DE102021113106A1 - Gezieltes Überhöhen der maximalen Nennspannung einer Traktionsbatterie zur Leistungssteigerung - Google Patents

Gezieltes Überhöhen der maximalen Nennspannung einer Traktionsbatterie zur Leistungssteigerung Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt, welches Laden der Traktionsbatterie aufweist, wobei für den stattfindenden Ladevorgang eine nominell eingestellte Ladeschlussspannung auf eine überhöhte Ladeschlussspannung angehoben wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum gezielten Überhöhen der maximalen Nennspannung einer Traktionsbatterie zur Leistungssteigerung. Das hier beschriebene Verfahren eignet sich besonders für die Optimierung eines Elektrofahrzeugs.
  • Mit der stetig steigenden Zahl an Elektrofahrzeugen sind heutzutage mitunter auch hochperformante Elektrofahrzeuge auf dem Mark erhältlich, welche hinsichtlich ihrer Fahrleistung sogar die besten, klassisch mit einem Verbrennungsmotor angetriebenen Sportwagen übertreffen. Bei den entsprechend agilen, durchzugsstarken und dauerhaft hohe Leistung zur Verfügung stellenden Antrieben kommen Elektromotoren mit einer Flüssigkeitskühlung zum Einsatz, um die entstehende Abwärme möglichst effizient abzuführen. Hierdurch wird versucht, im Dauerlastbetrieb das Erreichen der thermischen Grenze des Antriebssystems noch weiter hinauszuzögern oder möglicherweise sogar ganz zu vermeiden. Das Abführen der an der Traktionsbatterie entstehenden Verlustwärme stellt im Hochlastbereich eine zentrale Rolle da, da bei einer übermäßigen Erwärmung der Batteriezellen diese Schaden nehmen können und es im Extremfall durch die auf engem Raum bereitgestellte hohe Energiedichte zu einem Brand kommen kann.
  • Die in den Elektrofahrzeugen als Traktionsbatterie verbaute HV-Batterie (Hochvoltbatterie) ist bei hohem Ladezustand am leistungsfähigsten. Bei hoher Belastung der Traktionsbatterie führt dies in Kombination mit deren geringen Effizienz auf der Rennstrecke zu einem übermäßig schnellen Entladen der HV-Batterie. Im voll aufgeladenen Zustand der HV-Batterie stellt die Antriebsachse, insbesondere der Elektromotor und der Pulswechselrichter, sozusagen den Flaschenhals dar und begrenzt die Systemleistung des Elektrofahrzeugs. Ab einem bestimmten Ladezustand fällt die Leistungsverfügbarkeit unter die der Antriebsachse und die Systemleistung des Fahrzeuges wird nunmehr durch die HV-Batterie begrenzt.
  • Im normalen Fahrbetrieb wird die HV-Batterie nicht vollständig geladen. Üblicherweise findet der nominelle Betrieb der HV-Batterie in einem Elektrofahrzeug zwischen Entladungstiefen (depth of discharge, DOD) von ungefähr 6% bis ungefähr 96% oder bei sich entsprechend umgekehrt verhaltenden Ladezuständen. Das bedeutet, dass ausgehend von einer voll aufgeladenen Batterie bei einer Entladungstiefe von 6% dem Kunden eine voll aufgeladene Traktionsbatterie suggeriert wird und bei einem stattfindenden Ladevorgang nicht weiter geladen wird. Hierbei kann unter einer voll aufgeladenen Batterie eine Batterie verstanden werden, die bis auf die Ladeschlussspannung, welche von dem verwendeten Batteriezellentyp abhängt, aufgeladen worden ist. Entsprechend wird bei einer Entladungstiefe von 96% mittels der Ladestandsanzeige eine vollständig entladene Batterie angezeigt. Der obere und untere Puffer werden vorgehalten, da sehr hohe und sehr niedrige Ladezustände eine starke kalendarische Alterung hervorrufen. Insbesondere führen lange Standzeiten mit vollständig geladener HV-Batterie zu einer Schädigung.
  • Im Lichte des vorgenannten Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Betriebsart für die Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs bereitzustellen, bei der eine dauerhaft hohe Leistung abgerufen werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mittels des Verfahrens gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Ansatz zugrunde, dir für einen stattfindenden Ladevorgang nominell oder standardmäßig eingestellte Ladeschlussspannung auf einen höheren Wert zu setzen, um dadurch das Betriebsfenster der Traktionsbatterie zu erweitern. Durch die Erhöhung der Ladeschlussspannung wird die maximale Nennspannung der Traktionsbatterie erhöht. Anders ausgedrückt wird der Ladevorgang erfindungsgemäß über die nominell bzw. standardmäßig eingestellte Ladeschlussspannung hinaus bis auf die überhöhte Ladeschlussspannung der Batteriezellen der Traktionsbatterie fortgeführt. Dabei wird zugleich der Ladestand der Traktionsbatterie auf einen Wert erhöht, welcher über dem Ladestand einer standardmäßig (also ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens) aufgeladenen Traktionsbatterie liegt. Durch das Überhöhen der Ladeschlussspannung wird der oben erwähnte Puffer reduziert bzw. ganz aufgegeben, so dass beispielsweise eine Entladetiefe von 0% und nicht wie im Standardfall eine Entladetiefe von 4% als eine vollständig aufgeladene Batterie interpretiert wird.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Betriebsfenster der Traktionsbatterie dahingehend erweitert, dass die maximale Nennspannung bei vollständiger Aufladung der Traktionsbatterie bei einer höheren Spannung liegt. Wenn beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen zum Einsatz kommen, dann kann nach einem standardmäßig durchgeführten Ladevorgang die Zellspannung bei ca. 4 V liegen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann hingegen bis zu einer Zellspannung von beispielsweise 4,1 V oder 4,2 V geladen werden. Dadurch, dass eine Traktionsbatterie Zellmodule aufweist, wovon jedes eine Reihenschaltung von Batteriezellen aufweist, wird der Arbeitspunkt der Traktionsbatterie bei hohen Ladeständen zu einem insgesamt höheren Wert verschoben.
  • Wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise vor einer Rennstreckenfahrt durchgeführt, dann kann die Rennstrecke bei einer angehobenen Nennspannung der Traktionsbatterie (und zugleich bei einem höheren Ladestandsbereich) durchfahren werden. Hierbei weist die HV-Batterie grundsätzlich eine höhere Leistungsfreigabe auf. Da bei höherem Strom eine höhere Spannung anliegt und bei gleicher Leistung und höherer Spannung ein geringerer Strom nötig ist, kommt es - da die Wärmeverluste quadratisch mit dem Strom zunehmen - zu einer geringeren Erwärmung des elektrischen Antriebs, und zwar von der HV-Batterie selbst, allen Kabeln und auch den Achseinheiten. Dadurch wird die thermische Grenze des elektrischen Antriebs später oder gar nicht erreicht. Zugleich ergibt sich der Vorteil, dass der Traktionsbatterie mehr Ladung entnommen werden kann, bis die Entladeschlussspannung erreicht wird. Folglich ist davon auszugehen, ein Rennstreckeneinsatz oder eine Phase sehr intensiver Nutzung mit einer geringeren Entladetiefe verbunden sein wird im Vergleich zu einer standardmäßig betriebenen Traktionsbatterie, wodurch dem Elektrofahrzeug eine größere Restereichweite zur Verfügung verleibt.
  • Erfindungsgemäß wird folglich ein Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt, welches Laden der Traktionsbatterie aufweist, wobei für den stattfindenden Ladevorgang eine nominell eingestellte Ladeschlussspannung auf eine überhöhte Ladeschlussspannung angehoben wird. Wie bereits erwähnt wird dadurch die maximale Nennspannung der Traktionsbatterie, welche sie bei als voll angezeigtem Ladestand aufweist, zu einem höheren Wert verschoben verglichen mit dem maximalen Wert der Nennspannung, welcher bei einem standardmäßig erfolgenden Ladevorgang erreicht wird. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Entladeschlussspannung der Traktionsbatterie unverändert bleiben, da das Hauptaugenmerk auf einer Verschiebung der Nennspannung der Traktionsbatterie zu höheren Werten im oberen Ladestandsbereich liegt.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann bei dem stattfindenden Ladevorgang die Traktionsbatterie bis auf die überhöhte Ladeschlussspannung geladen werden. Mit anderen Worten kann der Ladevorgang so ausgestaltet werden, dass es sich dabei um ein Vollladen der Traktionsbatterie handelt, wobei ein nicht vollständiges Aufladen von der Ladeinfrastruktur nicht zugelassen wird. Auf diese Weise kann forciert werden, dass die Leistungsabgabe durch die Traktionsbatterie bei höheren Nennspannungen erfolgt gegenüber dem Fall, bei dem der Ladevorgang mit der standardmäßigen Ladeschlussspannung durchgeführt wird.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Verfahren durch eine entsprechende Information ausgelöst werden, welche von dem Elektrofahrzeug an die Ladesäule übermittelt wird, an der das Elektrofahrzeug geladen wird. Die Information kann nach Anschließen des Ladekabels an die Ladesäule übermittelt werden und dieser anzeigen, dass ein erweiterter Ladevorgang gemäß der Erfindung zur Anpassung des Betriebs der Traktionsbatterie durchgeführt werden soll.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann die Übermittlung der Information durch eine Benutzerinteraktion ausgelöst werden. Hierzu kann beispielsweise eine entsprechende Funktion über den Bordcomputer des Fahrzeugs ausgewählt werden oder es kann eine bestimmte Kombination von Wählhebeln (z.B. Bremspedal) in einer vorbestimmten Art betätigt werden, um die Übermittlung der Information an die Ladesäule auszulösen. Das Elektrofahrzeug kann ferner in einer Zählvariablen festhalten, wie oft die erweiterte Betriebsart aktiviert bzw. verwendet worden ist, also wie oft bei dem Elektrofahrzeug das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt worden ist. Die Anzahl der durchführbaren erfindungsgemäßen Verfahren kann für die Lebensdauer des Fahrzeugs und/oder innerhalb bestimmter zeitlicher Intervalle begrenzt sein kann. Beispielsweise kann die Begrenzung der Anzahl der Aktivierungen der erweiterten Betriebsart bis zu einer nächsten Fahrzeugwartung gelten, bei der die Traktionsbatterie überprüft wird. Nach durchgeführter Fahrzeugwartung kann die Zählvariable auf Null gesetzt werden oder es kann zusätzlich eine weitere Anzahl der Aktivierungen des erweiterten Betriebsmodus freigeschaltet werden. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens wird also der erweiterte Betriebsmodus der Traktionsbatterie durch den Benutzer freigegeben und kann durch entsprechende Unterrichtung im Wesentlichen nur bei Absicht einer baldigen intensiveren Fahrzeugnutzung erfolgen. So kann eine verstärkte Alterung der Traktionsbatterie vermieden werden, da von einer relativ kurzen Verweildauer der Traktionsbatterie im hohen Ladestandsbereich ausgegangen werden kann. Dennoch kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um einen begrenzt ausführbaren Sondermodus handeln, welcher eine Ausnahme vom üblichen bzw. standardmäßigen Betrieb darstellt.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann das Verfahren Angleichen von Zellspannungen in den einzelnen Batteriezellen der Traktionsbatterie aneinander aufweisen, wobei bevorzugt eine für den Angleichvorgang nominell eingestellte Spannungsdifferenzschwelle auf einen geringeren Wert gesetzt wird. Der durchgeführte Angleichvorgang kann einem Balancing entsprechen, bei dem eine maximale Spannungssymmetrie unter den Zellen innerhalb der Batteriemodule der Traktionsbatterie angestrebt wird. Hierbei kann sowohl ein passives als auch ein aktives Balancing mittels eines entsprechend bereitgestellten Balancers (Ausgleichsregler) durchgeführt werden. Da neben Performanz die Effizienz eines der höchsten Güter eines Elektrofahrzeugs darstellt, gibt es normalerweise Balancing-Startbedingungen, welche beispielsweise festlegen, ab welcher Spannungsdifferenz zwischen den Zellen der Balancing-Vorgang durchgeführt wird (z.B. 50mV). Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann diese Balancing-Startbedingung deutlich aggressiver eingestellt werden durch Verkleinern des Balancing-Schwellenwertes (z.B. auf 30 mV, 20 mV oder 10 mV), um eine maximale Spannungs-Symmetrierung zu erreichen. Das Angleichen der Spannungen der Zellen ist deshalb vorteilhaft, weil die Spannungen der Einzelzellen üblicherweise nie symmetrisch sind, sondern sich immer leicht unterscheiden, und so die Auswirkung der schwächsten Zelle, auf welche die Leistungsreglung üblicherweise eingestellt wird, auf die Performanz des Batteriesystems verringert werden kann. Das Herabsetzen der Startbedingung für das Durchführen des Balancing kann beispielsweise zusammen mit dem Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden. Da das Balancing unter Umständen ein langwieriger Vorgang sein kann, kann dieser im Hinblick auf ein optimales Ergebnis jedoch erst in einer Ruhephase durchgeführt werden, z.B. über Nacht, nachdem die Traktionsbatterie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren geladen worden ist.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Gesamtheit der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
    • 1 zeigt einen typischen Verlauf der Nennspannung einer Batteriezelle in Abhängigkeit von ihrem Ladestand am Beispiel einer Lithium-Ionen-Zelle.
  • Das in 1 gezeigte Diagramm 1 zeigt eine Kurve 4, welche den Verlauf einer Nennspannung einer Lithium-Ionen-Zelle, welche in Volt auf der y-Achse 2 des Diagramms 1 aufgetragen ist, in Abhängigkeit vom physikalischen Ladestand der Zelle angibt, welcher in Prozent auf der x-Achse 3 des Diagramms 1 aufgetragen ist. Unter dem physikalischen Ladestand wird ein über die Nennspannung willkürlich definierter Bereich definiert, über den Lade- und Entladevorgänge stattfinden können. Mit dem ersten Doppelpfeil 5 ist der normale bzw. standardmäßige Bereich gekennzeichnet, welcher für die Energiebereitstellung zur Verfügung steht. Eine entsprechende Batteriezelle wird also bis zu einer maximalen Nennspannung 8 von ca. 4,1 V geladen und sie kann bis auf eine Entladeschlussspannung 7 von ca. 3,8 V entladen werden. Diese Werte werden den Ladestandsanzeigewerten 100% und 0% zugeordnet und dem Fahrer des Elektrofahrzeugs angezeigt.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Ladevorgang derart durchgeführt, dass die nominell eingestellte Ladeschlussspannung 8 auf eine überhöhte Ladeschlussspannung 9 angehoben wird. Dadurch deckt der erweiterte Betriebsbereich 6 der Traktionsbatterie einen größeren Nennspannungsbereich der Traktionsbatterie ab, wobei nur seine obere Grenze nach oben hin verschoben wird. Die definitionsgemäße Zuordnung des Ladestandsanzeigenwertes von 100% zu dem Wert, welcher der Ladeschlussspannung entspricht, wird beibehalten. Durch das Laden der Traktionsbatterie, bis die Batteriezellen die überhöhte bzw. erweiterte Ladeschlussspannung 9 erreichen, wird die gewünschte Spannungsüberhöhung 10 erreicht. In diesem Bereich kann im Vergleich zur Leistungsbereitstellung bei der (normalen) Ladeschlussspannung 8 die gleiche Leistung bei kleinerem Stromfluss bereitgestellt werden, wodurch die thermischen Verluste verringert werden können. Zugleich sieht man, dass der erweiterte Betriebsbereich 6 gegenüber dem normalen Betriebsbereich 5 eine größere Lademenge bereitstellt, die bis zum Erreichen der Entladeschlussspannung 7 der Traktionsbatterie entnommen werden kann. Ausgehend von einer gemäß Ladestandsanzeige voll aufgeladener Traktionsbatterie führt eine Entnahme einer bestimmten Lademenge im erweiterten Betriebsmodus 6 zu einem geringeren Entladungstiefe als es bei dem normalen Betriebsmodus 5 der Fall wäre.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, aufweisend: Laden der Traktionsbatterie, wobei für den stattfindenden Ladevorgang eine nominell eingestellte Ladeschlussspannung auf eine überhöhte Ladeschlussspannung angehoben wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei bei dem stattfindenden Ladevorgang die Traktionsbatterie bis auf die überhöhte Ladeschlussspannung geladen wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren durch eine entsprechende Information ausgelöst wird, welche von dem Elektrofahrzeug an die Ladesäule übermittelt wird.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Übermittlung der Information durch eine Benutzerinteraktion ausgelöst wird.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend: Angleichen von Zellspannungen in den einzelnen Batteriezellen der Traktionsbatterie aneinander, wobei bevorzugt eine für den Angleichvorgang nominell eingestellte Spannungsdifferenzschwelle auf einen geringeren Wert gesetzt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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