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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines nutzbaren Energieinhalts, einer Restreichweite und/oder eines Ladezustands eines Elektrofahrzeugs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein System zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Elektrofahrzeuge sind mit einer Traktionsbatterie ausgestattet, die einen Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis bildet, um eine oder mehrere elektrische Maschinen des Elektrofahrzeugs während des Betriebs mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie ist dabei insbesondere von ihrem physikalischen (technischen) Ladezustand (d. h., vom Spannungsniveau der Batteriezellen der Traktionsbatterie) und ihrer Betriebstemperatur, die zum Beispiel einen Einfluss auf den Innenwiderstand und die lonenleitfähigkeit hat, abhängig. Sowohl bei abnehmendem physikalischen Ladezustand als auch bei abnehmender Betriebstemperatur sinkt folglich die Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie und damit auch die des Elektrofahrzeugs.
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Der effektiv nutzbare Bereich des physikalischen Ladezustands der Traktionsbatterie, der englischsprachig häufig auch als „State of Charge“, kurz: SoC bezeichnet wird, wird auf einen definierten Betriebsbereich festgelegt, innerhalb dessen die Traktionsbatterie über ihre gesamte Lebensdauer sicher betrieben werden kann. Das bedeutet, dass der effektiv nutzbare Bereich kleiner als der physikalische Ladezustand der Traktionsbatterie ist.
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Dieser nutzbare Bereich des physikalischen Ladezustands der Traktionsbatterie wird dem Fahrer des Elektrofahrzeugs mittels einer Anzeigevorrichtung zum Beispiel als Prozentangabe (0-100 %) angezeigt. Dieser dem Fahrer angezeigte nutzbare Bereich des physikalischen Ladezustands berücksichtigt allerdings die Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie bisher entweder überhaupt nicht oder nur im warmen Betriebszustand. Der dem Fahrer angezeigte Wert „Ladezustand = 0 %“ ergibt sich dann aus dem physikalischen Ladezustand bei warmer Traktionsbatterie, bei dem gerade noch eine definierte Mindestentladefähigkeit als unterer Schwellwert zur Verfügung steht.
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Als wesentliche Orientierungsgröße für das Fahren des Elektrofahrzeugs dient dem Fahrer üblicherweise die Angabe der Restreichweite. Diese berechnet sich aus dem nutzbaren Energieinhalt der Traktionsbatterie und dem Verbrauch des Elektrofahrzeugs. Der verbleibende nutzbare Energieinhalt bezieht sich auf die im angezeigten Ladezustandsbereich zwischen 0 % bis x % noch entnehmbare elektrische Energie (x % bezeichnet hierbei den aktuellen Ladezustand der Traktionsbatterie im Fahrzeug). Dieses führt dazu, dass bei einem gegebenen physikalischen Ladezustand und unter Vernachlässigung prinzipieller physikalischer Zusammenhänge, wie zum Beispiel temperaturabhängigen Verlusten, Betriebsstrategien zum Heizen, etc., der tatsächlich nutzbare Energieinhalt und damit die dem Fahrer angezeigte Restreichweite unabhängig von der Batterietemperatur stets gleich ist.
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Die Betrachtung eines batterietemperaturunabhängigen Energieinhalts führt nun bei kalter Traktionsbatterie dazu, dass zwar ein bestimmter Ladezustand von beispielsweise 15 % signalisiert wird und sich daraus folglich ein entsprechender Energieinhalt sowie eine entsprechende Restreichweite des Elektrofahrzeugs ergeben, wobei dieser Energieinhalt beziehungsweise die auf dieser Basis dem Fahrer angezeigte Restreichweite allerdings technisch nicht vollumfänglich nutzbar ist. Dieses ist der Tatsache geschuldet, dass bei einer niedrigen Betriebstemperatur der Traktionsbatterie der Bereich niedriger Ladezustände für den Fahrbetrieb aufgrund der nicht verfügbaren Leistungsfähigkeit überhaupt nicht zur Verfügung steht. Die angezeigte Reichweite ist somit in diesem Fall nicht die tatsächlich fahrbare Reichweite.
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Beispielsweise kann die Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie bei einer Betriebstemperatur TBat = 30°C und einem dem Fahrer angezeigten Ladezustand von 15 % etwa 100 kW betragen (Fall a), wohingegen die Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie bei einer Betriebstemperatur TBat = -10°C und einem dem Fahrer angezeigten Ladezustand von 15 % nur etwa 20 kW beträgt (Fall b). Mit einer Leistungsfähigkeit von 100 kW ist ein „normaler“ Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs möglich, während der Fahrbetrieb bei einer Leistungsfähigkeit von nur noch 20 kW stark eingeschränkt ist. Wenn nun - wie im Stand der Technik üblich - in beiden Fällen unter Berücksichtigung des physikalischen Ladezustands und des Verbrauchs dem Fahrer eine Restreichweite ohne Berücksichtigung des Einflusses der Batterietemperatur auf den Energieinhalt der Traktionsbatterie und damit auch auf die Reichweite angezeigt wird, wäre die Information für den oben betrachteten Fall a) korrekt, im Fall b) jedoch systematisch falsch, da die eingeschränkte Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie eine Fahrbarkeit der angezeigten Reichweite nicht beziehungsweis nur noch zu einem geringen Teil ermöglicht.
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Im Stand der Technik wird somit die Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie beim angezeigten Ladezustand in Höhe von 0 % und einer Restreichweite von 0 km nicht berücksichtigt. Dieses führt dazu, dass zum Beispiel bei kalter Batterie bei gleichem physikalischen (technischen) Ladezustand eine deutlich geringere Leistungsfähigkeit vorhanden ist. Somit kann eine angezeigte Reichweite bei kalter Traktionsbatterie nicht vollumfänglich genutzt werden, da die letzten Kilometer nur noch mit einem kriechenden Fahrzeug zurückgelegt werden können. Dieser Aspekt wird im Stand der Technik ganz unterschiedlich adressiert. Zum Beispiel kann eine Darstellung der Leistungsfähigkeit des Elektrofahrzeugs durch eine Anzeige in einem Kombiinstrument dargestellt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen in der Traktionsbatterie nicht nutzbaren Energieanteil optisch als „nicht verfügbar“ darzustellen, beispielsweise durch ein Schneeflockensymbol.
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Die
DE 10 2019 122 551 A1 offenbart ein Verfahren zur Routenplanung für ein autonomes Elektrofahrzeug, wobei ein Geschwindigkeitsprofil zum Befahren einer Route derart eingestellt wird, dass eine Batterietemperatur beim Befahren der Route unterhalb eines Temperaturschwellenwertes bleibt.
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Aus der
DE 10 2019 202 014 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Berechnung einer Ladedauer einer Traktionsbatterie bekannt, wobei beispielsweise eine Betriebstemperatur der Traktionsbatterie berücksichtigt wird.
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Die
DE 10 2019 125 396 B3 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs auf einen Ziel-Ladezustand.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein System zur Ermittlung einer Restreichweite einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs zur Verfügung zu stellen, welche es ermöglichen, den nutzbaren Energieinhalt der Traktionsbatterie, die Restreichweite des Elektrofahrzeugs und/oder den Ladezustand der Traktionsbatterie mit höherer Genauigkeit zu bestimmen.
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Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zur Ermittlung einer Restreichweite einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Systems wird diese Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung eines nutzbaren Energieinhalts, einer Restreichweite und/oder eines Ladezustands eines Elektrofahrzeugs umfasst die Schritte
- - Setzen eines unteren Schwellwerts einer Batterieleistung einer Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs, die einer minimalen Systemleistung entspricht, die dem Fahrer für die angezeigte Reichweite gewährleistet wird,
- - Bestimmen eines physikalischen Ladezustands der Traktionsbatterie,
- - Messen einer Betriebstemperatur der Traktionsbatterie,
- - Berechnen des Energiegehalts der Traktionsbatterie, der Restreichweite des Elektrofahrzeugs und/oder des Ladezustands der Traktionsbatterie auf Basis des unteren Schwellwerts der Batterieleistung, des physikalischen Ladezustands und der Betriebstemperatur und
- - Anzeigen der Restreichweite des Elektrofahrzeugs und/oder des Ladezustands der Traktionsbatterie mittels einer Anzeigevorrichtung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt somit in vorteilhafter Weise die Temperaturabhängigkeit der Traktionsbatterie beim nutzbaren Energieinhalt beziehungsweise der angezeigten Restreichweite, so dass die dem Fahrer angezeigte Reichweite tatsächlich fahrbar ist. Ein wesentliches Ziel ist es, dass sich das Elektrofahrzeug im Bereich niedriger Reichweiten für den Fahrer unabhängig von der aktuellen Batterietemperatur bezüglich der Leistungsfähigkeit immer gleich verhält.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass beim Berechnen des Energieinhalts der Traktionsbatterie, der Restreichweite des Elektrofahrzeugs und/oder des Ladezustands der Traktionsbatterie ein erster Arbeitspunkt, der einer Restreichweite von 0 km entspricht, und ein zweiter Arbeitspunkt, der einem angezeigten Ladezustand von 0 % entspricht, gesetzt werden. Um sicherzustellen, dass im Rahmen der dem Fahrer angezeigten Restreichweite bis 0 km insbesondere durch das Setzen einer minimalen Leistungsschwelle stets eine ausreichende Fahrbarkeit des Elektrofahrzeugs gegeben ist, sollen die beiden Arbeitspunkte „Reichweite = 0 km“ und „angezeigter Ladezustand = 0 %“ in Abhängigkeit von der Batterieleistungsfähigkeit beziehungsweise damit auch in Abhängigkeit von der Batterietemperatur entsprechend angepasst werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass beim Berechnen des Energieinhalts der Traktionsbatterie, der Restreichweite des Elektrofahrzeugs und/oder des Ladezustands der Traktionsbatterie der erste Arbeitspunkt und/oder der zweite Arbeitspunkt bei einer niedrigen Betriebstemperatur der Traktionsbatterie gegenüber den Arbeitspunkten bei einer hohen Betriebstemperatur der Traktionsbatterie zu einem höheren physikalischen Ladezustand verschoben werden.
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Um beispielsweise dem Fahrer zu signalisieren, dass keine elektrische Energie der Traktionsbatterie verloren ging, sondern lediglich aufgrund zu niedriger Betriebstemperaturen nicht nutzbar ist, besteht in einer alternativen Ausführungsform auch die Möglichkeit, dass beim Berechnen des Energieinhalts der Traktionsbatterie, der Restreichweite des Elektrofahrzeugs und/oder des Ladezustands der Traktionsbatterie der erste Arbeitspunkt bei einer niedrigen Betriebstemperatur der Traktionsbatterie gegenüber dem ersten Arbeitspunkt bei einer hohen Betriebstemperatur der Traktionsbatterie zu einem höheren physikalischen Ladezustand verschoben wird und der zweite Arbeitspunkt konstant gehalten wird oder zu einem höheren Ladezustand verschoben wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der untere Schwellwert der Batterieleistung so gesetzt wird, dass er einem definierten Leistungsbedarf, insbesondere einem Leistungsbedarf für eine Überlandfahrt oder Autobahnfahrt mit konstanter Geschwindigkeit, entspricht. Beispielsweise kann der untere Schwellwert so gesetzt werden, dass er einem Leistungsbedarf für eine Fahrt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 100 km/h entspricht. In einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der untere Schwellwert der Batterieleistung so gesetzt wird, dass zusätzlich der fahrzeuginterne Leistungsbedarf durch Nebenaggregate abgedeckt wird. Vorzugsweise kann der untere Schwellwert der Batterieleistung so gesetzt werden, dass er mindestens 20 kW beträgt.
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Ein erfindungsgemäßes System zur Durchführung eines Verfahrens zur Ermittlung eines nutzbaren Energieinhalts, einer Restreichweite und/oder eines Ladezustands eines Elektrofahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst
- - eine Temperatursensoreinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Betriebstemperatur der Traktionsbatterie zu erfassen,
- - eine Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, einen Energieinhalt der Traktionsbatterie und darauf basierend eine Restreichweite des Elektrofahrzeugs und/oder einen Ladezustand der Traktionsbatterie auf Basis eines unteren Schwellwerts der Batterieleistung der Traktionsbatterie und der Betriebstemperatur zu berechnen, sowie
- - eine Anzeigevorrichtung, die an die Auswerteeinrichtung angeschlossen ist und dazu ausgebildet ist, einem Fahrer des Elektrofahrzeugs die Restreichweite des Elektrofahrzeugs und/oder den Ladezustand der Traktionsbatterie anzuzeigen.
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Das erfindungsgemäße System ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Ermittlung des nutzbaren Energieinhalts, der Restreichweite und/oder des Ladezustands eines Elektrofahrzeugs unter Berücksichtigung der jeweiligen Betriebstemperatur der Traktionsbatterie.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines Systems zur Durchführung eines Verfahrens zur Ermittlung einer Restreichweite und/oder eines Ladezustands eines Elektrofahrzeugs,
- 2 eine schaubildliche Darstellung eines physikalischen Ladezustands, eines angezeigten Ladezustands und einer Restreichweite der Traktionsbatterie bei einer warmen Betriebstemperatur,
- 3 eine schaubildliche Darstellung eines physikalischen Ladezustands, eines angezeigten Ladezustands und einer Restreichweite der Traktionsbatterie bei einer kalten Betriebstemperatur.
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Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein System 1 zur Durchführung eines Verfahrens zur Ermittlung eines nutzbaren Energieinhalts, einer Restreichweite und/oder eines Ladezustands eines Elektrofahrzeugs, welches eine Traktionsbatterie und zumindest eine elektrische Maschine umfasst, eine Temperatursensoreinrichtung 3, mittels derer eine Betriebstemperatur TBat der Traktionsbatterie 2 erfasst werden kann. Ferner umfasst das System 1 eine Auswerteeinrichtung 4, welche die Temperturmessdaten der Temperatursensoreinrichtung 3 empfangen und auswerten kann. Ferner weist das System 1 eine Anzeigevorrichtung 5 auf, die an die Auswerteeinrichtung 4 angeschlossen ist und die dazu ausgebildet ist, dem Fahrer des Elektrofahrzeugs die Restreichweite und/oder den Ladezustand der Traktionsbatterie 2 anzuzeigen.
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Bei der nachfolgenden Erläuterung eines Verfahrens zur Ermittlung eines nutzbaren Energieinhalts, einer Restreichweite und/oder eines Ladezustands des Elektrofahrzeugs soll angenommen werden, dass im Rahmen der dem Fahrer angezeigten Restreichweite immer eine Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie 2 vorhanden sein soll, die einem unteren Schwellwert der Batterieleistung entspricht, der entsprechend gesetzt wird. Dieser untere Schwellwert der Batterieleistung kann zum Beispiel mindestens 20 kW betragen, um auch den elektrischen Leistungsbedarf von Nebenaggregaten des batterieelektrischen Fahrzeugs zu berücksichtigen. Der Leistungsbedarf, anhand dessen der untere Schwellwert der Batterieleistung gesetzt wird, kann sich beispielsweise an einer autobahntypischen Fahrgeschwindigkeit orientieren. Beispielsweise kann ein Leistungsbedarf für eine Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit von 100 km/h für das Setzen des unteren Schwellwerts der Batterieleistung verwendet werden.
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In den Darstellungen gemäß 2 und 3 ist jeweils im oberen Bereich der physikalische (technische) Ladezustand 6 der Traktionsbatterie 2 gezeigt, während im unteren Bereich der dem Fahrer mittels der Anzeigevorrichtung 5 tatsächlich angezeigte Ladezustand 7 dargestellt ist. Mit dem Bezugszeichen P3 wurde bei der Darstellung des physikalischen Ladezustands 6 in beiden Figuren jeweils ein Endpunkt der Fahrstromfreigabe gekennzeichnet. Der Endpunkt der Fahrstromfreigabe P3 ist definiert durch eine Leistung, die sehr viel geringer als die Leistung im Punkt P1 ist. Das batterieelektrische Fahrzeug kann sich nur noch mit geringer Geschwindigkeit (z. B. mit einer Geschwindigkeit von 25 km/h in leichter Steigung) bewegen. Hier würde dann die Fahrbereitschaft entzogen, wenn diese Leistung (zuzüglich des Leistungsbedarfs von Nebenaggregaten) seitens der Traktionsbatterie 2 nicht mehr erbracht werden kann. 2 zeigt hierbei die Verhältnisse bei warmer Traktionsbatterie 2. In 3 ist eine Situation dargestellt, in der die Temperatur der Traktionsbatterie -10°C beträgt. Die Punkte P1 geben in 2 und 3 jeweils den angezeigten Ladezustand 7 von 0 % an. Mit den Punkten P2 wurde jeweils die Restreichweite von 0 km bezeichnet. Da die Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie 2 mit abnehmendem Ladezustand und abnehmender Temperatur monoton abfällt, sind die Punkte P1 (Restreichweite = 0 km) und P2 (angezeigter Ladezustand 7 = 0%) für die Auslegung relevant.
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Aus 2 ergibt sich, dass die Traktionsbatterie 2 in einem warmen Betriebszustand den unteren Schwellwert der Batterieleistung in Höhe von 20 kW noch bei einem physikalischen Ladezustand 6 in Höhe von 3 % bereitstellen kann. Anders ist dieses bei tiefen Temperaturen der Traktionsbatterie 2. Dementsprechend wird vorgeschlagen, dass ausgehend von 2 die Punkte P1 (Restreichweite = 0 km) und P2 (angezeigter Ladezustand 7 = 0 %) hin zu einem höheren physikalischen Ladezustand 6 verschoben werden.
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Wie in 3 zu erkennen, kann die Traktionsbatterie 2 bei einer Batterietemperatur von -10°C den unteren Schwellwert der Batterieleistung in Höhe von 20 kW nur noch bei einem physikalischen (technischen) Ladezustand 6 in Höhe von 15 % bereitstellen. Entsprechend wurden die Punkte P1, P2 zu einem höheren physikalischen (technischen) Ladezustand 6 verschoben.
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Das hier beschriebene Verfahren berücksichtigt somit die Temperaturabhängigkeit der Traktionsbatterie 2 beim nutzbaren Energieinhalt beziehungsweise der angezeigten Restreichweite, so dass die dem Fahrer angezeigte Restreichweite tatsächlich fahrbar ist. Das Ziel ist es, dass sich das Elektrofahrzeug im Bereich niedriger Reichweiten für den Fahrer unabhängig von der aktuellen Batterietemperatur immer gleich verhält.
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In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Punkt P2 (angezeigter Ladezustand 7 = 0 %) konstant gehalten wird und nur der Punkt P1 (Restreichweite = 0 km) temperaturabhängig zu einem höheren physikalischen (technischen) Ladezustand 6 verschoben wird, um beispielsweise dem Fahrer zu signalisieren, dass keine elektrische Energie der Traktionsbatterie 2 verloren ging, sondern lediglich aufgrund zu niedriger Betriebstemperaturen nicht nutzbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019122551 A1 [0009]
- DE 102019202014 A1 [0010]
- DE 102019125396 B3 [0011]
