DE102019215408A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Rekalibrieren von Energiezählern in Elektrofahrzeugen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Rekalibrieren von Energiezählern in Elektrofahrzeugen Download PDF

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Abstract

Verfahren und entsprechende Vorrichtungen zum Überwachen einer Energiemesseinrichtung, wobei eine Menge an Energie an einem ersten geeichten Messpunkt gemessen und übertragen wird, und an einem zweiten Messpunkt gemessen und übertragen wird, und an einem dritten Punkt gemessen wird, wobei die Mengen paarweise verglichen und Abweichungen festgestellt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung von Ladevorgängen für Elektrofahrzeuge. Es muss Vertrauen herrschen sowohl auf Seite des Kunden als auch bei dem Stromlieferant, damit Laden möglichst überall und sorglos bewältigt werden kann, und insb. damit etwaige Risikozuschläge beim Stromkauf und Verkauf vermieden werden können und eine rechtlich gültige Abrechnung ermöglicht wird.
  • Elektrofahrzeuge benötigen eine Energie- oder Stromquelle. Häufig ist dies ein Akku oder Stromspeicher. Ein Elektrofahrzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein Fahrzeug mit mindestens einem elektrischen Antrieb. Dies beinhaltet auch Fahrzeuge, die nur ergänzend mit einem elektrischen Antrieb ausgestattet sind, z.B. Hybridfahrzeuge. Nutzt ein Elektrofahrzeug einen Stromspeicher oder elektrischen Energiespeicher, also eine Batterie oder einen Akkumulator, dann kann dieser üblicherweise durch Anbindung an ein elektrisches Versorgungsnetz aufgeladen werden. Der Stromspeicher kann auch die Möglichkeit anbieten, elektrische Energie für das Netz bereitzustellen. Dabei können insbesondere auch die oben genannten Elektrofahrzeuge, bzw. deren Stromspeicher, zum Einspeisen von elektrischer Energie im Versorgungsnetz verwendet werden. Weiter kann das Elektrofahrzeug zusätzlich mit einer Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie kombiniert werden, also beispielsweise mit einer auf dem Dach des Fahrzeugs montierten Fotovoltaikanlage.
  • Problematisch bleibt die Abrechnung für verbrauchten Strom oder elektrische Energie. Elektrische Energie wird anhand eines Messgeräts gemessen. Das Messgerät muss geeicht sein, um sicherzustellen, dass ordnungsgemäß abgerechnet wird.
  • Es kann wegen Verlusten in der Stromlieferkette zu Unstimmigkeiten kommen. Wenn Strom am Auto abgeliefert und abgebucht werden soll, dann muss an dem Lieferort bzw. der Lieferstelle, an dem Messpunkt verlässlich gemessen werden. Um sämtliche Abweichungen bzw. Unstimmigkeiten früh zu identifizieren, kann der Stromverbrauch an verschiedenen Stellen in der Lieferkette abgeglichen werden.
  • Unter Anderem kann beim Laden nie mehr Strom in den Stromspeicher fließen, als aus dem Netz entnommen und gemessen wird. Das Gleiche gilt in umgekehrte Richtung beim Einspeisen von Energie vom Speicher (Abfluss) ins Netz.
  • Verluste können im Wesentlichen aus Wärmeerzeugung, induktive Verluste, und evtl. Blindleistung bestehen. Es ist für das erfinderische Konzept unerheblich wie die elektrische Energie verloren geht.
  • Bei einem Elektrofahrzeug kann zusätzlich ein Energiezähler eingebaut werden, oder existierende Messmöglichkeiten können zu Messzwecken umgewidmet werden. Ein solcher Zähler kann sowohl als eigenständige Komponente als auch integriert im Charger oder Batterie-Management System (BMS) vorhanden sein. Der Energiezähler oder die Messeinrichtung misst die Menge der durchfließenden elektrischen Energie, vorzugsweise in kWh, und übermittelt diese an das Steuergerät. Dieser Prozess ist bidirektional, das heißt es kann sowohl bei einem Ladeprozess als auch gegebenenfalls einem Einspeiseprozess an das Versorgungsnetz mittels einem Energiezähler oder einer Mess- oder Verbrauchseinheit gemessen und überwacht werden.
  • Um diese Zähler auch für Abrechnungsverfahren betreiben zu dürfen, müssen diese eichrechtskonform sein. Hierbei ist üblicherweise nach einer gewissen Zeit eine erneute Prüfung vorgesehen, die die Konformität bestätigt und die zugelassene Betriebszeit verlängert.
  • In einer bevorzugten Ausführung geht das Verfahren davon aus, dass der im Fahrzeug verbaute Zähler (direkt bei der Einspeisung vor oder im Charger) durch das Fahrzeug immer wieder an externen, „konformen“ Zählern betrieben wird. Der externe Zähler wird geeicht sein und kann als Referenz dienen. Durch ein Protokoll (z.B. ISO 15118) werden die Zählerstände kommuniziert und automatisch übertragen. Da beide Zähler eine gewisse Fehlertoleranz haben, sollten die Werte ähnlich sein.
  • In einer Ausführung, wenn signifikante Abweichungen an dem Messpunkt 2 festgestellt werden, so wird an der Messeinrichtung 2 nachjustiert.
  • In einer weiteren Ausführung geht das Verfahren davon aus, dass statistische Verfahren benutzt werden, um Abweichungen zu plausibilisieren. Dabei kann bevorzugt paarweise verglichen werden.
  • In einer weiteren Ausführung wird die Annahme zu Grunde gelegt, dass die Verluste zwischen den Messpunkten relativ konstant bleiben über Zeit, oder nur langsam variieren über Zeit, bei angenommen gleichbleibenden Nutzungsbedingungen.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine übliche Konfiguration zum Laden von Elektrofahrzeugen; und
    • 2 einen Ablauf der Überprüfung von Korrektheit.
  • In 1 ist ein Ladeanschluss 100 abgebildet. In so einer Konfiguration können der im Fahrzeug verbaute Zähler und ein anderer „konforme“ Zählern gleichzeitig betrieben werden. Durch ein Protokoll (z.B. ISO 15118) können die Zählerstände kommuniziert werden.
  • Die beiden Werte vom Fahrzeug-Zähler und externen Zähler können gespeichert werden. Da beide Zähler eine gewisse Fehlertoleranz haben, sollten die Werte ähnlich sein. Gleichzeitig wird der Energieeintrag in die Batterie gespeichert. Diese Information kann man z.B. über CAN vom BMS erhalten. Dadurch erhält man 3 verschiedene Werte an 3 theoretischen Messpunkten. Messpunkt I liegt direkt an der Einspeiseseite, Messpunkt 2 liegt vor oder im Charger oder Ladegerät 120 (Verluste von Kabeln und Steckverbindungen werden berücksichtigt) und wird von einer Messeinrichtung 160 ausgeführt. Messpunkt 3 ist für die Messung von eingespeicherter Energie in die Batterie 130 (Wandlungsverluste usw...) verantwortlich. In einer Ausführung fließt Strom von Messpunkt 1 über Messpunkt 2 zu Messpunkt 3. In einer Ausführung kann Messpunkt 1 im Wallbox 110 oder Ladestation sein, die Messeinrichtung 160 von Messpunkt 2 auf der AC-Seite des Chargers 120, und Messpunkt 3 beim DC-Zähler von der Batterie 130. Je nach Aufbau kann Messpunkt 3 in der Batterie selber sein, wenn die Batterie entsprechend ausgerüstet ist, oder in einem BMS welches elektrisch an der Batterie verbunden ist. Messpunkt 3 muss in einer elektrischen Nähe von der Batterie sein, damit die gemessenen Werte den tatsächlichen an die Batterie gelieferten Energie- oder Stromwerten entsprechen. Messpunkt 1 und 2 sind üblicherweise Wechselstrom Messpunkte, Messpunkt 3 Gleichstrom.
  • Sollte die Batterie zum Einspeisen von Energie in das Versorgungsnetz verwendet werden, so ändert sich die Reihenfolge von Messpunkten. In so einer Ausführung kann Messpunkt 1 beim DC-Zähler von der Batterie 130 sein, Messpunkt 2 auf der AC-Seite des Chargers 120, und Messpunkt 3 im Wallbox 110 oder Ladestation sein.
  • Bei 100% exakten Messmethoden sollte beim Laden Messpunkt 1 den höchsten und Messpunkt 3 den niedrigsten Wert liefern. Die Unterschiede in der gemessenen Energie sollen nur die - typischerweise geringen - Verluste in der Versorgungskette widerspiegeln. Die gemessene Energie an Messpunkt 2 sollte nur gering, als Beispiel ca. 0,01 % weniger ausweisen als die an Messpunkt 1.
  • In einer Ausführung wird paarweise verglichen. Im ersten Schritt werden Messpunkt 1 und 2 paarweise verglichen. Ist die Abweichung im statischen Rahmen, sind die Messgeräte abgestimmt und es gibt kein Hinweis auf eine Fehlfunktion oder Abweichung. Das Verfahren kann dabei statistische Methoden und Verfahren nutzten um Abweichungen zu plausibilisieren.
  • Wird eine Abweichung festgestellt, wird im nächsten Schritt Messpunkt 2 mit Messpunkt 3 verglichen. Hierbei werden zum einen die Abweichung und zum anderen historische ähnliche Energie-Verbrauchseinträge verglichen. Wird hier keine signifikante Abweichung festgestellt, so muss der Fehler bei Messpunkt 1 liegen. Wird auch hier eine signifikante Abweichung festgestellt, so muss Messpunkt 2 adaptiert werden. Hierbei kann die Berechnung des Zählers um die ermittelte Standard-Abweichung korrigiert werden. Sollte eine Nachjustierung nötig gewesen sein, so können die Messungen und das Vergleichen und Nachjustieren noch einmal ausgeführt werden, bis keine Abweichungen festgestellt werden. Alternativ kann so lange nachgeholt und nachjustiert werden, bis keine Abweichungen festgestellt werden die größer sind als ein vorgegebener Maximalwert oder Grenzwert. Alle Schritte werden automatisiert und laufen automatisch ab.
  • Durch dieses adaptive Messverfahren kann somit eine dauerhafte Konformität gewährleistet werden. Diese Berechnung oder Adaption kann sowohl rein im Fahrzeug als auch extern ausgeführt werden, z.B. in der „Cloud“, oder aufgeteilt durch beide in einer Zusammenarbeit. Wird das Verfahren extern ausgeführt, besteht eine größere Datenbasis und somit eine noch genauere Bestimmung der Abweichung.
  • Mit der Adaption über mehrere Fahrzeuge und externe Ladepunkte könnten auch ganze Fahrzeugklassen oder Produktionslosen nachjustiert werden und somit zugelassen werden. Die Übertragung der Daten findet über ein Gateway statt (z.B. SmartMeter Gateway). Die Übertragung der Werte muss natürlich alle Sicherheitsbestimmungen erfüllen (Kodierung, etc.).
  • In 2 werden Schritte des Verfahrens veranschaulicht. Als Beispiel werden die Schritte beim Laden von einem Elektrofahrzeug an eine Ladestation genommen. In Schritt 210 werden die übertragenen Mengen von Ladestrom oder elektrischer Energie an der Ladestation ermittelt und automatisch übertragen. In Schritt 220 werden die übertragenen Mengen von Ladestrom oder elektrischer Energie durch die Energiemesseinrichtung 160 (in einer Ausführung im Fahrzeug positioniert) ermittelt. In Schritt 230 werden die übertragenen Mengen von Ladestrom oder elektrischer Energie durch eine Messung an der Batterie ermittelt. In Schritt 240 werden die gemessenen Mengen von Ladestrom oder elektrischer Energie paarweise verglichen.
  • In einer Ausführung der Erfindung werden Verbrauchs- oder Übertragungswerte an einer Stelle geschätzt anstatt gemessen, und die Schätzungen dienen als Plausibilitätscheck. Jedoch kann eine Schätzung nicht als geeichter Messwert dienen.
  • Der Schritt 240 kann auch zum Teil mit Schritt 220 und zum anderen Teil mit Schritt 230 ausgeführt werden. Es muss jedoch feststellbar sein, dass z.B. beim Laden nicht mehr Energie in Schritt 220 als übertragen gemessen wird als in Schritt 210, und nicht mehr in Schritt 230 übertragen wird als in Schritt 220, immer abgesehen tolerierbare Mess- bzw. Schätzfehlern.
  • Die jeweiligen Schritte 210-240 können entweder in Hardware oder in Software oder eine Kombination hiervon ausgeführt werden. Insb. ist es für Schritt 240 unerheblich, wo der Vergleich stattfindet: ob im Fahrzeug, oder in der Ladestation, oder an einer Fernstation wie „in the cloud“. Bei Fernübertragung müssen die Daten jedoch entsprechend verschlüsselt übertragen werden.
  • In einer Ausführung der Erfindung wird der Betrieb von Energiemesseinrichtungen über die komplette Lebenszeit eines Fahrzeuges überprüft und überwacht.
  • In einer Ausführung der Erfindung wird eine Adaption ohne Hardware-Tausch aber unter genau definierten Testbedingungen ausgeführt. Unter genau definierten Testbedingungen wird beispielsweise eine Menge an Energie an Messpunkt 1 gemessen und zum Laden übertragen. Dann wird an Messpunkt 2 gemessen und evtl. Abweichungen festgestellt. Sollten Abweichungen, die größer sind als die vorgegebenen Maximalwerte, vorhanden sein, so wird an Messpunkt 2 nachjustiert. Ebenso wird an Messpunkt 3 die Menge an Energie kontrolliert zwecks Plausibilität. Sollte eine Nachjustierung nötig gewesen sein, so können die vorherigen Schritten noch einmal ausgeführt werden, bis keine oder nur kleine Abweichungen gemessen werden.
  • In einer Ausführung der Erfindung wird das Verfahren an mehr als 3 Messpunkten ausgeführt. Es können zum Beispiel 4 Messpunkte paarweise verglichen werden.
  • In einer Ausführung der Erfindung wird das Verfahren mit 3 Messpunkten ausgeführt, wobei Messpunkt 2 als Messgerät/Messpunkt zwischen Fahrzeug und Ladesäule ausgeführt ist z.B. ein Ladekabel mit entsprechender Erweiterung.
  • In einer Ausführung der Erfindung wird eine erneute Konformität des Messgeräts über Updates hergestellt.
  • In einer Ausführung der Erfindung werden bei großen Stückzahlen über Statistiken und anhand von Mittelwerten eine bessere Genauigkeit als mit Einzelzählern erreicht. Die Anpassungen der Energiezähler kann anhand von dem gemessenen Verbrauch und festgestellten Abweichungen oder anhand von zu erwartenden Ereignissen oder beides prädiktiert werden. Vorzugsweise kann vorgesehen werden, dass die Anpassungsstrategie anhand von örtlichen und zeitlichen Gegebenheiten angepasst wird.
  • In einer Ausführung der Erfindung kann bei einer Detektion eines abdriftenden Verhaltens des Energieeintrages, auf gewisse Fehler überprüft und ggf. Rückschlüsse gezogen werden (z.B. Batterie-Alterung, Bauteilalterung der Lader, usw.).
  • In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird die Ladestrategie verteilt oder vernetzt ausgeführt. Die Daten für die verschiedenen Endpunkte werden ausgetauscht, und eine Ladestrategie für jede Batterie verteilt ausgearbeitet und ausgeführt, wobei einzelne Ladesystemen weiterhin mit anderen Ladesystemen kommunizieren und automatisch übertragen um das Verfahren auszuführen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Überwachen einer Energiemesseinrichtung (160), wobei eine Menge an Energie an einem ersten geeichten Messpunkt 1 gemessen und übertragen wird, und an einem zweiten Messpunkt 2 mit der Energiemesseinrichtung (160) gemessen und übertragen wird, und an einem dritten Punkt 3 gemessen wird, wobei die gemessenen Mengen paarweise verglichen und Abweichungen festgestellt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messungen unter genau definierten Testbedingungen ausgeführt werden.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenn Abweichungen festgestellt werden, die größer sind als ein vorgegebener Maximalwert, die Energiemesseinrichtung (160) an dem zweiten Messpunkt 2 nachjustiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei wenn eine Nachjustierung ausgeführt wird, die Messungen und das Vergleichen und Nachjustieren noch einmal ausgeführt werden, bis keine Abweichungen festgestellt werden, die größer sind als der vorgegebene Maximalwert.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messung am Messpunkt 1 an einer Wallbox (110) ausgeführt wird und die Messung am Messpunkt 3 direkt an oder in elektrischer Nähe von einer Batterie (130) beim Laden der Batterie ausgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messung der Messeinrichtung (160) am Messpunkt 2 an einem Ladegerät oder Charger (120) ausgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messung am Messpunkt 1 direkt an oder in elektrischer Nähe von einer Batterie (130) und die Messung am Messpunkt 3 an einem Wallbox (110) beim Entladen der Batterie ausgeführt wird.
  8. Ladesystem für Batterien, das eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
  9. Ladesystem für Batterien (130), das eingerichtet und bestimmt ist, mit einer Wallbox (110) oder einem Versorgungsnetz zu kommunizieren, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
  10. Elektrofahrzeug mit Batterien (130) und ein Ladesystem nach Anspruch 8 oder 9.
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