DE102021211419A1

DE102021211419A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung eines Ladevorgangs einer Gerätebatterie

Info

Publication number: DE102021211419A1
Application number: DE102021211419.9A
Authority: DE
Inventors: Christoph KROENER; Christoph Woll
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-10-11
Filing date: 2021-10-11
Publication date: 2023-04-13
Also published as: US20230231396A1; CN115966792A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Ladeprofilen für Gerätebatterien (41) von batteriebetriebenen Geräten (4), wobei die Ladeprofile die Durchführungen von jeweiligen Ladevorgängen der Gerätebatterien bestimmen, mit folgenden Schritten:- Auswählen (S3) von Gerätebatterien (41) mit gleicher nutzungsbedingter Belastung und gleichem Alterungszustand;- Unterteilen (S4) der ausgewählten Gerätebatterien (41) in Gruppen;- Zuordnen (S5) von verschiedenen Ladeprofilen zu den Gruppen von Gerätebatterien, wobei die Ladeprofile für einen Ladevorgang einen maximal zulässigen Ladestrom abhängig von einem Ladezustandsbereich angeben;- Betreiben (S5) der Gerätebatterien (41) aller Gruppen mit den jeweils zugeordneten Ladeprofilen für eine vorbestimmte Zeitdauer, so dass Ladevorgänge abhängig von dem jeweils zugeordneten Ladeprofil durchgeführt werden;- Ermitteln (S8) einer Änderung des mittleren Alterungszustands für jede Gruppe von Gerätebatterien (41) zwischen dem Beginn der vorbestimmten Zeitdauer und dem Ende der vorbestimmten Zeitdauer;- Anpassen (S10, S11) des Ladeprofils mindestens einer der Gruppen der Gerätebatterien (41) abhängig von der Änderung des mittleren Alterungszustands, um die Belastung der Gerätebatterien (41) der mindestens einen Gruppe zu reduzieren.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Gerätebatterien, insbesondere Fahrzeugbatterien von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, und insbesondere das Anpassen einer Ladestrategie für derartige Gerätebatterien.
Technischer Hintergrund
Das Laden und Entladen einer Gerätebatterie führt zu einer Degradation. Das Maß der Degradation hängt von Parametern des Ladens und Entladens ab. Während die Degradation durch einen Entladevorgang wesentlich durch die Nutzung der Gerätebatterie bestimmt wird, wird der während eines automatisierten Ladevorgangs auf die Gerätebatterie ausgeübte Stress durch Parameter bestimmt, die die Art und Weise, wie der Ladevorgang ausgeführt wird, angegeben. Die Parameter des Ladevorgangs bestimmen dadurch das Alterungsverhalten der Gerätebatterie.
Das Aufladen der Gerätebatterie wird in der Regel basierend auf einem vorgegebenen Ladeprofil durchgeführt. Das Ladeprofil wird in der Regel durch eine Kennlinie angegeben, die eine Abhängigkeit eines Ladestroms bzw. eines maximalen Ladestroms von einem Ladezustand bestimmt. Das Ladeprofil ist so festgelegt, dass es dabei die Ladedauer, den maximalen Ladestrom und das akzeptierte Alterungsverhalten optimiert, so dass ein Kompromiss zwischen Belastung der Gerätebatterie und der benötigten Ladezeit erreicht werden kann.
Üblicherweise wird ein Ladeprofil für eine Gerätebatterie vor Produktionsbeginn anhand umfangreicher Labormessungen ermittelt, wobei das Ladeprofil so erstellt wird, dass die Abhängigkeit der Degradation von dem Ladestrom, der Batterietemperatur und dem Ladezustand der Gerätebatterie berücksichtigt werden kann.
Da jedes Nutzerverhalten die Gerätebatterie unterschiedlich belastet, ist der Alterungszustand nicht allein durch die kalendarische Alterung bestimmt, sondern auch durch die zyklische Belastung durch Verläufe der Lade- und Entladeströme, des Ladezustands sowie der Batterietemperatur. Da jedoch derzeit lediglich ein Ladeprofil für einen bestimmten Gerätebatterietyp für ein Normal- und ein Schnellladen zur Verfügung steht, kann der Einfluss des Ladevorgangs auf das Alterungsverhalten der Gerätebatterie nicht berücksichtigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Anpassen eines Ladeprofils an eine individuelle Nutzung einer Gerätebatterie gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen von Ladeprofilen für Gerätebatterien von batteriebetriebenen Geräten vorgesehen, wobei die Ladeprofile die Durchführungen von jeweiligen Ladevorgängen der Gerätebatterien bestimmen, mit folgenden Schritten:

- Auswählen von Gerätebatterien mit gleicher nutzungsbedingter Belastung und gleichem Alterungszustand;
- Unterteilen der ausgewählten Gerätebatterien in Gruppen;
- Zuordnen von verschiedenen Ladeprofilen zu den Gruppen von Gerätebatterien, wobei die Ladeprofile für einen Ladevorgang einen maximal zulässigen Ladestrom abhängig von einem Ladezustandsbereich angeben;
- Betreiben der Gerätebatterien aller Gruppen mit den jeweils zugeordneten Ladeprofilen für eine vorbestimmte Zeitdauer, so dass Ladevorgänge abhängig von dem jeweils zugeordneten Ladeprofil durchgeführt werden;
- Ermitteln einer Änderung des mittleren Alterungszustands (Alterungszustandsdifferenz) für jede Gruppe von Gerätebatterien zwischen dem Beginn der vorbestimmten Zeitdauer und dem Ende der vorbestimmten Zeitdauer;
- Anpassen des Ladeprofils mindestens einer der Gruppen der Gerätebatterien abhängig von der Änderung des mittleren Alterungszustands, um die Belastung der Gerätebatterien der mindestens einen Gruppe zu reduzieren.

Für das Laden des Energiespeichers elektrischer Fahrzeuge ist die Ladestrategie von größter Bedeutung, da sie über Ladedauer und Ladestrom und somit über das Alterungsverhalten (State of Health, SoH) des Energiespeichers entscheidet. Das Ladeprofil ist heute so auf die Zellchemie abgestimmt, dass ein optimales Laden möglich ist. Optimal bedeutet dabei, dass Ladedauer, Ladestrom und Alterungsverhalten bestmöglich aufeinander abgestimmt sind.
Vor dem Einsatz einer Gerätebatterie wird diese umfangreich getestet, um eine durchschnittliche Lebensdauer bei definierten Lastbedingungen zu bestimmen. Daraus ergeben sich Garantiebedingungen, die eine Änderung des Alterungszustands um einen vorbestimmten Betrag während einer vorgegebenen Nutzungszeitdauer festlegen. Beispielsweise können Garantiebedingungen vorgeben, dass die Gerätebatterie in acht Jahren einen SOH-C-Wert des Alterungszustands von 80 % nicht unterschreitet oder bei Einsatz in einem Elektrofahrzeug eine Laufleistung von 300.000 km absolvieren kann. Das Ladeprofil für herkömmliche Gerätebatterien wird in der Regel herstellerseitig vorgegeben und stellt eine mittlere Belastung der Gerätebatterie dar, durch die neben anderen Betriebsbedingungen ein Einhalten der Garantiebedingungen erreicht werden kann.
Jedoch hängt die Alterung einer Gerätebatterie erheblich von ihrer Belastung durch die Art der Nutzung ab, wie beispielsweise durch die Höhe von Lade- und Entladeströmen, hohe Temperaturen, viele Schnellladezyklen und dergleichen.
Somit hängt das Einhalten der Garantiebedingungen von der Art der Nutzung der Gerätebatterie ab, so dass das Ziel ist, die Belastung der Gerätebatterie während der Nutzung so zu beeinflussen, dass die Garantiebedingungen eingehalten werden. Die Belastung während eines Ladevorgangs stellt einen erheblichen Einfluss auf das Alterungsverhalten der Gerätebatterie dar.
Im oben beschriebenen Verfahren erfolgt die Reduzierung der Belastung der Gerätebatterie durch Anpassen eines vorgegebenen Ladeprofils. Für Gerätebatterien werden entsprechend ein oder mehrere Ladeprofile fest vorgegeben, die entsprechend den Anforderungen, wie beispielsweise Normalladen oder Schnellladen, ausgewählt werden. Das ausgewählte Ladeprofil wird herkömmlich auf alle Gerätebatterien desselben Typs während eines Ladevorgangs angewendet.
Ein übliches Ladeprofil weist einen stufenförmigen Verlauf eines maximalen Ladestroms abhängig von dem Ladezustand, d. h. der Füllung der Gerätebatterie bezüglich der Gesamtspeicherkapazität auf. Ein solches Ladeprofil begrenzt den maximalen Ladestrom und vermeidet dadurch eine übermäßige Stressbelastung der Gerätebatterie.
Durch die Reduzierung der Belastung der Gerätebatterie durch Anpassen eines vorgegebenen Ladeprofils für eine individuelle Gerätebatterie ist es möglich, direkt Einfluss auf den weiteren Verlauf der Alterung der betreffenden Gerätebatterie zu nehmen. Eine Anpassung des Ladeprofils kann erreichen, dass die Stressbelastung reduziert wird, indem maximale Ladeströme weiter reduziert werden.
Gemäß dem obigen Verfahren werden dazu der Einfluss von verschiedenen Ladeprofilen auf das Alterungsverhalten ausgewählter Gerätebatterien bestimmt. Die Gerätebatterien werden dazu entsprechend einer oder mehreren Belastungsgrößen ausgewählt, insbesondere mithilfe eines Clustering-Verfahrens. Die Auswahl erfolgt so, dass sich für die Gerätebatterien der Auswahl eine ähnliche Belastung ergibt und dass diese einen ähnlichen Alterungszustand (d. h. einen Alterungszustand innerhalb von vorgegebenen Toleranzgrenzen) aufweisen.
Der Alterungszustand (SOH: State of Health) ist die Schlüsselgröße zur Angabe einer verbleibenden Batteriekapazität oder verbleibenden Batterieladung, d. h. für den verbleibenden maximalen Ladungshub einer vollständig entladenen und einer vollständig geladenen Batterie. Der Alterungszustand stellt ein Maß für die Alterung der Gerätebatterie oder eines Batterie-Moduls oder einer Batterie-Zelle dar und kann als Kapazitätserhaltungsrate (Capacity Retention Rate, SOH-C) angegeben werden. Die Kapazitätserhaltungsrate SOH-C kann als Verhältnis der gemessenen momentanen Kapazität zu einer Anfangskapazität der vollständig aufgeladenen Batterie angegeben sein. Alternativ kann der Alterungszustand als Anstieg des Innenwiderstands (SOH-R) definiert werden. Die relative Änderung des Innenwiderstands SOH-R steigt mit zunehmender Alterung der Gerätebatterie an.
Die ausgewählten Gerätebatterien werden in zwei, drei oder mehr als drei Gruppen unterteilt und den Gruppen unterschiedliche Ladeprofile für das Durchführen von Ladevorgängen zugeordnet. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer wird jeweils ein Alterungszustand ermittelt und daraus die Änderung des Alterungszustands während der vorbestimmten Zeitdauer bestimmt. Der Gruppe von Gerätebatterien, für die die größte Änderung des Alterungszustands vorliegt, wird das Ladeprofil entsprechend angepasst, um eine geringere Belastung während den Aufladevorgängen der betreffenden Gerätebatterien zu erreichen.
Insbesondere kann das Verfahren iterativ insbesondere solange für jeweils vorbestimmte Zeitdauern das Ladeprofil der mindestens einen Gruppe anpassen, bis alle Änderungen der mittleren Alterungszustände für jede Gruppe von Gerätebatterien geringer als ein vorgegebener Differenzenschwellenwert sind.
Somit wird das Verfahren zyklisch durchgeführt, so dass das Alterungsverhalten der Gerätebatterien der Gruppen, d. h. die Zunahme der Alterung als Differenz zwischen einem mittleren Alterungszustand der Gerätebatterien der betreffenden Gruppe zu Beginn der vorbestimmten Zeitdauer und dem mittleren Alterungszustand der Gerätebatterien der betreffenden Gruppe nach der vorbestimmten Zeitdauer konvergiert und zunehmend reduziert wird.
Ist eine Abbruchbedingung erfüllt, wie beispielsweise, dass die Zunahme der Alterung innerhalb der vorbestimmten Zeitdauer einen vorbestimmten Schwellenwert nicht übersteigt, so wird den ausgewählten Gerätebatterien das Ladeprofil zugeordnet, das während der letzten Iteration die geringste Änderung des Alterungszustands hervorgerufen hat.
Es kann vorgesehen sein, dass das Auswählen von Gerätebatterien mit gleicher nutzungsbedingter Belastung anhand von Betriebsgrößenverläufen ermittelt wird, aus denen ein oder mehrerer Betriebsmerkmale generiert werden, die insbesondere elektrochemische Zustandsmerkmale, akkumulierte Merkmale und/oder über die gesamte bisherige Lebensdauer ermittelte statistische Größen von Betriebsgrößen umfassen.
Das Auswählen kann basierend auf Histogrammdaten mithilfe eines Clustering-Verfahrens durchgeführt werden.
Durch das Auswählen gleichartig belasteter Gerätebatterien ist es möglich, die Einflüsse des Ladeprofils auf das Alterungsverhalten durch Vergleichen in den mehreren Gruppen der Gerätebatterien zu bestimmen. Die Aufteilung der gleichartig belasteten Gerätebatterien in Gruppen kann beispielsweise in eine konstante Anzahl von Gruppen oder abhängig von der Anzahl der ausgewählten gleichartig belasteten Gerätebatterien in Gruppen mit jeweils einer vorgegebenen Anzahl von Gerätebatterien erfolgen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Ladeprofil einen stufenförmigen Verlauf aufweist, der jeweils einen insbesondere konstanten maximal zulässigen Ladestrom einem Ladezustandsbereich zuordnet.
Weiterhin kann das Anpassen des Ladeprofils durchgeführt werden, indem der maximal zulässige Ladestrom innerhalb eines Ladezustandsbereichs reduziert oder erhöht wird und/oder indem die zeitliche Dauer des Ladezustandsbereichs zugunsten eines Ladezustandsbereichs mit geringerem oder höheren maximal zulässigen Ladestrom verlängert oder verkürzt wird.
Insbesondere kann das Anpassen des Ladeprofils in dem Ladezustandsbereich durchgeführt werden, der bei Ladevorgängen der ausgewählten Gerätebatterien am häufigsten durchlaufen wird.
Das Anpassen der Ladeprofile kann somit auf verschiedene Weisen erfolgen. Insbesondere kann das Ladeprofil einen treppenstufigen Verlauf aufweisen. Dabei werden Ladezustandsbereichen jeweils ein in der Regel konstanter maximal zulässiger Ladestrom zugeordnet. Mit zunehmenden Ladezuständen des Ladeprofils nimmt der maximal zulässige Ladestrom ab. Durch Reduzierung eines maximal zulässigen Ladestroms während eines bestimmten Ladezustandsbereichs oder durch Anpassen der Weite eines Ladezustandsbereichs mit einem vorgegebenen maximal zulässigen Ladestrom kann das Profil geändert werden. Die Anpassung erfolgt vorzugsweise so, dass die Ladedauer unverändert bleibt, was insbesondere dadurch erreicht wird, dass die Fläche unter der Ladeprofilkurve konstant bleibt, wenn das Ladeprofil angepasst wird. So kann bei einem treppenstufigen Verlauf des Ladeprofils die Zeitdauer eines Ladezustandsbereichs verkürzt werden und gleichzeitig die Höhe des maximal zulässigen Ladestroms desselben oder eines weiteren Ladezustandsbereichs so erhöht werden, dass die Ladedauer unverändert bleibt, und umgekehrt.
Weiterhin kann das Anpassen des Ladeprofils abhängig von einer Korrekturgröße erfolgen, die sich aus einer Look-up-Tabelle ergibt.
Weiterhin können Betriebsgrößenverläufe einer Vielzahl von Gerätebatterien an eine geräteexterne Zentraleinheit übermittelt werden, wobei das Verfahren in der Zentraleinheit für jede der Gerätebatterien ausgeführt wird und die angepassten Ladeprofile an die betreffenden Gerätebatterien übermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren in einer geräteexternen Zentraleinheit für jede der Gerätebatterien ausgeführt und die angepassten Ladeprofile an die betreffenden Gerätebatterien übermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens vorgesehen.
Figurenliste
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Systems zum Bereitstellen von fahrer- und fahrzeugindividuellen Betriebsgrößen zur fahrzeugexternen individuellen Bestimmung von Ladeprofilen für eine Fahrzeugbatterie in einer Zentraleinheit;
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bestimmen eines Ladeprofils für Fahrzeuge eines bestimmten Alterungszustands und Belastungszustands;
3 eine Darstellung eines beispielhaften Ladeprofils;
4a und 4b eine beispielhafte Darstellung einer Änderung des Ladeprofils durch Verringern des maximal zulässigen Ladestroms und Verkürzen der Größe des betreffenden Ladezustandsbereichs;
5 Darstellungen für Anpassungen von beispielhaften Ladeprofilen; und
6 ein Histogramm zur Veranschaulichung der Häufigkeiten eines Aufladens der Fahrzeugbatterien innerhalb eines bestimmten Ladezustandsbereichs.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Fahrzeugbatterien als Gerätebatterien in einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen als gleichartige Geräte beschrieben. Das Verfahren kann in einer Zentraleinheit betrieben und zur Ermittlung von individuellen Ladeprofilen für die Fahrzeugbatterien eingesetzt werden.
Das hierin beschriebene Beispiel steht stellvertretend für eine Vielzahl von stationären oder mobilen Geräten mit netzunabhängiger Energieversorgung, wie beispielsweise Fahrzeuge (Elektrofahrzeuge, Pedelecs usw.), Anlagen, Werkzeugmaschinen, Haushaltsgeräte, IOT-Geräte und dergleichen, die über eine entsprechende Kommunikationsverbindung (z. B. LAN, Internet) mit einer geräteexternen Zentraleinheit (Cloud) in Verbindung stehen.
1 zeigt ein System 1 zum Sammeln von Flottendaten in einer Zentraleinheit 2 zur Erstellung und zum Betrieb sowie zur Auswertung eines Ladeprofilermittlungsmodells und eines Alterungszustandsmodells. Das Alterungszustandsmodell dient zur Bestimmung eines Alterungszustands eines elektrischen Energiespeichers, wie z. B. einer Fahrzeugbatterie in einem Kraftfahrzeug und zur Prädiktion des Alterungszustands bzw. eines Alterungszustandsverlaufs. 1 zeigt eine Fahrzeugflotte 3 mit mehreren Kraftfahrzeugen 4. Das Ladeprofilermittlungsmodells umfasst einen Algorithmus entsprechend dem nachfolgend beschriebenen Verfahren.
Eines der Kraftfahrzeuge 4 ist in 1 detaillierter dargestellt. Die Kraftfahrzeuge 4 weisen jeweils eine Fahrzeugbatterie 41 als wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher, einen elektrischen Antriebsmotor 42 und eine Steuereinheit 43 auf. Die Steuereinheit 43 ist mit einem Kommunikationsmodul 44 verbunden, das geeignet ist, Daten zwischen dem jeweiligen Kraftfahrzeug 4 und einer Zentraleinheit 2 (einer sogenannten Cloud) zu übertragen.
Die Kraftfahrzeuge 4 senden an die Zentraleinheit 2 die Betriebsgrößen F, die zumindest Größen angeben, welche den Alterungszustand der Fahrzeugbatterie 41 beeinflussen. Die Betriebsgrößen F können im Falle einer Fahrzeugbatterie Zeitreihen eines Batteriestroms, einer Batteriespannung, einer Batterietemperatur und eines Ladezustands (SOC: State of Charge), sowohl auf Pack-, Modul- und / oder Zellebene sein. Die Betriebsgrößen F werden in einem schnellen Zeitraster von 1 Hz bis 100 Hz erfasst und können in unkomprimierter und / oder komprimierter Form regelmäßig an die Zentraleinheit 2 übertragen werden.
Weiterhin können die Zeitreihen unter Ausnutzung von Kompressions-Algorithmen zwecks Minimierung des Datenverkehrs zur Zentraleinheit 2 im Abstand von mehreren Stunden bis zu mehreren Tagen blockweise an die Zentraleinheit 2 übertragen werden.
Die Zentraleinheit 2 weist eine Datenverarbeitungseinheit 21, in der das nachfolgend beschriebene Verfahren ausgeführt werden kann, und eine Datenbank 22 zum Speichern von Datenpunkten, Modellparametern, Zuständen und dergleichen auf.
In der Zentraleinheit 2 kann ein Alterungszustandsmodell implementiert sein, das datenbasiert sein kann. Das Alterungszustandsmodell kann regelmäßig, d. h. z. B. nach Ablauf der jeweiligen Auswertungszeitdauer, verwendet werden, um basierend auf den zeitlichen Verläufen der Betriebsgrößen (jeweils seit Inbetriebnahme der jeweiligen Fahrzeugbatterie) eine Ermittlung des momentanen Alterungszustands der betreffenden Fahrzeugbatterie 41 vorzunehmen.
Für die Zeitreihen können zur Übertragung Kompressions-Algorithmen zwecks Minimierung des Datenverkehrs zur Zentraleinheit 2 genutzt werden. Weiterhin kann ein eventgestütztes Übertragen stattfinden, sodass der Datentransfer ausgelöst wird und erfolgt, wenn z. B. eine stabile oder bekannte WLAN-Netzwerk-Verbindung identifiziert wurde.
2 veranschaulicht anhand eines Flussdiagramms das Verfahren zum Bestimmen eines einer Fahrzeugbatterie 41 zuzuordnenden Ladeprofils und zum Durchführen eines Ladevorgangs basierend auf dem zugeordneten Ladeprofil. Das Verfahren kann in Verbindung mit der Zentraleinheit 2 ausgeführt werden.
Das Verfahren zum Anpassen eines Ladeprofils für eine Fahrzeugbatterie 41 sieht zunächst in Schritt S1 vor, die Betriebsgrößenverläufe der Vielzahl von Fahrzeugbatterien 41 in der Zentraleinheit 2 zu empfangen. Die Betriebsgrößen können beispielsweise ein Batteriestrom, eine Batteriespannung (Klemmenspannung), einen Ladezustand und/oder eine Batterietemperatur umfassen, die als Zeitreihendaten bereitgestellt werden können.
In Schritt S2 werden die Betriebsgrößenverläufe mithilfe eines Alterungszustandsmodells ausgewertet, um für jede Fahrzeugbatterie 41 einen aktuellen Alterungszustand bereitzustellen. Die Bestimmung kann in der Zentraleinheit 2 oder alternativ in jedem Fahrzeug 4 basierend auf einem dort implementierten Alterungszustandsmodell ausgeführt werden.
Das Alterungszustandsmodell kann z. B. in der Zentraleinheit 2 implementiert sein und regelmäßig, d. h. z. B. nach Ablauf einer Auswertungszeitdauer von z. B. einer Woche, verwendet werden, um basierend auf den zeitlichen Verläufen der Betriebsgrößen (jeweils seit Inbetriebnahme der jeweiligen Fahrzeugbatterie) und daraus ermittelten Betriebsmerkmalen eine Ermittlung des momentanen Alterungszustands der betreffenden Fahrzeugbatterie 41 der zugeordneten Fahrzeugflotte 3 vorzunehmen.
Zur Modellierung eines Alterungszustands für eine Gerätebatterie kann allgemein ein physikalisches Alterungsmodell verwendet werden. Der Alterungszustand einer Batterie kann allgemein beispielsweise basierend auf einem physikalischen Alterungsmodell abhängig von elektrochemischen Modellgleichungen ermittelt werden. Die Berechnung des physikalischen Alterungsmodells basiert auf einem Zeitintegrations-Verfahren zur Lösung eines Differentialgleichungs-Systems per numerischem Zeitintegrationsverfahren. Die elektrochemischen Modellgleichungen charakterisieren elektrochemische Zustände eines nichtlinearen Differentialgleichungs-Systems. Die elektrochemischen Zustände werden fortlaufend basierend auf zeitlichen Verläufen der Betriebsgrößen berechnet und können auf den physikalischen Alterungszustand abgebildet werden, als SOH-C und/oder als SOH-R. Hierzu müssen die Betriebsgrößen, wie beispielsweise der Batteriestrom, die Batterietemperatur, die Batteriespannung und dergleichen, als hochaufgelöste Zeitreihen vorliegen.
Die Ermittlung des Alterungszustands kann alternativ mit einem empirischen Basismodell in der Zentraleinheit 2 erfolgen, z. B. basierend auf der Analyse der Lade- und / oder Entladephasen der Batterienutzung. Vorzugweise wird eine SOH-C-Schätzung durch Coulomb-Counting bzw. durch Bildung eines Stromintegrals vorgenommen, welches durch den Hub des Ladezustands zwischen Beginn und Ende der betreffenden Lade- und / oder Entladephase dividiert wird. Vorteilhafterweise erfolgt hierbei die Kalibrierung an der Leerlaufspannungskennlinie in Ruhephasen, um den Ladezustandsverlauf in der Zentraleinheit 2 mitzuberechnen. Eine aussagekräftige Angabe über den Alterungszustand kann man beispielsweise erhalten, wenn die Gerätebatterie während eines Ladevorgangs von einem vollständig entladenen Zustand in einen vollständig geladenen Zustand gebracht wird. Widerstandsbezogene Alterungszustände (SOH-R-Werte) können auch durch Spannungsänderungen bezogen auf eine Stromänderung errechnet werden. Üblicherweise sind diese auf ein definiertes Zeitintervall bezogen.
In Schritt S3 werden aus den Betriebsgrößenverläufen die Fahrzeugbatterien 41 mit gleichem Benutzungsverhalten ausgewählt. Die Auswahl kann basierend auf Histogrammdaten erfolgen. Beispielsweise können durch ein Clustering-Verfahren Fahrzeuge bzw. Fahrzeugbatterien identifiziert werden, die täglich nahezu gleiche Strecken zurücklegen und bei nahezu gleichen Ladezuständen die Batterie erneut aufladen. Alternativ können dadurch auch Fahrzeuge identifiziert werden, die nach Abschluss des Ladevorgangs die nahezu gleiche Strecke zurücklegen und anschließend wieder aufgeladen werden und somit ein sogenanntes Charge-to-Charge-Verhalten aufweisen. Allgemein können so Fahrzeuge gleichen Nutzungsverhaltens ausgewählt werden, deren Fahrzeugbatterien bedarfsgerecht geladen werden, jeweils nur für die jeweils erforderliche Strecke und nach der Fahrt der betreffenden Strecke auf das gleiche Ladezustandsniveau aufgeladen werden. Die Auswahl der betrachteten Fahrzeugbatterien erfolgt mithilfe von herkömmlichen Clustering-Verfahren basierend auf Betriebsmerkmalen.
Beispielsweise können die Fahrzeuge nach zurückgelegten Fahrstrecken pro Zeiteinheit, wie z.B. pro Tag, klassifiziert werden, wie z.B. Fahrzeuge mit Fahrstrecken bis zu 10km/Tag, weitere Fahrzeuge mit Fahrstrecken von 10-20km/Tag, weitere Fahrzeuge mit Fahrstrecken von 20-30km/Tag, usw. Aus diesen Histogrammdaten (einzelne Balken) können die Cluster für die Auswahl gebildet werden.
Die Betriebsmerkmale können beispielsweise elektrochemische Zustandsmerkmale, akkumulierte Merkmale und/oder über die gesamte bisherige Lebensdauer ermittelte statistische Größen umfassen. Insbesondere können die Betriebsmerkmale beispielsweise umfassen: Elektrochemische Zustände, wie z. B. SEI-Schichtdicke, Änderung von zyklisierbarem Lithium aufgrund von Anoden/Kathoden-Nebenreaktionen, schnelle Aufnahme von Elektrolytlösungsmittel, langsame Aufnahme von Elektrolytlösungsmitteln, Lithiumabscheidung, Verlust von aktivem Anodenmaterial und Verlust von aktivem Kathodenmaterial, den Innenwiderständen, Histogrammmerkmale, wie Temperatur über Ladezustand, Ladestrom über Temperatur und Entladestrom über Temperatur, insbesondere mehrdimensionale Histogrammdaten bezüglich der Batterietemperaturverteilung über dem Ladezustand, der Ladestromverteilung über der Temperatur und/oder der Entladestromverteilung über der Temperatur, den Stromdurchsatz in Amperestunden, die akkumulierte Gesamtladung (Ah), eine durchschnittliche Kapazitätszunahme bei einem Ladevorgang (insbesondere für Ladevorgänge, bei denen die Ladungszunahme über einem Schwellenanteil (z. B. 20 %) der gesamten Batteriekapazität liegt), die Ladekapazität sowie ein Extremwert (Maximum) der differentiellen Kapazität dQ/dU oder die akkumulierte Fahrleistung. Diese Größen werden vorzugsweise so umgerechnet, dass sie das reale Nutzungsverhalten bestmöglich charakterisieren. Z. B. beim akkumulierten Ladungsdurchsatz (Ah) findet eine Normierung mit dem SOH-R statt, sodass der schlechtere Batterie-Wirkungsgrad zur Bewältigung der gleichen Fahrtstecke (in km) korrekt abgebildet wird. Die Betriebsmerkmale M können insgesamt oder nur teilweise für das hier beschriebene Verfahren verwendet werden.
Aus den Betriebsmerkmalen und aus den Betriebsgrößen lassen sich weitere Angaben entnehmen: ein zeitliches Belastungsmuster wie Lade- und Fahrzyklen, bestimmt durch Nutzungsmuster (wie bspw. Schnellladen bei hohen Stromstärken oder starke Beschleunigung bzw. Bremsvorgänge mit Rekuperation), eine Nutzungszeit der Fahrzeugbatterie 41, eine über die Laufzeit kumulierte Ladung und eine über die Laufzeit kumulierte Entladung, einen maximalen Ladestrom, einen maximalen Entladestrom, eine Ladehäufigkeit, einen durchschnittlichen Ladestrom, einen durchschnittlichen Entladestrom, einen Leistungsdurchsatz beim Laden und Entladen, eine (insbesondere durchschnittliche) Ladetemperatur, eine (insbesondere durchschnittliche) Spreizung des Ladezustands und dergleichen. Dieses zeitliche Belastungsmuster charakterisiert das typische zeitliche Nutzungsverhalten.
Sind durch das Clustering-Verfahren Fahrzeugbatterien 41 vergleichbaren Nutzungsverhaltens ausgewählt, so werden diese in Schritt S4 z.B. mit einer Zufallsauswahl in mindestens zwei Gruppen, vorzugsweise mehr als zwei Gruppen bzw. drei Gruppen unterteilt und den entsprechenden Fahrzeugbatterien 41 der Gruppen gruppenweise unterschiedliche Ladeprofile zugewiesen. Beispielsweise kann einer der Gruppen das herstellerseitig vorgegebene Ladeprofil zugeordnet werden, und der einen oder den mehreren weiteren Gruppen kann jeweils ein modifiziertes Ladeprofil zugeordnet werden. Die unterschiedlichen Ladeprofile können sich initial aus dem herstellerseitig vorgegebenen Ladeprofil durch einfache Anpassung, wie nachfolgend beschrieben, ergeben.
Die Anpassung eines Ladeprofils sieht eine Reduzierung der Belastung während eines Ladevorgangs vor. Die Anpassung erfolgt so, dass die Ladezeitdauer für ein vorgegebenes stufenförmiges Ladeprofil, wie es beispielsweise in 3 dargestellt ist, nicht verlängert wird. Das stufenförmige Ladeprofil definiert einen treppenstufigen Verlauf eines maximal zulässigen Ladestroms I_charg über dem Ladezustand SOC, wobei Ladezustandsbereichen jeweils ein in der Regel konstanter maximal zulässiger Ladestrom I_charg zugeordnet wird.
So kann sich durch eine Reduzierung des Ladestromniveaus des maximal zulässigen Ladestroms innerhalb eines Ladezustandsbereichs und/oder einer zeitlichen Verkürzung des Ladezustandsbereichs zugunsten eines Ladezustandsbereichs mit geringerem maximal zulässigen Ladestrom I_charg eine entsprechende Anpassung mit einer Verlängerung der Ladedauer bei vollständiger Aufladung ergeben. Weiterhin kann sich eine Erhöhung des Ladestromniveaus des maximal zulässigen Ladestroms innerhalb eines Ladezustandsbereichs und/oder einer zeitlichen Verlängerung des Ladezustandsbereichs zulasten eines Ladezustandsbereichs mit geringerem maximal zulässigen Ladestrom I_charg eine entsprechende Anpassung mit einer Verkürzung der Ladedauer bei vollständiger Aufladung ergeben.
Insbesondere sollte die Fläche unter der Ladeprofilkurve möglichst unverändert bleiben, um gleiche Ladezeitdauern bei vollständiger Aufladung zu erreichen. Dies wird beispielsweise durch eine Reduzierung des Ladestromniveaus des maximal zulässigen Ladestroms innerhalb eines Ladezustandsbereichs und einer zeitlichen Verlängerung des Ladezustandsbereichs zulasten eines Ladezustandsbereichs mit geringerem maximal zulässigen Ladestrom erreicht und umgekehrt.
Beispielsweise sind in den 4a und 4b beispielhaft ein herstellerseitig vorgegebenes Ladeprofil und ein daraus ermitteltes angepasstes Ladeprofil dargestellt, das zu einer wesentlichen gleichen Ladezeitdauer während eines Ladevorgangs führt. Gestrichelt ist in 4b der ursprüngliche Verlauf des maximal zulässigen Ladestroms dargestellt.
In Schritt S5 wird den Fahrzeugen 4 jeder Gruppe das entsprechende Ladeprofil zugewiesen und Ladevorgänge entsprechend der Nutzung im täglichen Betrieb durchgeführt.
In einem nächsten Schritt S6 wird überprüft, ob eine vorgegebene Zeitdauer verstrichen ist, in der eine Vielzahl von Ladevorgängen stattgefunden hat. Die vorbestimmte Zeitdauer kann beispielsweise zwischen einem Monat und sechs Monaten, wie z.B. ein Monat, drei Monate oder sechs Monate betragen. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird das Verfahren mit Schritt S7 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
Nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer wird in Schritt S7 für jedes der Fahrzeuge mithilfe eines geeigneten Alterungszustandsmodells z. B. basierend auf den empfangenen Betriebsgrößenverläufen der jeweilige Alterungszustand jeder der Fahrzeugbatterien 41 der ausgewählten Fahrzeugbatterien ermittelt.
In Schritt S8 werden die Alterungszustände zu Beginn der vorbestimmten Zeitdauer und die Alterungszustände am Ende der vorbestimmten Zeitdauer gruppenweise gemittelt oder der Median bestimmt, d. h. die Alterungszustände aller Fahrzeugbatterien 41 einer Gruppe werden zu einem mittleren bzw. medianisierten Alterungszustandswert zusammengefasst. Weiterhin wird jeder der Gruppen eine Änderung des gemittelten Alterungszustands zwischen Beginn und Ende der vorbestimmten Zeitdauer als Alterungszustandsdifferenz zugeordnet.
Anschließend wird in Schritt S9 überprüft, ob die Alterungszustandsdifferenzen alle einen vorgegebenen Differenzenschwellenwert unterschreiten. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird in Schritt S10 das Ladeprofil derjenigen Gruppe von Fahrzeugbatterien 41 für alle ausgewählten Fahrzeugbatterien 41 verwendet, das zu der niedrigsten Alterungszustandsdifferenz geführt hat. Anderenfalls (Alternative: Nein) wird in Schritt S11 derjenigen Gruppe von Fahrzeugbatterien 41, denen die höchste Alterungszustandsdifferenz zugeordnet ist, ein angepasstes Ladeprofil zugewiesen.
Die Anpassung des Ladeprofils in Schritt S11 erfolgt wie oben beschrieben. Beispielhaft sind in 5 Ladeprofile dargestellt mit durch Pfeile angegebene Möglichkeiten das Ladeprofil anzupassen, wobei ineinander veränderliche Ladeprofile durch die durchgezogene Kurve und die gestrichelt dargestellte Kurve gezeigt sind.
Das angepasste Ladeprofil kann basierend auf demjenigen Ladeprofil der Gruppen von Fahrzeugbatterien 41 erstellt werden, denen die geringste Alterungszustandsdifferenz zugeordnet ist, und dieses ausgewählte Ladeprofil kann entsprechend durch Verkürzung des Ladezustandsbereichs für hohe maximal zulässige Ladeströme oder durch Reduzierung des maximal zulässigen Ladestroms in dem Ladezustandsbereich gemäß einem vorgegebenen Änderungsfaktor, z. B. zwischen 0,9 und 0,99, vorgenommen werden.
Die Änderung im Zuge der Anpassung des Ladeprofils erfolgt vorzugsweise in einem Bereich des Ladeprofils, der im Zuge der Ladevorgänge der ausgewählten Fahrzeugbatterie 41 vorzugsweise durchlaufen ist. Dies kann beispielsweise anhand eines Histogramms ermittelt werden, das die Häufigkeiten der Ladezustandsbereiche angibt, die während der Ladevorgänge durchlaufen werden, wie beispielsweise in 6 dargestellt ist.
Das obige Verfahren ist für jedes Cluster ausgewählter Fahrzeugbatterien 41 durchführbar und stellt somit für unterschiedliche Fahrzeugnutzungen das jeweils bestmögliche Ladeprofil zur Verfügung. Durch regelmäßiges Durchführen des Verfahrens kann sich die Zuordnung der Fahrzeugbatterien 41 zu den Clustern auch ändern, so dass eine Fahrzeugbatterie 41 aus einem Cluster entfernt wird und einem neuen Cluster mit einem entsprechend geänderten Nutzungsverhalten aufgenommen wird und von den bereits gelernten und angepassten Ladeprofilen des betreffenden Clusters profitiert.
Das obige Verfahren wird vorzugsweise in der Zentraleinheit 2 ausgeführt und das jeweils ermittelte Ladeprofil kann nach jeder Anpassung vorzugsweise in parametrisierter Form an die jeweiligen ausgewählten Kraftfahrzeuge 4 der Fahrzeugflotte 3 übertragen werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen von Ladeprofilen für Gerätebatterien (41) von batteriebetriebenen Geräten (4), wobei die Ladeprofile die Durchführungen von jeweiligen Ladevorgängen der Gerätebatterien bestimmen, mit folgenden Schritten: - Auswählen (S3) von Gerätebatterien (41) mit gleicher nutzungsbedingter Belastung und gleichem Alterungszustand; - Unterteilen (S4) der ausgewählten Gerätebatterien (41) in Gruppen; - Zuordnen (S5) von verschiedenen Ladeprofilen zu den Gruppen von Gerätebatterien, wobei die Ladeprofile für einen Ladevorgang einen maximal zulässigen Ladestrom abhängig von einem Ladezustandsbereich angeben; - Betreiben (S5) der Gerätebatterien (41) aller Gruppen mit den jeweils zugeordneten Ladeprofilen für eine vorbestimmte Zeitdauer, so dass Ladevorgänge abhängig von dem jeweils zugeordneten Ladeprofil durchgeführt werden; - Ermitteln (S8) einer Änderung des mittleren Alterungszustands für jede Gruppe von Gerätebatterien (41) zwischen dem Beginn der vorbestimmten Zeitdauer und dem Ende der vorbestimmten Zeitdauer; - Anpassen (S10, S11) des Ladeprofils mindestens einer der Gruppen der Gerätebatterien (41) abhängig von der Änderung des mittleren Alterungszustands, um die Belastung der Gerätebatterien (41) der mindestens einen Gruppe zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren iterativ insbesondere solange für jeweils vorbestimmte Zeitdauern das Ladeprofil der mindestens einen Gruppe anpasst, bis alle Änderungen der mittleren Alterungszustände für jede Gruppe von Gerätebatterien (41) geringer als ein vorgegebener Differenzenschwellenwert sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Auswählen von Gerätebatterien (41) mit gleicher nutzungsbedingter Belastung anhand von Betriebsgrößenverläufen (F) ermittelt wird, aus denen ein oder mehrerer Betriebsmerkmale generiert werden, die insbesondere elektrochemische Zustandsmerkmale, akkumulierte Merkmale und/oder über die gesamte bisherige Lebensdauer ermittelte statistische Größen von Betriebsgrößen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Auswählen basierend auf Histogrammdaten mithilfe eines Clustering-Verfahrens durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Ladeprofil einen stufenförmigen Verlauf aufweist, der jeweils einen insbesondere konstanten maximal zulässigen Ladestrom (I_charg) einem Ladezustandsbereich zuordnet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Anpassen des Ladeprofils durchgeführt wird, indem der maximal zulässige Ladestrom (I_charg) innerhalb eines Ladezustandsbereichs reduziert oder erhöht wird und/oder indem die zeitliche Dauer des Ladezustandsbereichs zugunsten eines Ladezustandsbereichs mit geringerem oder höheren maximal zulässigen Ladestrom (I_charg) verlängert oder verkürzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Anpassen des Ladeprofils in dem Ladezustandsbereich durchgeführt wird, der bei Ladevorgängen der ausgewählten Gerätebatterien am häufigsten durchlaufen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei diejenige mindestens eine Gruppe der Gerätebatterien (41) angepasst wird, die die größte Änderung des mittleren Alterungszustands aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren in einer geräteexternen Zentraleinheit (2) für jede der Gerätebatterien (41) ausgeführt wird und die angepassten Ladeprofile an die betreffenden Gerätebatterien (41) übermittelt werden.
Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung diese veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung diese veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.