschiedliche Entladetiefen-Gruppen 404 unterschiedliche Häufigkeitswerte 401 ermittelt werden. Das Entladetiefen-Histogramm 403 wird dann durch die Häufigkeitswerte 401 als Funktion der Entladetiefen 400 der Entladetiefen-Gruppen 404 gebildet. Das Entladetiefen-Histogramm 403 stellt somit eine detaillierte Verteilung von Vollzyklen-äquivalenten Lade/Entlade-Ereignissen eines Energiespeichers 102 als Funktion der Entladetiefen 400 dar.
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Ein Energiespeicher 102 kann eine Entladetiefen-Kennlinie 410 aufweisen, die die maximal zulässige Häufigkeit bzw. Anzahl 401 von Vollzyklen-äquivalenten Lade/Entlade-Ereignissen als Funktion der Entladetiefe 400 anzeigt. Insbesondere kann die Fläche unterhalb der Entladetiefen-Kennlinie 410 einen Betriebsbereich für einen Energiespeicher 102 definieren, in dem der Energiespeicher 102 betrieben werden kann, bevor der Energiespeicher 102 ein planmäßiges Betriebsende bzw. Lebensende erreicht hat und somit ausgetauscht werden sollte.
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Die Steuereinheit 104 kann eingerichtet sein, das Entladetiefen-Histogramm 403 mit der Entladetiefen-Kennlinie 410 des Energiespeichers 102 zu vergleichen. Basierend auf dem Vergleich kann dann der kumulierte Betriebszustand des Energiespeichers 102 in präziser Weise ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann auf Basis des Vergleichs eine Anpassung der Betriebsstrategie für den Energiespeicher 102 erfolgen, um die Lebensdauer bzw. Nutzungsdauer des Energiespeichers 102 zu erhöhen.
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Ggf. kann bei der Ermittlung der Entladetiefen-Verteilung 403 eines Energiespeichers 102 zusätzlich der Ereignis-Ladezustand 311 der einzelnen Ereignisse 310 berücksichtigt werden. Beispielsweise kann eine Entladetiefen-Verteilung 403 als zwei- oder mehr-dimensionale Funktion der Ereignis-Entladetiefe 312 und des Ereignis-Ladezustands 311 ermittelt werden. Des Weiteren kann eine Entladetiefen-Kennlinie 410 für den Energiespeicher 102 als zwei- oder mehr-dimensionale Funktion der Ereignis-Entladetiefe 312 und des Ereignis-Ladezustands 311 bereitgestellt werden. Durch die zusätzliche Berücksichtigung des Ereignis-Ladezustands 311 können die Genauigkeit des ermittelten Belastungszustands des Energiespeichers 102 und/oder die Lebensdauer eines Energiespeichers 102 weiter erhöht werden.
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4b zeigt unterschiedliche Entladetiefen-Histogramme 421, 422 für einen Energiespeicher 102 an unterschiedlichen Zeitpunkten (z.B. nach 2 Jahren bzw. nach 4 Jahren Betrieb des Energiespeichers 102). Die Entladetiefen-Histogramme 421, 422 sind in 4b als (interpolierte) Entladetiefen-Verteilungen dargestellt. Auf Basis von ein oder mehreren gemessenen Entladetiefen-Histogrammen 421, 422 kann ein zukünftiges Entladetiefen-Histogramm 423 an einem zukünftigen Zeitpunkt prädiziert werden (z.B. unter der Annahme das der Betrieb bzw. die Betriebsstrategie des Bordnetzes 100 bzw. des Energiespeicher 102 unverändert auch in der Zukunft fortgesetzt werden). Basierend auf dem prädizierten Entladetiefen-Histogramm 423 kann dann die noch zu Verfügung stehende Lebensdauer des Energiespeicher 102 prädiziert werden. Z.B. kann prädiziert werden, dass zu einem zukünftigen Zeitpunkt das prädizierten Entladetiefen-Histogramm 423 die Entladetiefen-Kennlinie 410 des Energiespeichers 102 schneidet (siehe Punkt 424), und somit die Lebensdauer des Energiespeichers 102 abgelaufen sein wird.
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Alternativ oder ergänzend können auf Basis eines prädizierten Entladetiefen-Histogramms 423 ein oder mehrere Maßnahmen ermittelt werden, um die Lebensdauer eines Energiespeichers 102 zu verlängern. Beispielsweise kann ermittelt werden, dass die maximal zulässige Lebensdauer des Energiespeichers 102 voraussichtlich aufgrund des Häufigkeitswerts 401 in einer bestimmten Entladetiefen-Gruppe 404 erreicht sein wird (siehe Punkt 424 in 4b). Es können dann ein oder mehrere Maßnahmen ergriffen werden, um die Häufigkeit von Ereignissen 310 mit Ereignis-Entladetiefen 312 aus der bestimmten Entladetiefen-Gruppe 404 zu reduzieren (und dafür die Häufigkeit bzw. die Anzahl 401 von Ereignissen 310 mit anderen Ereignis-Entladetiefen 312 zu erhöhen). Insbesondere können ein oder mehrere Maßnahmen veranlasst werden, um die verfügbare Fläche unterhalb der Entladetiefen-Kennlinie 410 des Energiespeichers 102 möglichst vollständig auszufüllen, und um damit die verfügbare Lebensdauer des Energiespeichers 102 möglichst vollständig auszunutzen. Insbesondere kann das aktive Verschieben der Entlade/Lade-Ereignisse 310 in Richtung kleinerer Lade-/Entlademengen lebensdauerverlängernd für den Energiespeicher 102 sein.
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Es erfolgt somit während des Betriebs eines Bordnetzes 100 bzw. eines Energiespeichers 102 eine detaillierte Erfassung der tatsächlichen Zyklenbelastung des Energiespeichers 102. Zu diesem Zweck können die realisierten Vollzyklen-äquivalenten Ereignisse abhängig von den Entladetiefen 400 der aufgetretenen Einzelereignisse nach jeder Fahrt erfasst und gespeichert werden. Darüber hinaus können noch weitere Daten in Bezug auf ein Ereignis 310 erfasst und gespeichert werden (wie z.B. die Temperatur des Energiespeichers 102 bei dem Ereignis 310).
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Ziel der detaillierten Erfassung von Ereignisdaten in Bezug auf einzelne Entlade/Lade-Ereignisse 310 ist z.B. den Energiespeicher 102 für ein Bordnetz 100 in Abhängigkeit von dem Betriebsland des Fahrzeugs 200, in Abhängigkeit von Ausstattungsvarianten des Fahrzeugs 200 und/oder in Abhängigkeit von individuellen Nutzern des Fahrzeugs 200 dimensionieren und/oder auswählen zu können. Des Weiteren kann eine maximal mögliche Ausnutzung von Nutzungsbereichen eines Energiespeichers 102 bewirkt werden, was es ermöglicht, die erforderliche Dimensionierung von Energiespeichern 102 zu reduzieren und/oder die Lebensdauer von Energiespeichern 102 zu verlängern. Außerdem kann die Betriebsstrategie eines Bordnetzes 100 präventiv angepasst werden, um die Belastung für einen Energiespeicher 102 zu reduzieren.
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Die einzelnen Lade/Entlade-Ereignisse 310 des Energiespeichers können direkt in einem Histogramm bzw. in einer Verteilung 403 gespeichert werden (z.B. nach jeder Fahrt bzw. nach jedem detektierten Ereignis 310). Insbesondere kann ein in der Speichereinheit 203 gespeichertes Histogramm 403 während der Fahrt oder nach jeder Fahrt eines Fahrzeugs 200 aktualisiert werden. Es kann dann jeweils aktuell ein Vergleich mit der Lebensdauergarantie-Kennlinie 410 des Energiespeichers 102 erfolgen.
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So kann länder-, ausstattungs- und/oder nutzerspezifisch ein Zyklendurchsatz des Energiespeichers 102 prognostiziert werden. Dies ermöglicht wiederum eine frühzeitige Reaktion durch Anpassung der Betriebsstrategie des Bordnetzes 100.
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Die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen sind insbesondere für eine AGM-Batterie vorteilhaft. Die Maßnahmen sind aber auch für anderweitige Energiespeicher 102 anwendbar. Des Weiteren können die beschriebenen Maßnahmen in Mehrspeicher-Bordnetzen 100 verwendet werden. Derartige Bordnetze 100 weisen die Möglichkeit des Umladens von elektrischer Energie zwischen verschiedenen Energiespeichern 102 auf, um durch Anpassung einer Umladestrategie die Lebensdauer der Energiespeicher 102 zu erhöhen
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zur Überwachung eines Energiespeichers 102. Das Verfahren 500 kann z.B. durch die Steuereinheit 104 eines Bordnetzes 100 und/oder eines Fahrzeugs 200 ausgeführt werden.
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Das Verfahren 500 umfasst das Erfassen 501, während des Betriebs des Energiespeichers 102, von Ereignisdaten in Bezug auf unterschiedliche Entlade/Lade-Ereignisse 310 des Energiespeichers 102. Dabei können Ereignisdaten für den gesamten Betrieb des Energiespeichers 102 (seit Inbetriebnahme) erfasst und gespeichert werden. Ein Entlade/Lade-Ereignisse 310 kann dabei eine definierte Anzahl N von Ladevorgängen und/oder Entladevorgängen aufweisen (insbesondere genau einen Ladevorgang und/oder Entladevorgang). Dabei beginnt ein Entladevorgang direkt mit dem Abschluss eines vorhergehenden Ladevorgangs und endet direkt mit dem Beginn eines nachfolgenden Ladevorgangs. In entsprechender Weise beginnt ein Ladevorgang direkt mit dem Abschluss eines vorhergehenden Entladevorgangs und endet direkt mit dem Beginn eines nachfolgenden Entladevorgangs. Das Entladen des Energiespeichers 102 wird typischerweise durch die Bereitstellung von elektrischer Energie für ein oder mehrere elektrische Verbraucher 103 bewirkt. Andererseits wird das Laden des Energiespeichers 102 typischerweise durch die Bereitstellung von elektrischer Energie durch eine Energiequelle 101 bewirkt.
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Die Ereignisdaten für ein Entlade/Lade-Ereignis 310 zeigen eine Ereignis-Entladetiefe 312 des Energiespeichers 102 im Rahmen des Entlade/Lade-Ereignisses 310 an.
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Außerdem umfasst das Verfahren 500 das Ermitteln 502, auf Basis der Entladedaten, einer Entladetiefen-Verteilung 403 (insbesondere eines Entladetiefen-Histogramms 403), die für unterschiedliche Entladetiefen 400 eine Häufigkeit bzw. eine Anzahl 401 von Entlade/Lade-Ereignissen 310 mit entsprechender Ereignis-Entladetiefe 312 während des Betriebs des Energiespeichers 102 anzeigt. Dabei kann es sich bei der Häufigkeit bzw. der Anzahl 401 um Werte für Vollzyklen-äquivalente Entlade/Lade-Ereignisse handeln.
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Ferner umfasst das Verfahren 500 das Ermitteln 503, auf Basis der Entladetiefen-Verteilung 403 und auf Basis einer Entladetiefen-Kennlinie 410 des Energiespeichers 102, von Zustandsdaten in Bezug auf eine kumulierte Belastung des Energiespeichers 102. Insbesondere kann eine Vorhersage über die verbleibende Lebensdauer des Energiespeichers 102 getroffen werden. Alternativ oder ergänzend umfasst das Verfahren 500 das Anpassen der Betriebsstrategie für den Energiespeicher 102 und/oder des Betriebs des Betriebsspeichers 102, in Abhängigkeit von der Entladetiefen-Verteilung 403 und in Abhängigkeit von der Entladetiefen-Kennlinie 410.
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Über den in diesem Dokument beschriebenen Vergleich von erfassten Histogrammen bzw. Verteilungen 403 mit der Lebensdauergarantie-Kennlinie 410 eines Energiespeichers 102 ist ein länder-, ausstattungs- und/oder nutzerspezifischer Zyklendurchsatz des Energiespeichers 102 prognostizierbar. So kann frühzeitig eine Betriebsstrategie für den Energiespeicher 102 angepasst werden. Des Weiteren wird so eine länder-, ausstattungs- und/oder nutzerspezifische Konfiguration eines Energiespeichers 102 ermöglicht.
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Die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen ermöglichen eine maximale Ausnutzung eines verfügbaren und/oder zulässigen Nutzungsbereichs eines Energiespeichers 102. So kann eine minimal mögliche Dimensionierung eines Energiespeichers 102 bei gleichbleibend hoher Qualität erreicht werden. Durch ein Monitoring von Ereignissen 310 für eine Vielzahl von (baugleichen) Energiespeichern 102 kann ein zuverlässiges Monitoring erfolgen. Des Weiteren können so Prognosemodelle zur Prognose der Lebensdauer von Energiespeichern 102 erstellt werden. Durch die beschriebenen Maßnahmen kann ein präventives Qualitätsmanagement erfolgen. Des Weiteren kann ein frühzeitiger Eingriff über belastbare, an die Speichertechnologie angepasste, Betriebsstrategien erfolgen, z.B. anhand einer lebensdauerverlängernden Zyklisierungs-Verschiebung von Ereignissen 310 in Entladetiefen-Wertebereiche mit einer höheren Anzahl von noch verfügbaren Vollzyklen-äquivalenten Ereignissen. Zu diesem Zweck können z.B. Rekuperations-Phasen eines Fahrzeugs 200 verkürzt oder verlängert werden.
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Die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen können auch bei Mehrspeichersystemen mit gleichen oder unterschiedlichen Netzspannungen (z.B. 12/12V, 48/12V, HV(Hochvolt)/12V-Bordnetzen) verwendet werden, da lebensdauerverlängernde Umladestrategien zwischen den unterschiedlichen Energiespeichern 102 umgesetzt werden können, um die volle Garantie-Zyklisierung der verwendeten Energiespeicher 102 auszunutzen. Die beschriebenen Maßnahmen ermöglichen es auch Lebensdauer-Kennlinien 410 für Speichertechnologien zu erstellen bzw. zu ermitteln (auf Basis der Ereignisdaten der Einzel-Ereignisse 310 einer Vielzahl von baugleichen Energiespeichern 102). Diese Kennlinien 410 können dann zur Überwachung von einzelnen Energiespeichern 102 während des Betriebs der Energiespeicher 102 verwendet werden. So können die Zuverlässigkeit des Betriebs eines Energiespeichers 102 und/oder die zulässige Lebensdauer eines Energiespeichers 102 erhöht werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
