DE102021130419A1

DE102021130419A1 - Verfahren und Energiemanagementsystem zur systemleistungsabhängigen Entladetiefe einer Hochvolt-Batterie

Info

Publication number: DE102021130419A1
Application number: DE102021130419.9A
Authority: DE
Inventors: Moritz Eitler; Dominique Labonte; Emmanuel Dhollande; Ender Sen
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-11-22
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2023-05-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer systemleistungsabhängigen Entladetiefe einer Hochvolt-Batterie (201), bei dem ein Fahrzeug eine Systemleistung, welche sich aus Antriebsleistung und einer Bordelektronikleistung zusammensetzt, aufweist und die Hochvolt-Batterie eine Gesamtkapazität aufweist, und bei dem die Hochvolt-Batterie (201) einen Anteil eines Absolutladezustands von hundert Prozent aufweist, wenn durch eine Aufladung die Gesamtkapazität vollständig ausgeschöpft ist, und einen Anteil des Absolutladezustands null Prozent beträgt, wenn durch eine Entleerung die Gesamtkapazität vollständig erschöpft ist, wobei sich die Entladetiefe innerhalb des Absolutladezustands aus einem für einen Fahrbetrieb nutzbaren Batterieleistungsbereich der Hochvolt-Batterie durch eine Differenz einer Batterieleistungsobergrenze und einer Batterieleistungsuntergrenze (232) gebildet wird, wobei die Batterieleistungsuntergrenze (232) in Abhängigkeit von der Systemleistung eingestellt wird. Zusätzlich wird ein Energiemanagementsystem (202) beansprucht, welches eine Ausführung des Verfahrens erlaubt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Entladetiefe einer von einem Elektrofahrzeug umfassten Hochvolt-Batterie, deren Entladetiefe von einer Systemleistung abhängt. Ferner wird ein Energiemanagementsystem beansprucht, welches eine Ausführung des Verfahrens erlaubt.
Die sogenannte Entladetiefe, vom Fachmann Englisch als Depth of Discharge bzw. DOD bezeichnet, bestimmt, wie viel einer verfügbaren Gesamtkapazität einer Hochvolt-(HV)-Batterie nach Herstellung - als bei einem ersten Betrieb - genutzt werden kann. Einerseits gilt es, hohe Ladezustände, bspw. über 96 % der Gesamtkapazität, zu vermeiden, um eine starke Alterung der HV-Batterie zu verhindern. Andererseits sind sehr niedrige Ladezustände, bspw. unterhalb 4 % der Gesamtkapazität, kritisch, da deutlich weniger Leistung zur Verfügung steht und die Gefahr einer Tiefenentladung nach langer Standzeit droht. Außerdem muss beachtet werden, dass geringe Ladezustände - insbesondere im Kaltbetrieb - mit extrem reduzierter Leistungsverfügbarkeit einhergehen. Generell ist das Ziel, eine möglichst große Entladetiefe der HV-Batterie bereitzustellen, um damit eine möglichst hohe Reichweite zu erzielen.
Typischerweise wird ein absoluter Ladezustand, vom Fachmann Englisch als State of Charge bzw. SoC bezeichnet, im Fahrzeug via Diagnose überwacht und über den DOD in einen für einen Fahrerladezustand bzw. Nutzerladezustand umgerechnet. Dadurch definieren sich ein Betriebsbereich und eine nutzbare Energie. Alle Anforderungen bezüglich Leistung, Tiefenentladeschutz und Alterung werden unabhängig von einer jeweiligen Plattform, welche einer jeweiligen Reihe an Derivaten als Fahrzeugmodelle bzw. Implementationen von Traktionsmotoren und damit einhergehend verschiedenen Leistungsanforderungen zu Grunde liegt, an die jeweilige HV-Batterie in Hardware gekoppelt implementiert. Letztendlich beinhaltet dieser Vorgang, dass für alle Derivate der gleiche DOD bzw. das gleiche Konzept zur Berechnung des DOD gilt. Bei einem „Leerfahren“ der Traktionsbatterie verhält sich somit jedes mit unterschiedlicher Motorleistung versehene Elektrofahrzeug anders. Zudem liegen extreme Unterschiede bzgl. Temperatur und Lebensdauerzustand vor. So hat ein 600kW-Derivat kurz vor „Batterie leer“ gleich viel (Rest-)Leistung zur Verfügung wie ein 50kW-Derivat. Dabei ist gerade in Plattformentwicklungen ein Leistungsbedarf extrem fahrzeug- und derivatabhängig. So hat ein Sportwagen einen viel höheren Leistungsbedarf wie ein Kleinwagen.
In der US-amerikanischen Druckschrift US 2021/0162874 A1 wird insbesondere ein Antriebssteuergerät für ein Transportfahrzeug beschrieben, welches eine von der HV-Batterie abgegebene Leistung regelt. Das Fahrzeug kann alternativ mit Wasserstoff, Solarenergie oder Flüssiggas betrieben werden und umfasst neben der Antriebssteuerung insbesondere eine Kommunikationseinheit, Ladeeinheit, Energieeinheit und eine Leistungsverteilungseinheit.
Die Druckschrift US 2020/0091734 A1 vermeidet eine Verschlechterung der Batterie bei einer Langzeitlagerung, indem Batterieladezyklen auf einem Spannungsniveau durchgeführt werden, bei dem eine Änderung der Batteriespannung geteilt durch eine Änderung der Speicherkapazität der Batterie minimal ist. Dabei wird ein minimaler Spannungswert bei Langzeitlagerung und ein maximaler Spannungswert bei Langzeitlagerung auf Grundlage jeweiliger Grenzen der Entladetiefe bestimmt.
Die Druckschrift EP 3 832 780 A2 stellt ein Batteriemanagement bereit, welches entsprechend zu einer Lastanforderung und Batteriebetriebsinformationen eine Gruppe von Batteriemodulen bestimmt, welche diese Lastanforderung aufbringen kann. Die Batteriemodule der Gruppe weisen eine Entladetiefe auf, welche im Bereich einer bevorzugten Entladetiefe liegt.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Einstellen einer Entladetiefe einer HV-Batterie zur Verfügung zu stellen, welches die Entladetiefe bezogen auf einen Energieverbrauch eines Fahrzeuges bestimmt. Bei größeren Fahrzeugen soll eine auf Grundlage der Entladetiefe wiedergegebene „Tank“-Anzeige eine Resteenergie von „Null“ bei einem höheren Restanteil des Ladezustandes berücksichtigen als bei einem mit einem kleineren Elektromotor ausgestatteten Fahrzeug. Ferner soll ein Steuergerät beansprucht werden, welches eine Ausführung des Verfahrens erlaubt.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zum Einstellen einer systemleistungsabhängigen Entladetiefe einer Hochvolt-Batterie vorgeschlagen, bei dem ein Fahrzeug eine Systemleistung, welche sich aus Antriebsleistung und einer Bordelektronikleistung zusammensetzt, aufweist und die Hochvolt-Batterie eine Gesamtkapazität aufweist. Die Hochvolt-Batterie weist einen Anteil eines Absolutladezustands von hundert Prozent auf, wenn durch eine Aufladung die Gesamtkapazität vollständig ausgeschöpft ist. Ein Anteil des Absolutladezustands beträgt null Prozent, wenn durch eine Entleerung die Gesamtkapazität vollständig erschöpft ist. Die Entladetiefe wird innerhalb des Absolutladezustands aus einem für einen Fahrbetrieb nutzbaren Batterieleistungsbereich der Hochvolt-Batterie durch eine Differenz einer Batterieleistungsobergrenze und einer Batterieleistungsuntergrenze gebildet. Die Batterieleistungsuntergrenze wird in Abhängigkeit von der Systemleistung eingestellt.
Die Batterieleistungsobergrenze wird mindestens von einem Batteriezustand aus folgender Liste beeinflusst: Batterietemperatur, Lebensalter, Ladezustand. Da sich gemeinhin eine Batterieleistung mit ansteigender Batterietemperatur erhöht, weitet sich damit auch die Entladetiefe aus. Es ist also möglich, dass während einer Fahrt, insbesondere im Winter, sich zwar der Ladezustand der Hochvolt-Batterie verringert, gegenüber einem Betriebsstart sich aber die Batterietemperatur erhöht und entsprechend - bis zu einem Erreichen eines Temperaturgleichgewichtes - die Entladetiefe und damit eine Reichweite des Fahrzeugs sich erhöhen.
Gemeinhin steigt bei Fahrzeugen mit steigender Systemleistung auch eine Leistungsabfrage, um eine spezielle Geschwindigkeit zu erreichen. Mit der erfindungsgemäßen systemleistungsabhängigen Entladetiefe kann somit zwischen Derivaten von Fahrzeugmodellen mit verschiedenen Traktionsmotoren bzw. Systemleistungen unterschieden werden. Kleinere Derivate, d. h. auf einer gleichen Plattform beruhende, jedoch mit geringerer Systemleistung versehene Fahrzeuge zeigen vorteilhaft bei einer Reichweitenanzeige, welche die erfindungsgemäßen systemleistungsabhängigen Entladetiefe heranzieht, einen größeren Wert an als größere Derivate. Auch erhält ein Fahrer unabhängig vom Batteriezustand wie Lebensalter oder Batterietemperatur bei jedem Fahrzeug ein identisches Gefühl für ein „Leer“-Fahren, was insbesondere bei einer einmal erlernten Abschätzung eines Zeitpuffers zu einem Anfahren einer nächsten Ladesäule vorteilhaft ist.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Batterieleistungsuntergrenze eine bei einer Konstantfahrt des Fahrzeugs sich ergebende Batterieleistung gewählt. Eine zur Aufrechterhaltung der Konstantfahrt, also einer Fahrt mit einer konstanten Geschwindigkeit, abgefragte Batterieleistung steigt streng monoton mit der Geschwindigkeit an.
In einer fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Konstantfahrt des Fahrzeugs eine Geschwindigkeit von 60 km/h gewählt. Dieser Wert ergibt sich von Seiten einer Produkthaftung, um die Fahrt sicher zu gewährleisten als eine Anforderung zu einer minimalen Fahrleistung.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fahrzeug bei Unterschreiten der Batterieleistungsuntergrenze oder bei Unterschreiten eines vorgegebenen Anteils des Absolutladezustands stillgelegt. Wird damit die zu der jeweiligen Systemleistung festgelegte Batterieleistungsuntergrenze unterschritten, d. h. die Hochvolt-Batterie ist nicht mehr in der Lage bspw. eine zum Erhalt der Geschwindigkeit von 60 km/h benötigte Leistung aufzubringen, wird bspw. im Fahrzeugsystem eine Fahrtfreigabe zurückgenommen, eine Antriebsleistung auf 0 kW gesetzt, und das Fahrzeug bleibt liegen. Durch die „oder“-Bedingung wird auch - neben der Unterschreitung der Batterieleistungsuntergrenze - ein zweites Fahrtabbruchkriterium geschaffen, um vorteilhaft eine Tiefenentladung der Hochvolt-Batterie auszuschließen.
In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für den vorgegebenen Anteil des Absolutladezustands ein Wert von einem Prozent gewählt.
Ferner wird ein Energiemanagementsystem zum Einstellen einer systemleistungsabhängigen Entladetiefe einer Hochvolt-Batterie beansprucht, bei dem das Energiemanagementsystem Teil eines Fahrzeuges ist und das Fahrzeug einen Elektroantrieb und die Hochvolt-Batterie umfasst. Das Fahrzeug weist eine Systemleistung auf. Die Hochvolt-Batterie weist eine Gesamtkapazität auf. Die Hochvolt-Batterie weist einen Anteil eines Absolutladezustands von hundert Prozent auf, wenn durch eine Aufladung die Gesamtkapazität vollständig ausgeschöpft ist. Ein Anteil des Absolutladezustands beträgt null Prozent, wenn durch eine Entleerung die Gesamtkapazität vollständig erschöpft ist. Die Entladetiefe ergibt sich innerhalb des Absolutladezustands aus einem für einen Fahrbetrieb nutzbaren Batterieleistungsbereich der Hochvolt-Batterie durch eine Differenz einer Batterieleistungsobergrenze und einer Batterieleistungsuntergrenze. Das Energiemanagementsystem ist dazu konfiguriert, die Batterieleistungsuntergrenze in Abhängigkeit von der Systemleistung einzustellen.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems ist als Batterieleistungsuntergrenze eine bei einer Konstantfahrt des Fahrzeugs sich ergebende Batterieleistung gewählt.
In einer fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems ist für die Konstantfahrt des Fahrzeugs eine Geschwindigkeit von 60 km/h gewählt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems ist das Energiemanagementsystem dazu konfiguriert, das Fahrzeug bei Unterschreiten der Batterieleistungsuntergrenze stillzulegen oder das Fahrzeug bei Unterschreiten eines vorgegebenen Anteils des Absolutladezustands stillzulegen.
In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems ist für den vorgegebenen Anteil des Absolutladezustands ein Wert von einem Prozent gewählt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten 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.

1 zeigt graphisch für verschiedene Derivate eine Batterieleistung als Funktion einer Geschwindigkeit in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt ein Ablaufschema in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems.

In 1 wird in einer graphischen Darstellung 100 für verschiedene Derivate 111, 112, 113, 114 einer Fahrzeugplattform eine Batterieleistung 102 als Funktion einer konstant gehaltenen Geschwindigkeit 101 in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die vier Derivate 111, 112, 113, 114 weisen eine jeweilig unterschiedliche Systemleistung auf. Derivat 114 weist dabei die geringste Systemleistung auf, Derivat 113 eine höhere, Derivat 112 die zweit höchste und Derivat 111 ist das Fahrzeug mit der höchsten Systemleistung. Generell ist die angefragte Batterieleistung, um eine jeweilige Geschwindigkeit zu halten, eine streng monoton steigende Funktion mit der Geschwindigkeit. Zur Festlegung einer Batterieleistungsuntergrenze wird als Orientierungswert für eine minimale Fahrleistung eine Konstantfahrt bspw. eine Geschwindigkeit von 60 km/h 103 gewählt. Damit ergibt sich bspw. für das Derivat 114 mit der geringsten Systemleistung eine Batterieleistungsuntergrenze von 8 kW 124, da ein solches Fahrzeug bei einer Batterieleistung von besagten 8 kW 124 die Geschwindigkeit von 60 km/h 103 noch halten kann. Gleichfalls ergibt sich für das Derivat 111 mit der höchsten Systemleistung eine Batterieleistungsuntergrenze von 20 kW 121. Ergänzend ist in Tabelle 1 eine Datenerhebung zu einer Batterieleistung (in kW) als Funktion einer Batterietemperatur (-25° C, -15° C, -10° C, 0° C) und eines Absolut-(SoC)-Ladezustandes aufgeführt. Daran wird ersichtlich, wie sich eine Entladetiefe anhand von der Batterietemperatur und dem Ladezustand für ein jeweiliges Derivat einstellt.
In 2 wird ein Ablaufschema 200 in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems 202 gezeigt. Ein Antriebssteuergerät 203 übermittelt via Signal die minimale Fahrleistung 232, bspw. beim Derivat-Fahrzeug 111 den Wert von 20 kW 121 aus 1, an das Energiemanagementsystem 202. Eine Hochvolt-Batterie 201 regelt über eine verfügbare Leistung 212, welche bspw. von einem Ladezustand und einer Batterietemperatur der Hochvolt-Batterie 201 abhängt, im Energiemanagementsystem 202 eine Reichweiteanzeige und/oder eine Ladezustandsanzeige und Warnungen für einen Fahrer. Bei Unterschreiten der minimalen Fahrleistung 232 wird vom Energiemanagementsystem 202 das Fahrzeug stillgelegt. Solange aber vom Traktionssystem eine Batterieleistung oberhalb der minimalen Fahrleistung 232 angefragt wird, erfolgt vom Energiemanagementsystem 202 an das Antriebssteuergerät 203 eine Leistungsfreigabe 223.
Bezugszeichenliste

100: Graph Batterieleistung bei konstanter Geschwindigkeit
101: Geschwindigkeit [km/h]
102: Batterieleistung [kW]
103: Konstantfahrt bei 60 km/h
111: Derivat 1
112: Derivat 2
113: Derivat 3
114: Derivat 4
121: Batterieleistungsuntergrenze 20 kW
124: Batterieleistungsuntergrenze 8 kW
200: Schema zum Energiemanagementsystem
201: Hochvolt-Batterie
202: Energiemanagementsystem
203: Antriebssteuergerät
210: Ablaufschema
212: Istleistung
223: Leistungsfreigabe
232: Minimale Fahrleistung als Batterieleistungsuntergrenze

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2021/0162874 A1 [0004]
US 2020/0091734 A1 [0005]
EP 3832780 A2 [0006]

Claims

Verfahren zum Einstellen einer systemleistungsabhängigen Entladetiefe einer Hochvolt-Batterie (201), bei dem ein Fahrzeug eine Systemleistung, welche sich aus Antriebsleistung und einer Bordelektronikleistung zusammensetzt, aufweist und die Hochvolt-Batterie eine Gesamtkapazität aufweist, und bei dem die Hochvolt-Batterie (201) einen Anteil eines Absolutladezustands von hundert Prozent aufweist, wenn durch eine Aufladung die Gesamtkapazität vollständig ausgeschöpft ist, und einen Anteil des Absolutladezustands null Prozent beträgt, wenn durch eine Entleerung die Gesamtkapazität vollständig erschöpft ist, wobei sich die Entladetiefe innerhalb des Absolutladezustands aus einem für einen Fahrbetrieb nutzbaren Batterieleistungsbereich der Hochvolt-Batterie durch eine Differenz einer Batterieleistungsobergrenze und einer Batterieleistungsuntergrenze (121, 124, 232) gebildet wird, wobei die Batterieleistungsuntergrenze (121, 124, 232) in Abhängigkeit von der Systemleistung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Batterieleistungsuntergrenze (121, 124, 232) eine sich bei einer Konstantfahrt des Fahrzeugs ergebende Batterieleistung gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei für die Konstantfahrt des Fahrzeugs eine Geschwindigkeit von 60 km/h (103) gewählt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Fahrzeug bei Unterschreiten der Batterieleistungsuntergrenze (121, 124, 232) stillgelegt wird oder das Fahrzeug bei Unterschreiten eines vorgegebenen Anteils des Absolutladezustands stillgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei für den vorgegebenen Anteil des Absolutladezustands ein Wert von einem Prozent gewählt wird.
Energiemanagementsystem zum Einstellen einer systemleistungsabhängigen Entladetiefe einer Hochvolt-Batterie (201), bei dem das Energiemanagementsystem (202) Teil eines Fahrzeuges ist und das Fahrzeug einen Elektroantrieb und die Hochvolt-Batterie (201) umfasst, wobei das Fahrzeug eine Systemleistung und die Hochvolt-Batterie (201) eine Gesamtkapazität aufweist, wobei die Hochvolt-Batterie (201) einen Anteil eines Absolutladezustands von hundert Prozent aufweist, wenn durch eine Aufladung die Gesamtkapazität vollständig ausgeschöpft ist, und einen Anteil des Absolutladezustands null Prozent beträgt, wenn durch eine Entleerung die Gesamtkapazität vollständig erschöpft ist, wobei sich die Entladetiefe innerhalb des Absolutladezustands aus einem für einen Fahrbetrieb nutzbaren Batterieleistungsbereich der Hochvolt-Batterie durch eine Differenz einer Batterieleistungsobergrenze und einer Batterieleistungsuntergrenze (121, 124, 232) ergibt, und wobei das Energiemanagementsystem dazu konfiguriert ist, die Batterieleistungsuntergrenze (121, 124, 232) in Abhängigkeit von der Systemleistung einzustellen.
Energiemanagementsystem nach Anspruch 6, wobei als Batterieleistungsuntergrenze (121, 124, 232) eine sich bei einer Konstantfahrt des Fahrzeugs ergebende Batterieleistung gewählt ist.
Energiemanagementsystem nach Anspruch 7, wobei für die Konstantfahrt des Fahrzeugs eine Geschwindigkeit von 60 km/h (103) gewählt ist.
Energiemanagementsystem nach einem Ansprüche 6 bis 8, wobei das Energiemanagementsystem (202) dazu konfiguriert ist, das Fahrzeug bei Unterschreiten der Batterieleistungsuntergrenze (121, 124, 232) stillzulegen oder das Fahrzeug bei Unterschreiten eines vorgegebenen Anteils des Absolutladezustands stillzulegen.
Energiemanagementsystem nach Anspruch 9, wobei für den vorgegebenen Anteil des Absolutladezustands ein Wert von einem Prozent gewählt ist.