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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer Starterbatterie für eine Mitteltemperaturbatterie eines elektrisch angetriebenen Fortbewegungsmittels.
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In elektrisch angetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Elektro- und Hybridfahrzeugen werden meist auf Lithium-Basis hergestellte, aufladbare Traktionsbatterien eingesetzt, um mit diesen elektrische Antriebseinrichtungen mit elektrischer Energie zu versorgen. In Fortbewegungsmitteln eingebaute Batteriesysteme müssen auch bei niedrigen Temperaturen einsatzbereit sein. Heutige auf dem Markt verfügbare Batteriesysteme auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie (LiT) sind bereits ab ca. 0°C vollständig betriebsbereit. Neue Technologien von Lithium-Batterien, sogenannte Post Lithium-Ionen-Technologien (PLiT) auf Basis von Festkörperelektrolyten, verfügen im Vergleich i.d.R. über höhere Energiedichten. Diese Batterien werden beispielsweise bei Temperaturen oberhalb von ca. 70°C betrieben, weshalb diese auch als Mitteltemperaturbatterien oder Mid-T-Batterien bezeichnet werden. Bei niedrigen Temperaturen besitzen sie einen hohen elektrischen Innenwiderstand und sind daher in ihrem Leistungsverhalten eingeschränkt. Insbesondere im Zusammenhang mit Mitteltemperaturbatterien ist daher ein geeignetes Systemkonzept erforderlich, um diese vor einer Nutzung schnellstmöglich auf eine vordefinierte Betriebstemperatur zu erwärmen. Hierfür kann eine Starterbatterie verwendet werden, welche eingerichtet ist, die Mitteltemperaturbatterie mittels einer Heizvorrichtung aufzuwärmen.
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JP2010022151 offenbart eine Technologie zum Verhindern einer Verringerung einer Batterieleistung aufgrund einer niedrigen Temperatur einer Hauptbatterie oder einer Verringerung einer Batterielebensdauer aufgrund einer hohen Temperatur derselben. Es wird weiter vorgeschlagen in Abhängigkeit einer Temperatur der Hauptbatterie eine Mehrzahl von Umschaltern derart anzusteuern, dass die Hauptbatterie durch eine Wärmeerzeugungswirkung der ersten Hilfsbatterie erwärmt, oder durch eine Wärmeabsorptionswirkung der zweiten Hilfsbatterie gekühlt wird.
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US2006137918 offenbart eine Stromversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einem Startergenerator, einer Leistungselektronik, mindestens einer Batterie, mindestens einem dynamischen Energiespeicher und einem Gleichstromwandler. Eine Steuereinrichtung betätigt in Abhängigkeit eines Ladezustandes der Batterie, des Energiespeichers und eines Betriebszustandes des Kraftfahrzeugs eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltern derart, dass eine Rekuperationsenergie, die im Energiespeicher vorhanden ist, gespeichert wird. Eine Antriebsunterstützung wird durch Energie aus dem Energiespeicher bereitgestellt, sobald dieser geladen ist und wird bis zu diesem Zeitpunkt durch die Batterie bereitgestellt. Für einen schnellen Start wird Energie des Energiespeichers verwendet und die Batterie wird gemäß ihrem Ladezustand nach Bedarf geladen. Nach einer Rekuperation wird eine Fahrzeugelektronik durch die Batterie versorgt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die oben beschriebene Starterbatterie muss somit zu jedem Startzeitpunkt eines jeweiligen, mittels einer Mitteltemperaturbatterie angetriebenen Fortbewegungsmittels über ausreichend Energie für einen Aufwärmvorgang der Mitteltemperaturbatterie verfügen. Aus diesem Grund schlägt die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Laden der Starterbatterie für eine Mitteltemperaturbatterie eines elektrisch angetriebenen Fortbewegungsmittels vor. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Shuttle, Bus, Motorrad, E-Bike, PKW, Transporter, LKW) oder eine elektrisch angetriebene Arbeitsmaschine sein. Des Weiteren kann das Fortbewegungsmittel insbesondere ein Fortbewegungsmittel sein, welches eingerichtet ist, kinetische Energie des Fortbewegungsmittels durch einen Rekuperationsvorgang in Form elektrischer Energie zurückzugewinnen, um mittels eines daraus resultierenden Rekuperationsstroms beispielsweise eine Traktionsbatterie in Form einer Mitteltemperaturbatterie zu laden.
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In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein Ladebedarf der Starterbatterie ermittelt. Dies kann mittels einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit umgesetzt werden, die informationstechnisch mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) und/oder einer Sensorik der Starterbatterie verbunden sein kann. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o.ä., ausgestaltet sein. Eine Logik zur Durchführung der jeweiligen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte kann beispielsweise in Form eines Computerprogramms implementiert sein, welches durch die Auswerteeinheit ausgeführt wird. Die Auswerteeinheit kann bevorzugt eine informationstechnisch an die Auswerteeinheit angebundene interne und/oder externe Speichereinheit umfassen, um Berechnungsergebnisse und weitere durch die Auswerteeinheit erzeugte und/oder empfangene Daten zu speichern. Des Weiteren kann die Auswerteeinheit Bestandteil eines bestehenden Steuergerätes für eine zentrale Fahrzeugsteuerung des Fortbewegungsmittels, oder eine mit einem solchen Steuergerät korrespondierende Komponente sein. Der Ladebedarf der Starterbatterie kann bevorzugt im Ansprechen auf einen abgeschlossenen Startvorgang des Fortbewegungsmittels ermittelt werden, so dass eine Information über den Ladebedarf der Starterbatterie bereits zu Fahrtbeginn durch die Auswerteeinheit berücksichtigt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Ladebedarf auch zu einem späteren Zeitpunkt und/oder zu wiederkehrenden vordefinierten Zeitpunkten ermittelt bzw. überprüft werden. Der Ladebedarf kann zum Beispiel dann festgestellt werden, wenn eine in der Starterbatterie vorhandene (Rest-) Energiemenge nicht ausreicht, um die Mitteltemperaturbatterie im Zuge eines nachfolgenden Startvorgangs des Fortbewegungsmittels auf eine erforderliche Betriebstemperatur aufzuheizen. Ein Aufheizen der Mitteltemperaturbatterie durch die in der Starterbatterie gespeicherten Energie kann bevorzugt mittels einer Heizvorrichtung (Heizwendel, Peltier-Element, usw.) erfolgen, welche mit der Starterbatterie elektrisch verbunden und eingerichtet ist, erzeugte Wärme an die Mitteltemperaturbatterie abzugeben.
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In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Höhe eines Rekuperationsstromes des Fortbewegungsmittels mit einem vordefinierten Schwellenwert in Abhängigkeit eines Rekuperationszustandes des Fortbewegungsmittels verglichen. Die Höhe des Rekuperationsstromes kann in Abhängigkeit eines aktuellen Fahrbetriebs (z.B. starkes oder schwaches Bremsen) variieren und mittels einer informationstechnischen Anbindung der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit an einen Inverter des Antriebsstrangs des Fortbewegungsmittels ermittelt werden. Der Inverter ist bevorzugt eingerichtet, eine während eines Rekuperationsvorgangs durch einen Elektromotor des Fortbewegungsmittels erzeugte elektrische Energie entgegenzunehmen. Der für das Vergleichen herangezogene Schwellenwert kann in der an die Auswerteeinheit angebunden Speichereinheit abgelegt sein und durch das Computerprogramm ausgelesen und verarbeitet werden. Ein geeigneter vordefinierter Schwellenwert orientiert sich bevorzugt an einem Nennwert für eine elektrische Leistung und/oder einen elektrischen Strom und/oder eine elektrische Spannung einer jeweils elektrisch am schwächsten belastbaren Komponente im Verbund der zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Komponenten (inklusive der Starterbatterie). Da das erfindungsgemäße Verfahren wie weiter unten beschrieben u.a. vorsieht, dass unterschiedliche Energiequellen zum Laden der Starterbatterie mit der Starterbatterie elektrisch verbunden werden können, ist ein Einsatz geeigneter Schalter zum Verbinden einer jeweiligen Energiequelle erforderlich. Als Schalter kommen in diesem Zusammenhang beispielsweise Schaltschütze in Frage, welche einen Rekuperationsstrom des Fortbewegungsmittels schalten können. Konkrete Wertebereiche für einen geeigneten vordefinierten Schwellenwert können sich, je nach Batteriekapazität, in einem Bereich von 0,1 C bis 10 C, insbesondere in einem Bereich von 0,5 C bis 6 C und bevorzugt in einem Bereich von 1 C bis 3 C bewegen. Es sei darauf hingewiesen, dass die genannten Wertebereiche zur Festlegung des vordefinierten Schwellenwertes der Veranschaulichung dienen und nicht auf diese eingeschränkt sind. Das Vergleichen der Höhe des Rekuperationsstroms mit dem vordefinierten Schwellenwert, welcher in der nachfolgenden Beschreibung einem beispielhaften Wert von 2 C entspricht, kann in Abhängigkeit eines Rekuperationszustandes des Fortbewegungsmittels durchgeführt werden. D.h., dass das Vergleichen bevorzugt nur dann durchgeführt wird, wenn ein Rekuperationsstrom durch das Fortbewegungsmittel in Abhängigkeit eines Fahrbetriebs (z.B. während eines Bremsvorgangs) zur Verfügung gestellt wird.
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In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Starterbatterie in Abhängigkeit des ermittelten Ladebedarfs und in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleichens mittels des Rekuperationsstromes oder mittels einer in einem Speicherkondensator gespeicherten elektrischen Energie aus einem oder mehreren vorangegangenen Rekuperationsvorgängen geladen. Der Speicherkondensator kann beispielsweise ein Superkondensator und insbesondere ein Hybrid-Superkondensator sein, um Rekuperationsströme, deren Höhe oberhalb des vordefinierten Schwellenwertes liegen, zum Laden des Speicherkondensators zu verwenden. Da die Starterbatterie i.d.R. nur mit einem vordefinierten maximalen Ladestrom geladen werden sollte, kann ein aktuell erzeugter Rekuperationsstrom, dessen Höhe den zulässigen Ladestrom bzw. den daran angepassten vordefinierten Schwellenwert überschreitet, auf diese Weise mittels des Speicherkondensators zwischengespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt für einen Ladevorgang der Starterbatterie verwendet werden. Der Speicherkondensator kann zudem über ein Managementsystem verfügen, welches im Falle eines Hybrid-Superkondensators ein Batteriemanagementsystem sein kann. Die erfindungsgemäße Auswerteeinheit kann informationstechnisch mit einem solchen (Batterie-) Managementsystem und/oder einer Sensorik des Speicherkondensators verbunden sein und auf diese Weise Zustandsinformationen des Speicherkondensators vom (Batterie-) Managementsystem des Speicherkondensators empfangen. Dies können u.a. Informationen über einen aktuellen Ladezustand und/oder eine Temperatur des Speicherkondensators sein.
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Für den Fall, dass ein Ladebedarf der Starterbatterie vorliegt und eine Höhe eines aktuell anliegenden Rekuperationsstroms unterhalb des vordefinierten Schwellenwertes liegt, kann die Starterbatterie direkt mittels des Rekuperationsstroms geladen werden. Dies stellt einen bevorzugten Ladevorgang für die Starterbatterie dar, da in diesem Fall keine weiteren Speicherkomponenten erforderlich sind, die zu einem Verlust von elektrischer Energie führen können. Zum direkten Laden der Starterbatterie mittels eines aktuellen Rekuperationsstromes kann die Auswerteeinheit unter Verwendung eines Datenausgangs einen ersten Schalter derart ansteuern, dass dieser in einer ersten Schalterstellung den Rekuperationsstrom an die Starterbatterie weiterleitet.
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Da sich eine durch den Rekuperationsvorgang erzeugte elektrische Spannung i.d.R. auf einem anderen Spannungsniveau befindet, als eine Spannung der Starterbatterie, kann bevorzugt ein Gleichspanungswandler zwischen eine Rekuperationsenergiequelle und die Starterbatterie geschaltet werden, welcher die durch den Rekuperationsvorgang erzeugte elektrische Spannung in eine für die Starterbatterie geeignete Spannung (z.B. 12 V) umwandelt.
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Für den Fall, dass ein Ladebedarf der Starterbatterie vorliegt und eine Höhe eines aktuell anliegenden Rekuperationsstroms oberhalb des vordefinierten Schwellenwertes liegt, kann die Starterbatterie nicht direkt durch den Rekuperationsstrom geladen werden, da dies aufgrund der Stromstärke zu einer Beschädigung des Starterbatterie führen kann. Aus diesem Grund wird der erste Schalter mittels eines Steuerbefehls durch die Auswerteeinheit in einer zweite Schalterstellung gebracht, in welcher der Rekuperationsstrom statt in die Starterbatterie über einen weiteren Ladepfad zunächst in den Speicherkondensator fließt, um diesen zu laden. Der Speicherkondensator kann ebenfalls über den beschriebenen Gleichspannungswandler elektrisch mit der Starterbatterie verbunden sein. Mindestens in einem Zeitraum, in dem der Speicherkondensator mittels des Rekuperationsstromes geladen wird, befindet sich ein dem Gleichspannungswandler vorgelagerter Schalter oder ein eingangsseitig in den Gleichspannungswandler integrierter Schalter bevorzugt in einem unterbrochenen Zustand. Die Ansteuerung dieses Schalters erfolgt wiederum mittels des Datenausgangs der Auswerteeinheit. Durch das Unterbrechen wird sichergestellt, dass ein Rekuperationsstrom, der höher ist, als der vordefinierte Schwellenwert, nicht in die Starterbatterie fließen kann. Nachdem der Speicherkondensator geladen ist, kann die Auswerteinheit den ersten Schalter zu einem geeigneten Zeitpunkt in eine dritte Schalterstellung bringen, welche den Rekuperationsstrom weder direkt, noch indirekt über den Speicherkondensator zur Starterbatterie fließen lässt. Anschließend kann die Auswerteeinheit den eingangsseitigen Schalter des Gleichspannungswandlers schließen, so dass die Starterbatterie über den Gleichspannungswandler mittels der im Speicherkondensator gespeicherten elektrischen Energie geladen werden kann.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Vergleichen der Höhe des Rekuperationsstromes mit dem vordefinierten Schwellenwert zusätzlich in Abhängigkeit eines ermittelten Ladebedarfs der Starterbatterie durchgeführt. Mit anderen Worten, können das Vergleichen und auch nachfolgende Verfahrensschritte für den Fall ausgelassen werden, in dem kein Ladebedarf der Starterbatterie vorliegt. Dadurch kann die Ausführung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte mittels der Auswerteeinheit entsprechend verkürzt werden, wodurch eine Reduzierung einer Rechenlast der Auswerteeinheit erzielt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt das Laden der Starterbatterie zusätzlich in Abhängigkeit eines Ladezustandes der Mitteltemperaturbatterie. D.h., dass ein Laden der Starterbatterie mittels des Rekuperationsstromes z.B. nur dann durchgeführt wird, wenn sich in der Mitteltemperaturbatterie eine ausreichend große Energiemenge zur Fortführung eines jeweiligen Fahrbetriebs befindet. Sollte dies nicht der Fall sein, kann in Übereinstimmung mit einer durch das Computerprogramm der Auswerteeinheit implementierten Ladestrategie zunächst die Mitteltemperaturbatterie mittels des Rekuperationsstroms geladen werden. Durch eine solche Ladestrategie können zahlreiche Randbedingungen berücksichtigt werden, um ein Laden der Starterbatterie und/oder der Mitteltemperaturbatterie hinsichtlich einer Reichweite des Fortbewegungsmittels und einer erneuten Startmöglichkeit zu optimieren. In diesem Zusammenhang kann insbesondere auch eine Information über eine voraussichtliche Fahrtdauer, beispielsweise durch Auswerten eines Routenziels eines Navigationssystems des Fortbewegungsmittels, durch die Ladestrategie berücksichtigt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Ladebedarf der Starterbatterie anhand einer aktuellen und/oder einer geschätzten zukünftigen Temperatur der Mitteltemperaturbatterie ermittelt. Eine aktuelle Temperatur kann beispielsweise mittels einer an ein Batteriemanagementsystem der Mitteltemperaturbatterie angebundenen Sensorik ermittelt und an die Auswerteeinheit übertragen werden. Auf Basis der ermittelten Temperatur der Mitteltemperaturbatterie und eines aktuellen Ladezustandes der Starterbatterie kann durch die erfindungsgemäße Auswerteeinheit ein aktueller Ladebedarf der Starterbatterie ermittelt werden. Hierfür kann in der an die Auswerteeinheit angebunden Speichereinheit beispielsweise eine Umsetzungstabelle (engl. lookup-table) abgelegt sein, welche einen jeweiligen Energiemengenbedarf der Starterbatterie in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur der Mitteltemperaturbatterie festlegt. Darüber hinaus kann durch die Auswerteeinheit bzw. die durch das Computerprogramm umgesetzte Ladestrategie auch eine zukünftige Temperatur der Mitteltemperaturbatterie bei einem zukünftigen Startvorgang des Fortbewegungsmittels abgeschätzt werden, um einen Energiemengenbedarf der Starterbatterie für diesen zukünftigen Startvorgang zu ermitteln. Hierfür können u.a. eine Nutzungshistorie des Fortbewegungsmittels zum Ermitteln einer voraussichtlichen Uhrzeit des zukünftigen Startvorgangs, Informationen einer Wettervorhersage oder auch Kalenderinformationen zur Bestimmung der zukünftigen Temperatur der Mitteltemperaturbatterie herangezogen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Laden der Starterbatterie alternativ oder zusätzlich mittels einer in der Mitteltemperaturbatterie gespeicherten elektrischen Energie durchgeführt. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn durch einen aktuellen Fahrbetrieb nicht genügend Rekuperationsenergie erzeugt wird, um die Starterbatterie zu laden, oder wenn die erzeugte Rekuperationsenergie aufgrund der Ladestrategie zu einem überwiegenden Teil oder vollständig zum Laden der Mitteltemperaturbatterie verwendet wird. Ein Laden der Starterbatterie mittels der Energie der Mitteltemperaturbatterie kann durch eine Ansteuerung eines zweiten Schalters durch die Auswerteeinheit realisiert werden, wobei der zweite Schalter die Mitteltemperaturbatterie über den Gleichspannungswandler mit der Starterbatterie verbinden kann. Das Laden der Starterbatterie erfolgt bevorzugt in einem Zustand der Mitteltemperaturbatterie, in dem sich eine Temperatur der Mitteltemperaturbatterie in ihrem vordefinierten Betriebsbereich befindet. Dies kann beispielsweise während eines Fahrbetriebs oder unmittelbar nach Beendigung eines Fahrbetriebs sichergestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Zeitpunkt zum Laden der Starterbatterie und/oder eine Wahl einer Energiequelle zum Laden der Starterbatterie auf Basis einer vordefinierten Ladestrategie ermittelt. Die bereits beschriebene Ladestrategie kann in diesem Zusammenhang bevorzugt sämtliche Einflussgrößen bzw. Messgrößen und Ansteuerungsmöglichkeiten durch die Auswerteeinheit (erster Schalter, zweiter Schalter, eingangsseitiger Schalter des Gleichspannungswandlers, usw.) berücksichtigen und durch das Computerprogramm abbilden. Zum Laden der Starterbatterie können entsprechend folgende Energiequellen durch die Ladestrategie berücksichtigt werden: direktes Laden mittels eines Rekuperationsstroms, dessen Höhe unterhalb des vordefinierten Schwellenwertes liegt, indirektes Laden mittels des durch den Rekuperationsstrom geladenen Speicherkondensators, oder Laden mittels der Mitteltemperaturbatterie bzw. eines an die Mitteltemperaturbatterie angeschlossenen Ladegeräts.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Laden einer Starterbatterie für eine Mitteltemperaturbatterie eines elektrisch angetriebenen Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit mit einem Dateneingang und einem Datenausgang, eine Starterbatterie und ein Speicherkondensator. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o.ä., ausgestaltet sein kann. Eine Logik zur Durchführung jeweiliger erfindungsgemäßer Verfahrensschritte kann beispielsweise in Form eines Computerprogramms implementiert sein, welches durch die Auswerteeinheit ausgeführt wird. Die Auswerteeinheit kann bevorzugt eine informationstechnisch an die Auswerteeinheit angebundene interne und/oder externe Speichereinheit umfassen, um beispielsweise Berechnungsergebnisse und weitere durch die Auswerteeinheit erzeugte und/oder empfangene Daten zu speichern. Des Weiteren kann die Auswerteeinheit Bestandteil eines bestehenden Steuergerätes für eine zentrale Fahrzeugsteuerung des Fortbewegungsmittels oder eine mit einem solchen Steuergerät korrespondierende Komponente sein. Des Weiteren kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, in Verbindung mit dem Dateneingang einen Ladebedarf der Starterbatterie durch Auswerten einer Information eines Batteriemanagementsystems und/oder einer Sensorik der Starterbatterie zu ermitteln. Ferner ist die Auswerteeinheit eingerichtet, eine Höhe eines Rekuperationsstromes des Fortbewegungsmittels mit einem in der Speichereinheit abgelegten, vordefinierten Schwellenwert zu vergleichen. In Verbindung mit dem Datenausgang kann die Starterbatterie in Abhängigkeit des Ladebedarfs und eines Ergebnisses des Vergleichens mittels des Rekuperationsstromes oder mittels einer im Speicherkondensator gespeicherten elektrischen Energie aus einem oder mehreren vorangegangenen Rekuperationsvorgängen geladen werden. Hierfür kann der Datenausgang der Auswerteeinheit mit einem oder mehreren ansteuerbaren Schaltern informationstechnisch verbunden sein, welche durch eine geeignete Ansteuerung ein direktes Laden der Starterbatterie und/oder ein indirektes Laden der Starterbatterie über den Speicherkondensator ermöglichen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass sämtliche hier gezeigten Aspekte, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulichend und nicht einschränkend sind. Es sind darüber hinaus zahlreiche Modifikationen, Variationen und Auslassungen derselben innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung denkbar.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
- 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Batteriesystem und einem Antriebsstrang eines Fortbewegungsmittels.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Flussdiagramm beginnt bei einem Startknoten S auf welchen ein Schritt 100 folgt, in welchem ein Ladebedarf einer Starterbatterie 50 für eine Mitteltemperaturbatterie 60 eines Fortbewegungsmittels vor einem Start des Fortbewegungsmittels ermittelt wird. Der Ladebedarf wird in Abhängigkeit einer erforderlichen Energiemenge für ein Aufheizen der Mitteltemperaturbatterie 60 auf eine vordefinierte Betriebstemperatur bestimmt. Zusätzlich wird zur Bestimmung der erforderlichen Energiemenge eine aktuelle Temperatur der Mitteltemperaturbatterie 60 mittels einer Sensorik der Mitteltemperaturbatterie 60 ermittelt. Im Schritt 120 wird anschließend ermittelt, ob die in der Starterbatterie 50 verfügbare Energiemenge gleich oder größer ist, als die für den Aufwärmvorgang der Mitteltemperaturbatterie 60 erforderliche Energiemenge. Sofern die Energiemenge kleiner ist, als die erforderliche Energiemenge wird das Verfahren im Schritt 180 fortgeführt, welcher ein Laden der Starterbatterie 50 mittels einer externen Ladevorrichtung bzw. einer externen Energiequelle vorsieht. Auf den Schritt 180 folgt nach dem abgeschlossenen Ladevorgang der Starterbatterie 50 zunächst ein Beenden des Verfahrens im Endknoten E. Sofern eine im Schritt 120 ermittelte Energiemenge gleich oder größer ist, als die erforderliche Energiemenge, wird das Verfahren im Schritt 140 fortgeführt, in welchem ein Aufwärmen der Mitteltemperaturbatterie 60 mittels der in der Starterbatterie 50 gespeicherten Energie in Verbindung mit einer Heizvorrichtung der Mitteltemperaturbatterie 60 erfolgt. Sobald die Mitteltemperaturbatterie 60 auf diese Weise ihre vordefinierte Betriebstemperatur erreicht hat, wird im Schritt 160 das Fortbewegungsmittel gestartet und eine Fahrt des Fortbewegungsmittels begonnen. Im nachfolgenden Schritt 200 wird eine Höhe eines durch das Fortbewegungsmittel erzeugten Rekuperationsstroms 74 mit einem vordefinierten Schwellenwert während eines aktiven Rekuperationsvorgangs verglichen. Sofern die Höhe des Rekuperationsstroms 74 niedriger ist, als der vordefinierte Schwellenwert, wird die durch den abgeschlossenen Aufwärmvorgang (teil-) entladene Starterbatterie 50 im Schritt 300 so lange mittels des Rekuperationsstroms 74 geladen, bis sie eine erforderliche Energiemenge zum erneuten Aufwärmen der Mitteltemperaturbatterie 60 im Zuge eines nachfolgenden Startvorgangs aufgenommen hat. Da eine Temperatur der Mitteltemperaturbatterie 60 bei einem nachfolgenden Startvorgangs i.d.R. nur abgeschätzt werden kann, wird eine abgeschätzte, erforderliche Energiemenge mit einer vordefinierten zusätzlichen Energiemenge als Sicherheitspuffer beaufschlagt. Alternativ kann die Starterbatterie 50 im Schritt 300 auch vollständig geladen werden. Sofern die Höhe des Rekuperationsstroms 74 im Schritt 200 gleich oder größer ist, als der vordefinierte Schwellenwert, wird das Verfahren im Schritt 220 weitergeführt. Im Schritt 220 wird ein Hybrid-Superkondensator 30 mittels des Rekuperationsstroms 74 geladen. Im nachfolgenden Schritt 300 wird die Starterbatterie 50 mittels der im Hybrid-Superkondensator 30 gespeicherten Energie geladen. Der Ladevorgang kann analog zum Ladevorgang durchgeführt werden, der im oben beschriebenen Schritt 300 unter direkter Verwendung des Rekuperationsstroms 74 erfolgt. Im nachfolgenden Schritt 400 wird die Fahrt des Fortbewegungsmittels beendet und es wird erneut ermittelt, ob die in der Starterbatterie 50 zu diesem Zeitpunkt enthaltene Energiemenge ausreicht, um die Mitteltemperaturbatterie 60 in einem nachfolgenden Startvorgang des Fortbewegungsmittels auf die erforderliche Betriebstemperatur aufzuwärmen. Sofern die ermittelte Energiemenge gleich oder größer ist, als die erforderliche Energiemenge, wird das Verfahren im Endknoten E beendet. Sofern die ermittelte Energiemenge kleiner ist, als die erforderliche Energiemenge, wird das Verfahren im Schritt 600 fortgesetzt. Im Schritt 600 wird die Starterbatterie 50 mittels der Energie der Mitteltemperaturbatterie 60 geladen, welche sich zu diesem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Beenden der Fahrt noch auf Betriebstemperatur befindet und somit für den Ladevorgang verwendet werden kann.
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2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Batteriesystem und einem Antriebsstrang eines Fortbewegungsmittels. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist Bestandteil eines Steuergeräts für eine zentrale Fahrzeugsteuerung (vehicle control unit bzw. VCU) und umfasst eine Auswerteeinheit 10, die in diesem Ausführungsbeispiel ein Mikrocontroller ist, welcher eingerichtet ist, erfindungsgemäße Verfahrensschritte mittels eines Computerprogramms auszuführen. Die Auswerteeinheit 10 umfasst eine Mehrzahl digitaler Dateneingänge 12 und eine Mehrzahl digitaler Datenausgänge 14, über welche die Auswerteeinheit 10 mit einer Mehrzahl von Komponenten des Batteriesystems informationstechnisch verbunden ist. Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Hybrid-Superkondensator 30 und eine Starterbatterie 50, welche wie oben beschrieben informationstechnisch mit der Auswerteeinheit 10 verbunden sind. Darüber hinaus sind weitere Komponenten im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Auswerteeinheit 10 direkt oder indirekt informationstechnisch verbunden: ein Gleichspannungswandler 40, ein erster Schalter 20, ein zweiter Schalter 25, eine Mitteltemperaturbatterie 60 und ein Inverter 70, welcher als eine Leistungselektronik für einen Elektromotor 72 fungiert. Die in diesem Batteriesystem beschriebenen Speicherkomponenten für elektrische Energie verfügen jeweils über ein Batteriemanagementsystem BMS, über welches diese Komponenten mit der Auswerteeinheit 10 kommunizieren können. Das durch den Mikrocontroller der Auswerteeinheit 10 ausgeführte Computerprogramm realisiert eine wirkungsgradoptimierte Ladestrategie für die Starterbatterie 50 unter Berücksichtigung eines Ladebedarfs der Starterbatterie 50, eines Ladezustandes der Mitteltemperaturbatterie 60 und einer Temperatur der Mitteltemperaturbatterie 60 und einer Höhe eines durch den Elektromotor 72 des Fortbewegungsmittels erzeugten Rekuperationsstroms 74 zum Laden der Starterbatterie 50.
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Der im Zuge eines Bremsvorgangs des Fortbewegungsmittels durch den Elektromotor 72 erzeugte Rekuperationsstrom 74 wird über den Inverter 70, je nach Ansteuerung der jeweiligen Komponenten durch die erfindungsgemäße Auswerteeinheit 10, entweder zum Laden der Mitteltemperaturbatterie 60, zum Laden des Hybrid-Superkondensators 30, oder zum direkten Laden der Starterbatterie 50 verwendet. Für den Fall, dass die Ladestrategie zu einem aktuellen Zeitpunkt weder ein Laden der Starterbatterie 50, noch ein Laden des Hybrid-Superkondensators 30 vorsieht (z.B. weil diese bereits geladen sind, oder weil ein Laden der Mitteltemperaturbatterie 60 aktuell Vorrang hat), kann der durch den Inverter 70 bereitgestellte Rekuperationsstrom 74 zum Laden der Mitteltemperaturbatterie 60 verwendet werden. Zu diesem Zweck wird durch die Auswerteeinheit 10 der zweite Schalter 25 geschlossen und der erste Schalter 20 in eine Unterbrechungsstellung gebracht (Schalterstellung 3). Auf diese Weise wird der Rekuperationsstrom 74 ausschließlich der Mitteltemperaturbatterie 60 zugeführt. Für den Fall, dass die Ladestrategie einen Ladebedarf der Starterbatterie 50 feststellt und das Laden der Mitteltemperaturbatterie 60 zu einem aktuellen Zeitpunkt keinen Vorrang hat, wird der zweite Schalter 25 geöffnet und der erste Schalter 20 in eine geeignete Stellung zum Laden der Starterbatterie 50 gebracht. Sowohl der erste Schalter 20, als auch der zweite Schalter 25 werden hier im Falle einer Ansteuerung durch die Auswerteeinheit 10 indirekt über den Inverter 70 angesteuert, da in diesem entsprechende Informationen über einen Rekuperationszustand und einen jeweiligen Rekuperationsstrom 74 des Fortbewegungsmittels vorliegen. Alternativ oder zusätzlich können die genannten Komponenten in einer modifizierten Variante dieses Ausführungsbeispiels (nicht dargestellt) auch direkt durch die Auswerteeinheit 10 angesteuert werden. Sofern sich eine Höhe eines aktuellen Rekuperationsstroms 74 unterhalb eines in einer Speichereinheit des Mikrocontrollers abgelegten vordefinierten Schwellenwertes befindet, wird der erste Schalter 20 in Schalterstellung 1 gebracht. Dies führt dazu, dass der Rekuperationsstrom 74 über den Gleichspannungswandler 40 direkt zur Starterbatterie 50 geführt wird, um diese zu laden. Der Gleichspannungswandler 40 stellt sicher, dass die durch den Rekuperationsvorgang erzeugte elektrische Spannung in eine für die Starterbatterie 50 geeignete Spannung (z.B. ca. 12 V) gewandelt wird. Darüber hinaus verfügt der Gleichspannungswandler 40 über einen eingangsseitigen integrierten Schalter (nicht dargestellt), der im Falle eines Ladevorgangs der Starterbatterie 50 mittels einer Ansteuerung durch die Auswerteeinheit 10 in eine Durchlassstellung gebracht wird. Ein solcher direkter Ladepfad der Starterbatterie stellt hinsichtlich eines Wirkungsgrades des gesamten Batteriesystems einen optimalen und bevorzugten Ladepfad dar, da in diesem Fall keine weiteren Speicherkomponenten zur Übertragung der elektrischen Energie an die Starterbatterie 50 erforderlich sind, welche jeweils zu Verlusten von elektrischer Energie führen können. Für den Fall, dass ein aktuell anliegender Rekuperationsstrom 74 gleich oder größer ist, als der vordefinierte Schwellenwert, wird der erste Schalter 20 in Schalterstellung 2 gebracht. Dies sorgt dafür, dass der direkte Ladepfad zwischen dem ersten Schalter 20 und dem Gleichspannungswandler 40 und der Starterbatterie 50 unterbrochen wird und stattdessen der Ladepfad vom ersten Schalter 20 zum Hybrid-Superkondensator 30 aktiviert wird. Gleichzeitig wird der eingangsseitige Schalter des Gleichspannungswandlers 40 unterbrochen, so dass der zum Hybrid-Superkondensator 30 fließende hohe Rekuperationsstrom 74 während des Ladevorgangs des Hybrid-Superkondensators 30 nicht die Starterbatterie 50 erreicht und somit die Starterbatterie 50 nicht beschädigen kann. Sobald der Hybrid-Superkondensator 30 geladen ist, wird der erste Schalter 20 in Schalterstellung 3 gebracht, um die Stromzufuhr zum Hybrid-Superkondensator 30 zu unterbrechen. Anschließend wird die Starterbatterie 50 mittels der im Hybrid-Superkondensator 30 gespeicherten Energie geladen, indem die Auswerteeinheit 10 den eingangsseitigen Schalter des Gleichspannungswandlers 40 mittels eines entsprechenden Steuerbefehls schließt, so dass ein Ladestrom vom Hybrid-Superkondensator 30 über den Gleichspannungswandler 40 zur Starterbatterie 50 fließen kann. Zeitgleich schließt die Auswerteeinheit 10 den zweiten Schalter 25, so dass ein aktueller Rekuperationsstrom 74 wieder zum Laden der Mitteltemperaturbatterie 60 verwendet werden kann. Für den Fall, dass die Starterbatterie 50 während eines Fahrbetriebs nicht mit einer ausreichenden Menge an elektrischer Energie geladen werden kann, kann die Starterbatterie 50 bevorzugt unmittelbar nach Beendigung des Fahrbetriebs (also zu einem Zeitpunkt, zu dem sich die Mitteltemperaturbatterie 60 noch auf einer vordefinierten Betriebstemperatur befindet) mittels der in der Mitteltemperaturbatterie 60 gespeicherten Energie geladen werden, indem der zweite Schalter 25 geschlossen, der erste Schalter 20 in Schalterstellung 1 gebracht und der eingangsseitige Schalter des Gleichspannungswandlers 40 ebenfalls geschlossen wird. Sofern die Mitteltemperaturbatterie 60 in einem solchen Szenario selbst nicht mehr über eine ausreichende Energiemenge verfügt, kann die Mitteltemperaturbatterie 60 zunächst mittels eines externen Ladevorgangs (z.B. an einer Ladestation) geladen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010022151 [0003]
- US 2006137918 [0004]
