DE102021001290A1

DE102021001290A1 - Verfahren zum Betreiben einer Batterie

Info

Publication number: DE102021001290A1
Application number: DE102021001290.9A
Authority: DE
Inventors: Dennis Sieber
Original assignee: Daimler Truck AG
Current assignee: Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2022-09-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie (3) in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug (1) unter Berücksichtigung einer geplanten Fahrtroute und eines darauf basierenden vorausberechneten Leistungsprofils (8). Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (3) vor dem Start (t0) der Fahrt vorgeheizt wird, wobei die Zieltemperatur unterhalb der normalen Batterietemperatur liegt und anhand des Leistungsprofils (8) und einer Vorgabe für die Fahrstrategie bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Zunehmend wandert der Fokus von traditionellen Verbrennern hin zu teil- oder vollelektrischen Fahrzeugen wie z.B. batterieelektrische Fahrzeuge (Battery Electric Vehicle - BEV), Plug-in-Hybride (PHEV) oder Brennstoffzellenfahrzeuge (Fuel Cell Electric Vehicle- FCEV). Die elektrischen Antriebe dieser Fahrzeuge beziehen ihre Energie aus einer Batterie, die als Hauptenergieträger (BEV) oder als Energiepuffer (PHEV, FCEV) dient. Die akute Leistungsbereitschaft solcher auch als Traktionsbatterien bezeichneter Batterien hängt dabei von Faktoren wie dem Zellalter, der Zellintegrität und insbesondere von der Batterietemperatur der Traktionsbatterie ab. Sie beeinflusst direkt Fahreigenschaften, wie z.B. Beschleunigung und Maximalgeschwindigkeit des zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Insbesondere bei BEVs hängt die Fahrzeugreichweite direkt von der in der Batterie gespeicherten Gesamtenergie ab.
Die Energie in einer Batterie ist in chemischer Form gespeichert. Bei einer Energieabgabe wird die chemische Energie in der Batterie in einem chemischen Prozess in elektrische Energie umgewandelt. Da die Ablaufgeschwindigkeit von chemischen Reaktionen von der Temperatur der Edukte abhängt und generell bei niedrigen Temperaturen langsamer abläuft, ist die Leistungsfähigkeit von kalten Batterien sowohl in der Leistungsaufnahme (Laden/Rekuperation) als auch in der Leistungsabgabe (Fahrbetrieb) limitiert. Eine beispielhafte Lithium Ionen Zelle hat ihren optimalen Arbeitsbereich zwischen 25 und 35°C. Der Betrieb außerhalb dieses Temperaturfensters führt zu einer Verminderung der Leistungsfähigkeit der Batterie und kann in extremen Fällen eine schnellere Zellalterung verursachen. Daher gibt es Systeme, die die Temperatur der Batterie im Fahrbetrieb regeln und sie in ihrem optimalen Betriebsfenster der Temperatur halten. Wenn ein Fahrzeug über längere Zeit bei kalten Außentemperaturen steht, kann die Temperatur der Batterie teilweise jedoch stark unter ihre Betriebstemperatur sinken. Vor Inbetriebnahme muss die Batterie dann, typischerweise elektrisch, auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Je nach Größe der Batterie und ihrer damit verbundenen thermischen Masse kann dieser Prozess viel Energie in Anspruch nehmen. Da die Batterieheizsysteme in der Regel für die mittlere im Betrieb anfallende Heizleistung ausgelegt sind, kann das Heizen einer tiefkalten Batterie auf ihre Betriebstemperatur außerdem sehr viel Zeit in Anspruch nehmen.
Das ist besonders dann problematisch, wenn ein Fahrer morgens losfahren möchte, um einen Termin einzuhalten und dann erst noch auf die Betriebsbereitschaft der Batterie warten muss. Außerdem ist das Vorheizen einer kalten Batterie mit hoher Batteriekapazität, wie Sie insbesondere bei Nutzfahrzeugen, z.B. in Zugmaschinen, benötigt wird, mit einem sehr hohen Energieaufwand verbunden, da die hohe Kapazität eine hohe thermische Masse bedingt. Bei Nichtvorhandensein einer Ladesäule muss der Energieaufwand komplett aus der Fahrzeugbatterie gespeist werden, was die Reichweite des Fahrzeugs erheblich verringern kann. Mit einer Optimierung des Vorheizprozesses könnte also Zeit und Reichweite gewonnen werden.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2017 127 029 A1 beschreibt ein Verfahren, in dem die benötigten Leistungsprofile (Höhenprofile, antizipierte Beschleunigungsvorgänge) für verschiedene Fahrtrouten mit demselben Ziel berechnet werden. Anschließend wird überprüft, ob die Batterie eines oder mehrere dieser Leistungsprofile mit ihrer aktuellen Temperatur und der daraus resultierenden Leistungsbereitschaft bedienen kann. Wenn mindestens das Leistungsprofil einer Fahrtroute ohne eine künstliche Temperaturänderung der Batterie gefahren werden kann wird diese, im Fall von mehreren Fahrtrouten die Beste (schnellste, energieeffizienteste), als geplante Fahrtroute gewählt.
Die Schrift beschreibt also ein System, welches eine in Hinsicht auf die Batterietemperatur und ihre Leistungsbereitschaft optimale Route wählt. Diese Methode stößt jedoch an ihre Grenzen, wenn die Batterie temperaturbedingt noch nicht betriebsbereit ist (z.B. Montagmorgen im Winter bei -15°C) oder wenn es nur eine sinnvolle Route zum Ziel gibt. Letzteres ist insbesondere bei Nutzfahrzeugen oft der Fall, z.B. bei Fahrten in dünn besiedelten Gebieten mit wenigen Straßen, starken Einschränkungen an Brücken und Gefällen durch die Fahrzeugmasse, ein vorgegebenes Straßennetz für Lang-Lkw (z.B. Gigaliner und EuroCombi) in Europa, usw. Hier bleibt also das Problem der hohen Zeit- und Energiekosten zum Aufheizen der Batterie auf ihre Betriebstemperatur ungelöst.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, den hohen Zeitaufwand zum Vorheizen einer tiefkalten Batterie zu minimieren und die zur Beheizung der Batterie energieeffizient zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht also darin, die Batterie vor dem Start der geplanten Fahrtroute auf eine optimierte Zieltemperatur vorzuheizen, welche unterhalb der normalen Betriebstemperatur der Batterie liegt. Diese Zieltemperatur wird dabei anhand des Leistungsprofils der geplanten Fahrtroute und anhand einer Vorgabe für eine Fahrstrategie des Fahrzeugs bestimmt. Damit lässt sich nun in besonders vorteilhafter Weise eine energieoptimierte und/oder zeitoptimierte Vorheiztemperatur bestimmen, welche außerdem die benötigte Wärme weitgehend aus dem Batteriebetrieb selbst, also der dabei entstehenden ohmschen Verlustwäre der Batterie, beziehen kann, indem die Zieltemperatur anhand von bekannten Daten der Fahrtroute und den vorliegenden Daten der Batterie optimiert wird.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt dabei die grundlegende Erkenntnis zugrunde, dass für große Teilabschnitte der geplanten Fahrtroute die maximale Antriebsleistung und auch die maximale Rekuperationsleistung der Batterie nicht benötigt werden. Daher ist es möglich, große Teile der geplanten Fahrtoute auch mit einer Batterie zu bestreiten, deren Temperatur unter ihrem Optimalwert liegt. Die Zieltemperatur der Batterie kann dann so vorgegeben werden, dass die Batterie beispielsweise direkt bei Fahrtbeginn oder auch erst beim Erreichen eines leistungsintensiven Streckenabschnitts, wie beispielsweise einer Bergfahrt, die zur anfallenden Leistungsabgabe nötige Batterietemperatur erreicht hat. Vergleichbares gilt dementsprechend für eine Talfahrt, bei welcher die durch die Rekuperation beim Abbremsen des Fahrzeugs anfallende Energie von der Batterie weitgehend aufgenommen werden soll, was ebenfalls eine entsprechende Temperatur der Batterie erforderlich macht.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass die Fahrstrategie zumindest eine der folgenden Vorgaben berücksichtigt:

- Vorheizen der Batterie, bis die auf der Fahrtoute gemäß des Leistungsprofils maximal anfallende Leistungsabgabe zu jeder Zeit während der Fahrt abgerufen werden kann;
- Vorheizen der Batterie, bis die auf der Fahrtoute gemäß des Leistungsprofils maximal anfallende Leistungsaufnahme zu jeder Zeit während der Fahrt abgerufen werden kann;
- Vorheizen der Batterie, bis die auf der Fahrtroute gemäß des Leistungsprofils zu jedem Zeitpunkt benötigte Leistungsabgabe während der Fahrt abgerufen werden kann;
- Vorheizen der Batterie, bis die auf der Fahrtroute gemäß des Leistungsprofils zu jedem Zeitpunkt benötigte Leistungsaufnahme während der Fahrt abgerufen werden kann.

Diese Bausteine der Fahrstrategie lasen sich nun entsprechend nutzen und gegebenenfalls auch miteinander kombinieren. Im Wesentlichen sind dabei drei verschiedene Strategien für die Praxis relevant und sinnvoll. Dies liegt daran, dass die mögliche Leistungsabgabe über der Temperatur bei einer typischen Batterie, beispielsweise der oben schon als Beispiel angesprochenen Lithium-Ionen-Batterie, von dem entsprechenden Verhalten bei der Leistungsaufnahme, also dem Nachladen der Batterie durch Rekuperation beim Abbremsen des Fahrzeugs, abweicht. Im Wesentlichen lassen sich die genannten Elemente und Vorgaben der Fahrstrategie auf drei verschiedene Betriebsstrategien herunterbrechen. Die erste wäre beispielsweise das Aufheizen der Batterie, bis die auf der Fahrtroute maximal anfallende Leistungsaufnahme und Leistungsabgabe zu jeder Zeit abgerufen werden kann. Dies stellt die größte Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs sicher und kann insbesondere für sich dynamisch ändernde Bedingungen wie beispielsweise Verkehrsbedingungen, Wetterbedingungen oder dergleichen eine geeignete Strategie sein. Diese Strategie erfordert allerdings die höchste Vorheiztemperatur und damit die längste Zeitspanne, welche für das Vorheizen auf die Zieltemperatur benötigt wird. Die zweite Strategie, welche die kürzeste Zeitspanne bis zum Erreichen der Zieltemperatur und im Wesentlichen auch dem geringsten für das Vorheizen aufgebrachten Energiebedarf symbolisiert, ist es, die Batterie nur soweit aufzuheizen, dass die Leistungsabgabe der Batterie zu jedem Zeitpunkt auf der Fahrstrecke ausreichend ist. Die Batterie kann dann die zum Fahren auf der Strecke benötigte Leistung auf Basis der geplanten Fahrtroute berechneten Leistungsprofils immer bereitstellen. Bei dieser Strategie wird die Leistungsaufnahme nicht berücksichtigt. Wird das Fahrzeug im Rekuperations-Modus abgebremst, kann gegebenenfalls nicht die gesamte zurückgewonnene Energie in der Batterie gespeichert werden. Sie kann jedoch über ohmsche Heizwiderstände verbraucht werden. Außerdem verfügen elektrisch angetriebene Fahrzeuge typischerweise auch über mechanische Bremsen, da alleine über die Rekuperation ein Abbremsen bis auf Null nicht möglich ist. Bei entsprechender Auslegung dieser mechanischen Bremsen kann dann auch ein Teil der Bremsleistung durch diese während des Betriebs, beispielsweise bei einer Talfahrt eines Nutzfahrzeugs, aufgebracht werden.
Eine dritte sinnvolle Strategie liegt zwischen den beiden genannten Strategien, indem die Batterie soweit aufgeheizt wird, dass nicht nur die Leistungsabgabe sondern auch die Leistungsaufnahme zu jedem Zeitpunkt entsprechend des Leistungsprofils auf der geplanten Fahrtroute ausreichend ist.
Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dabei in die Bestimmung der Zieltemperatur oder einer Zeitspanne, um diese zu erreichen, die aktuelle Temperatur der Umgebung, die aktuelle Temperatur der Batterie und/oder deren Wärmekapazität einfließen. Damit lässt ich auf Basis dieser in der Umgebung und in der Batterie erfassten Temperaturwerte, sowie bezüglich der Zeitspanne auch mit der bekannten Wärmekapazität der Batterie, die Bestimmung der Zieltemperatur optimieren.
Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass in die Berechnung des Leistungsprofils der geplanten Fahrtroute wenigstens einer der folgenden Werte einfließt:

- Temperatur der Umgebung;
- Temperatur der Batterie;
- aktuelles Gesamtgewicht des Fahrzeugs;
- Wetterbedingungen; und/oder
- Verkehrsbedingungen.

Über diese Werte lässt sich das Leistungsprofil optimieren. Die Leistungsfähigkeit lässt sich entsprechend berücksichtigen und beispielsweise durch das Gesamtgewicht des Fahrzeugs lassen sich im Zusammenhang mit aus der Routenplanung bekannten Steigungen und Höhenprofilen die Leistungswerte bezüglich des Antriebs und der Rekuperation entsprechend erfassen. Verkehrsbedingungen oder Wetterbedingungen, welche beispielsweise über einen fahrzeugexternen Server abgefragt werden können, können es dann erlauben, die Berechnung des Leistungsprofils weiter zu optimieren, da beispielsweise im Stau andere Leistungen erforderlich sind, oder bei durch Schnee oder Glatteis beeinträchtigter Fahrt Änderungen in den Leistungsprofilen berücksichtigt werden können.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorsehen, dass die zu verwendende Fahrstrategie vorgewählt werden kann. Die Fahrstrategie kann entsprechend vorgewählt werden, beispielsweise je nach Einsatzzweck des Fahrzeugs. Dabei kann beispielsweise eine der oben genannten Strategien oder auch eine weitere aus den Elementen der Fahrstrategie kombinierte Strategie für den jeweiligen Einsatz sinnvoll sein. Eine solche Vorwahl kann beispielsweise manuell, insbesondere in Kenntnis der Umgebung, erfolgen. So kann beispielsweise für eine Fahrt, welche häufig in der Höhe startet und bei der die Fahrtroute mit einer Talfahrt beginnt, die Vorheizung hinsichtlich der zu erwartenden Leistungsmenge aus der Rekuperation optimiert werden oder dergleichen. Im Idealfall kann eine das Fahrzeug nutzende Person und/oder ein Flottenmanagement einer das Fahrzeug umfassenden Flotte eine Strategie z.B. entsprechend der genannten drei Strategien vorgeben, welche für die am häufigsten auftretenden Anwendungsfälle geeignet sind und diese weitgehend abdecken. Neben einer manuellen Vorwahl, sei es durch eine das Fahrzeug nutzende Person oder auch ein Flottenmanagement, kann die Vorwahl auch automatisiert erfolgen, beispielsweise indem ein selbstlernendes System die Fahrten von einem häufig auftretenden Startpunkt aus bewertet und, beispielsweise eine der drei genannten Strategien, entsprechend vorgibt.
Ungeachtet der Art und Weise, wie die Vorgabe für die Fahrstrategie erfolgt ist, kann es gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch vorgesehen sein, die aktuelle Fahrstrategie auf einer Anzeige zu visualisieren. Die Anzeige kann dabei entweder in dem Fahrzeug, auf einer fahrzeugexternen elektronischen Datenverarbeitung, beispielsweise einem Flottenmanagementsystem, oder auch auf einem mobilen Endgerät, wie beispielsweise einem mit dem Fahrzeug verbundenen Smartphone, angezeigt werden. Damit ist eine das Fahrzeug nutzende Person immer ausreichend informiert, indem beispielsweise die Strategie als solche angezeigt wird, und die damit einhergehende Zeitspanne, bis die Zieltemperatur erreicht ist, gegebenenfalls zusammen mit einer durch die Strategie erzielbaren Verlängerung der Reichweite des Fahrzeugs, was vor allem bei rein batterieelektrischen Fahrzeugen eine Rolle spielt.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieses Aspekts des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die aktuelle Strategie in der Anzeige veränderbar ist, sodass also nicht nur durch eine prinzipielle Vorgabe eine entsprechende Strategie gewählt werden kann, sondern dass auch die aktuelle Strategie, nachdem sie visualisiert worden ist, noch verändert werden kann, um beispielsweise auf geänderte Randbedingungen seitens der das Fahrzeug nutzenden Person, des Flottenmanagements oder dergleichen reagieren zu können. Dies kann auch bei einem automatisierten vollautonomem Fahrbetrieb zwischen sogenannten Hubs von Vorteil sein, da so beispielsweise trotz der über ein Flottenmanagementsystem vorgeplanten Route kurzfristig noch auf die aktuelle Verkehrslage, eine eventuelle Belegung des Hubs und eventueller Ladestellen reagiert werden kann, sodass gegebenenfalls eine Vorheizzeit hinsichtlich des gesamtlogistischen Ablaufs optimiert werden kann.
Dabei ist es gemäß einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das Fahrzeug, für welches das Verfahren eingesetzt wird, ein Nutzfahrzeug, insbesondere ein Lkw, beispielsweise eine Zugmaschine, ist. Insbesondere für solche Nutzfahrzeuge, bevorzugt schwere Nutzfahrzeuge, sind entsprechend große Batterien notwendig, welche aufgrund der hohen Kapazitäten entsprechend groß sind und eine hohe Wärmekapazität aufweisen. Da gleichzeitig im Speditionsbetrieb mit derartigen Nutzfahrzeugen Termine möglichst exakt einzuhalten sind, spielt das erfindungsgemäße Verfahren zur zeitoptimierten Vorheizung der Batterie hier eine entscheidende Rolle.
Dies gilt dabei sowohl für teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge als auch für rein elektrisch angetriebene Fahrzeug. Genau ein solches rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug (BEV) soll gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die primäre Zielgruppe für den Einsatz desselben sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auch anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt sind.
Dabei zeigen:

1 ein schematisches angedeutetes Fahrzeug mit einer das Fahrzeug nutzenden Person;
2 eine Abbildung eines Höhenprofils einer geplanten Fahrtroute;
3 eine Darstellung einer charakteristischen Leistungs-Temperaturkurve einer Batterie;
4 eine schematische Darstellung einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer ersten Fahrstrategie;
5 eine schematische Darstellung einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zweiten ersten Fahrstrategie; und
6 eine schematische Darstellung einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer dritten Fahrstrategie.

In der Darstellung der 1 ist ein Fahrzeug 1, hier beispielsweise ein Nutzfahrzeug in Form einer Zugmaschine mit Auflieger, umgangssprachlich auch als Sattelschlepper bezeichnet, zu erkennen. Eine das Fahrzeug 1 nutzende Person 2 nähert sich in der Darstellung der 1 dem Fahrzeug 1 an. Das Fahrzeug 1 bzw. seine Zugmaschine soll über eine angedeutete Batterie 3 elektrisch angetrieben werden. Um die benötigte Vorheizzeit für die Batterie 3 zu optimieren, wird ein nachfolgend noch beschriebenes Verfahren eingesetzt. Eine mit 4 bezeichnete Kommunikationseinheit des Fahrzeugs 1 kann dabei Daten austauschen, beispielsweise mit einem fahrzeugexternen Server 5 eines Flottenmanagements, welcher hier als Cloud exemplarisch angedeutet ist. Alternativ oder ergänzend hierzu lassen sich die Daten auch mit einem mobilen Endgerät 6, beispielsweise einem Smartphone der Person 2, entsprechend austauschen.
Wird das Fahrzeug 1 mit kalter Batterie 3, beispielsweise morgens nach einer kalten Nacht ohne Ladevorgang oder mit länger zurückliegendem Abschluss des Ladevorgangs in Betrieb genommen, dann wird die gewünschte Fahrtroute beispielsweise von der Person 2 eingegeben oder über die fahrzeugexterne elektronische Datenverarbeitung des Flottenmanagements, hier also die Cloud 5, entsprechend vorgegeben. Genauso gut kann beispielsweise das Ziel des Vortags der geplanten Fahrtroute erneut zugrunde gelegt werden, weil das System des Fahrzeugs 1 gelernt hat, dass an bestimmten Wochentagen bestimmte Ziele regelmäßig angefahren werden. Die Routenplanung kann beispielsweise in einem hier nicht dargestellten internen Navigationsgerät des Fahrzeugs 1 erfolgen. Genauso gut kann das Navigationsgerät in dem fahrzeugexternen Server 5, beispielsweise in einem Flottenmanagementsystem, integriert sein. Dort kann die Route unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen wie aktueller Temperaturen, des aktuellen Verkehrsgeschehens, aktueller Wetterbedingungen oder dergleichen entsprechend vorgeplant und in das Fahrzeug 1 übertragen werden.
In der Darstellung der 2 ist nun rein beispielhaft ein Höhenprofil mit der Höhe H über der Strecke x entsprechend dargestellt. Der Beginn der Fahrt ist links durch das Piktogramm des Fahrzeugs 1 symbolisiert, das Fahrziel ist im rechten Bereich durch eine Fahne 7 schematisch angedeutet. Die maximal benötigte Antriebsleistung lässt sich nun anhand der Streckentopologie, insbesondere unter Berücksichtigung des Fahrbahnzustandes, also beispielsweise Eis, Schneematsch, des Wetters, und hier insbesondere der Windrichtung und Windstärke, sowie dem aktuellen Gewicht des Fahrzeugs 1 beim Befahren der vorgegebenen Fahrtroute entsprechend vorausberechnen. Gemäß dieser Vorhersage ergibt sich im Abschnitt der Strecke x zwischen den Punkten a und b der maximale Bedarf an Antriebsleistung, aufgrund der Bergauffahrt bei relativ steiler Steigung, sowie im Bereich der Strecke x zwischen den Punkten c und d die maximale Rekuperationsleistung, aufgrund des Abbremsens bei der Talfahrt mit starkem Gefälle.
In der Darstellung der 3 ist eine typische charakteristische Leistungs-Temperaturkurve der Leistungsaufnahme (durchgezogen) und der Leistungsabgabe (gestrichelt) der Batterie 3 zusammen mit der zuvor ermittelten maximal benötigten Leistungsabgabe P_max,A und Leistungsaufnahme P_max,R bei der Rekuperation eingezeichnet. Damit lässt sich nun eine Zieltemperatur für die Zellen der Batterie 3 berechnen, bei der die Batterie 3 genügend Leistung zum Befahren der Fahrtroute gemäß der Darstellung in 2 abgeben T_A und aufnehmen T_R kann.
Aus den bekannten Leistungsprofilen der Fahrtroute gemäß 2 und der Batterie 3 gemäß 3 ergeben sich im Wesentlichen nun drei denkbare und sinnvolle Betriebsstrategien:

1. Aufheizen der Batterie 3, bis die auf der Fahrtroute maximal anfallende Leistungsaufnahme P_max,R und Leistungsabgabe P_max,A zu jeder Zeit auf der Fahrstrecke x abgerufen werden kann.
2. Batterie 3 so weit aufheizen, dass mindestens die Leistungsabgabe P_A der Batterie 3 zu jedem Zeitpunkt ausreichend ist.
3. Batterie 3 so weit aufheizen, dass Leistungsabgabe P_A und -aufnahme P_R zu jedem Zeitpunkt ausreichen.

Die erste Betriebsstrategie ist in der Darstellung der 4 entsprechend gezeigt. Die X-Achse ist dabei die Strecke x oder eine Zeit t, welche während der Fahrt der Strecke x und während des Vorheizens der Batterie 3 auf ihre Zieltemperatur entsprechend vergeht. Vergleichbar wie in der Darstellung der 3 sind auch hier wieder mit durchgezogener Linie die verfügbare Leistungsabgabe P_A der Batterie 3 und mit gestrichelter Linie die verfügbare Leistungsaufnahme P_R der Batterie 3 eingezeichnet. Mit strichpunktierter Linie ist beginnend zum Zeitpunkt t₀ ein mit 8 bezeichnetes Leistungsprofil auf der Strecke x entsprechend der gemäß 2 geplanten Fahrtroute dargestellt. Die Y-Achse versinnbildlicht dabei bezogen auf die Leistungskurve der Batterie 3 die Leistungsfähigkeit entsprechend der Zelltemperatur T, bezogen auf das Leistungsprofil 8 die entsprechende auf der Strecke x zum jeweiligen Zeitpunkt t benötigte Leistung P. Der Zeitabschnitt vor dem Zeitpunkt t₀, in welchem die Y-Achse die X-Achse in der Darstellung der 4 schneidet, ist die Zeitspanne, welche benötigt wird, um die vorgegebene Zieltemperatur entsprechend zu erreichen. Bei der ersten beschriebenen Strategie, bei welcher alle Möglichkeiten der Batterie zu Beginn der Fahrt bereits voll zur Verfügung stehen sollen, ist dies entsprechend der Darstellung in 3 also die Temperaturschwelle, ab welcher die Rekuperation möglich ist. Die gestrichelte Linie der Leistungsaufnahme P_R schneidet die Y-Achse also beim Betrag dieser Temperatur T_R, sodass von Anfang an die volle Leistungsaufnahme der durch Rekuperation anfallenden Leistung in der Batterie möglich wäre. Im Leistungsprofil 8 sind dies jeweils die Flächen unterhalb der X-Achse, während der Leistungsbedarf durch die Flächen oberhalb der X-Achse entsprechend dargestellt ist.
Sofern die auf der Strecke benötigte Maximalleistung, hier wiederum die Leistung zwischen den Streckenpunkten a und b, nicht der Maximalleistung des Fahrzeugs entspricht, lässt sich auch bei dieser ersten Strategie die für das Vorheizen benötigte Zeitspanne gegenüber einem Vorheizen ohne das entsprechende Verfahren optimieren.
Wie es aus der Darstellung der 4 zu erkennen ist, ließe sich das Leistungsprofil 8 nun aber mit dem Startzeitpunkt to auch noch weiter nach links bezogen auf die verfügbare Leistungsabgabe und die verfügbare Leistungsaufnahme der Batterie 3 verschieben. Bei den nachfolgenden Strategien erfolgt dies entsprechend. Das Verfahren kann dazu zusätzlich anhand von zum Beispiel Streckentopologie, Außentemperaturen, Heizleistung des Heizsystems sowie thermodynamischen und elektrischen Eigenschaften der Batterie 3, die aktive (Heizsystem) und/oder passive (ohmsche Verluste in der Batterie) Erwärmung der Batterie 3 während der Fahrt berechnen/vorhersagen. Diese Information kann dann, in Kombination mit dem bekannten Leistungsprofil 8 der bevorstehenden Strecke x der Fahrtroute genutzt werden, um den Vorheizprozess noch schneller und energieeffizienter zu gestalten. Dazu wird die Batterie vor Fahrtbeginn nur soweit vorgeheizt, dass die Leistungsabgabe P_A und/oder -aufnahme P_R der Batterie 3 für einen ersten Streckenabschnitt ausreicht, zum Fahrtbeginn to aber noch unter der auf einem nachfolgenden Streckenabschnitt anfallenden Antriebs- und/oder Rekuperationsleistung liegt. Während der Fahrt werden dann vorzugsweise die ohmschen Verluste am Innenwiderstand der Batterie 3 (Normalbetrieb, Rekuperationsereignisse mit höheren Leistungen) und falls diese nicht ausreichen (z.B. im Stau) zusätzlich ein Batterieheizsystem (PTC Widerstand) genutzt, um die Batterie 3 weiter aufzuheizen.
Wenn z.B. eine Fahrtroute, die größtenteils nicht viel Antriebs- oder Rekuperationsleistung benötigt aber am Ende einen steilen Anstieg hat, vorgeplant ist, kann die Batterie 3 erst auf eine Temperatur gebracht werden, die für den ersten Streckenabschnitt ausreicht und dann während der Fahrt mit der ohmschen Verlustwärme, die im Betrieb in der Batterie ohnehin entsteht und ggf. zusätzlich mit dem Heizsystem beheizt werden, um bis zum Erreichen des leistungsintensiven Fahrtabschnittes mit der für diesen Fahrtabschnitt ausreichenden Antriebs- und / oder Rekuperationsleistung betrieben werden zu können. Dabei ist die passive Beheizung der Batterie 3 natürlich effizienter als die aktive Beheizung, da hier Verlustwärme, die im normalen Betrieb aufwändig abtransportiert werden müsste, zur Beheizung genutzt wird.
Dies sich daraus ergebende Strategie lässt sich in zwei Unterstrategien entsprechend aufteilen. In der Darstellung der 5 ist die gemäß der oben beschriebenen Nummerierung zweite Strategie entsprechend dargestellt. Der Zeitpunkt to, zu dem die Fahrt startet, ist dabei in Bezug auf die verfügbare Leistungsaufnahme und -abgabe so weit nach links verschoben, dass die Leistungsabgabe P_A zum Zeitpunkt a entsprechend ausreicht und zwischen den Punkten a und b der Strecke x die benötigte Leistung für das Fahrzeug 1 zur Verfügung stellen kann. Zwischen den Streckenpunkten c und d der Strecke x steht auch eine ausreichende verfügbare Leistungsaufnahme P_R zur Verfügung, um die dort durch Rekuperation zurückgewonnene Energie entsprechend aufzunehmen. Der bezüglich der Zeit t und der Strecke x vorher liegende Bereich, indem eine Leistungsaufnahme von rekuperierter Leistung notwendig wäre, liegt in Bezug auf die verfügbare Leistungsaufnahme jedoch zu früh, sodass hier die von der Batterie 3 bei der Rekuperation aufnehmbare Leistung nicht ausreicht, um das Fahrzeug 1 ausreichend stark abzubremsen. Die zusätzliche benötigte Bremsleistung ist hier entsprechend gestrichelt in der Darstellung der 5 angedeutet. Sie muss anderweitig aufgebracht werden, beispielsweise durch einen Bremswiderstand, welcher die anfallende Rekuperationsleistung quasi „verheizt“ oder die zusätzliche Bremsleistung muss durch eine, typischerweise ohnehin vorhandene, mechanische Bremse oder, insbesondere bei der Ausgestaltung des Fahrzeugs 1 als Nutzfahrzeug, durch eine verschleißfreie Dauerbremse wie eine Wirbelstrombremse, einen Retarder oder dergleichen aufgebracht werden.
Um dies zu verhindern, kann auch die dritte oben genannte Strategie angewandt werden. Diese ist in der Darstellung der 6 entsprechend gezeigt. Der Zeitpunkt to ist gegenüber der Darstellung in 5 nun wieder um eine gewisse Strecke bzw. Zeit t nach links verschoben, sodass auch im ersten Bereich, in dem Rekuperationsleistung anfällt, die Batterie 3 bereits in der Lage ist, diese Rekuperationsleistung, welche entsprechend geringer als die zwischen den Streckenpunkten c und d anfallende Rekuperationsleistung ist, aufzunehmen. Hierdurch lässt sich die Zeitspanne und die benötigte Energie für das Vorheizen der Batterie 3 zwar nicht ganz so stark reduzieren wie bei der Strategie 2, sie liegt dennoch deutlich unter dem Bedarf bei der Strategie 1 und kann beispielsweise durch den Verzicht auf einen Retarder oder eine Wirbelstrombremse bei dem als Nutzfahrzeug ausgestalteten Fahrzeug 1 für anderweitige Vorteile sorgen.
Wir bereits eingangs erwähnt, kann während des Vorheizens der Batterie 3 die das Fahrzeug nutzende Person und/oder ein Flottenmanagement über eine Anzeige über die aktuelle Strategie, die Zieltemperatur und die daraus resultierende eventuelle Leistungslimitierung sowie die dadurch gesparte Zeit und Energie, also faktisch die Reichweitenverlängerung für das Fahrzeug 1, informiert werden. Beispielsweise könnte dies erfolgen, indem die nachfolgende Information angezeigt wird:
„Optimiertes Vorheizen Strategie 2 aktiv. Es werden x Minuten Vorheizzeit und y km Reichweite eingespart. Dadurch kommt es bei Fahrtbeginn zu Leistungslimitierungen. Die Fahrzeugleistung ist jedoch ausreichend hoch um die geplante Route uneingeschränkt fahren zu können.‟
Dabei kann der das Fahrzeug 1 nutzenden Person 2 oder dem Flottenmanagement außerdem die Wahlmöglichkeit gegeben werden, die Vorheizstrategie zu ändern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017127029 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Batterie (3) in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug (1) unter Berücksichtigung einer geplanten Fahrtroute und eines darauf basierenden vorausberechneten Leistungsprofils (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (3) vor dem Start (to) der Fahrt vorgeheizt wird, wobei die Zieltemperatur unterhalb der normalen Batterietemperatur liegt und anhand des Leistungsprofils (8) und einer Vorgabe für die Fahrstrategie bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrstrategie zumindest eine der folgenden Vorgaben berücksichtigt: - Vorheizen der Batterie (3), bis die auf der Fahrtoute gemäß des Leistungsprofils (8) maximal anfallende Leistungsabgabe (P_max,A) zu jeder Zeit (t) während der Fahrt abgerufen werden kann; - Vorheizen der Batterie (3), bis die auf der Fahrtoute gemäß des Leistungsprofils (8) maximal anfallende Leistungsaufnahme (P_max,R) zu jeder Zeit (t) während der Fahrt abgerufen werden kann; - Vorheizen der Batterie (3), bis die auf der Fahrtroute gemäß des Leistungsprofils (8) zu jedem Zeitpunkt (t) benötigte Leistungsabgabe (P_A) während der Fahrt abgerufen werden kann; - Vorheizen der Batterie (3), bis die auf der Fahrtroute gemäß des Leistungsprofils (8) zu jedem Zeitpunkt (t) benötigte Leistungsaufnahme (P_R) während der Fahrt abgerufen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Bestimmung der Zieltemperatur oder einer Zeitspanne, um diese zu erreichen, aktuelle Temperaturwerte der Umgebung, aktuelle Temperaturwerte der Batterie (3) und/oder die Wärmekapazität der Batterie (3) einfließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Berechnung des Leistungsprofils (8) wenigstens einer der folgenden Werte einfließt: - Temperatur der Umgebung; - Temperatur der Batterie (3); - aktuelles Gesamtgewicht des Fahrzeugs (1); - Wetterbedingungen; und/oder - Verkehrsbedingungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verwendende Fahrstrategie vorgewählt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Fahrstrategie auf einer Anzeige in dem Fahrzeug (1), in einer fahrzeugexternen Datenverarbeitung (5) oder auf einem mobilen Endgerät (6) visualisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Fahrstrategie nach der Anzeige veränderbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Zieltemperatur für ein Fahrzeug (1) angewendet wird, welches als Nutzfahrzeug, insbesondere als Lastkraftwagen bzw. Zugmaschine, ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Zieltemperatur für ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1) genutzt wird.