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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln mindestens eines Zustandsparameters eines Fahrzeugs und ein System zum Ermitteln mindestens eines Zustandsparameters eines Fahrzeugs.
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Die Masterarbeit „Einfluss von vehicle-to-grid Applikationen auf die Alterung von Lithium-Ionen Batterien“ von Hartmut Popp an der Universität für Bodenkultur Wien beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen einer Batteriealterung.
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Ein System zum Prüfen eines Zustands einer Fahrzeugbatterie ist aus der Druckschrift
EP 3 912 852 A1 bekannt.
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Weiterhin ist der Artikel „Lithium-ion battery cell degradation resulting from realistic vehicle and vehicle-to-grid utilization“ von Scott B. Peterson, Jay Apt und J.F. Whitacre aus dem Journal of Power Sources bekannt.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, einen Zustand eines Fahrzeugs zu ermitteln.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen des Verfahrens und des Systems gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Bestimmen und/oder Ermitteln mindestens eines Zustandsparameters eines Fahrzeugs, bspw. eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet, das als mindestens eine Komponente einen elektrischen Energiespeicher aufweist, der für ein bidirektionales bzw. in zwei entgegensetzten Richtungen vorgesehenes elektrisches Laden ausgebildet ist. Bei dem Verfahren wird ein von einer jeweiligen Richtung abhängiger, elektrischer Ladevorgang und/oder Ladezyklus durchgeführt. Dabei wird der Energiespeicher bei dem Ladevorgang entweder mit elektrischer Energie aus einer elektrischen Energieeinheit geladen, wobei die elektrische Energie von der Energieeinheit als Energiequelle in Richtung des Energiespeichers fließt. Alternativ wird bei dem Ladevorgang aus dem Energiespeicher elektrische Energie in die elektrische Energieeinheit geladen, wobei die elektrische Energie von dem Energiespeicher in Richtung der Energieeinheit als Energiesenke fließt. Dabei wird bei dem Ladevorgang zwischen dem Energiespeicher des Fahrzeugs und der Energieeinheit elektrische Energie ausgetauscht, also entweder von der Energieeinheit zu dem Energiespeicher übertragen oder umgekehrt. Dabei wird bzw. ist die mindestens eine Komponente, insbesondere der elektrische Energiespeicher, bei dem Ladevorgang einem dabei und/oder währenddessen verursachten Verschleiß bzw. einer dabei verursachten Abnutzung unterworfen, wobei diese durch den jeweiligen Ladevorgang verursachte bzw. bedingte Abnutzung zum Bestimmen und/oder Ermitteln des mindestens einen Zustandsparameters des gesamten Fahrzeugs berücksichtigt wird, wobei der bestimmte und/oder ermittelte Zustandsparameter mit, auf und/oder von mindestens einem Anzeigemodul des Fahrzeugs angezeigt bzw. dargestellt wird.
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Als der mindestens eine Zustandsparameter wird eine Lebensdauer und/oder Laufleistung des gesamten Fahrzeugs bestimmt und/oder ermittelt, wobei die Abnutzung zum Ermitteln der Lebensdauer bzw. Lebenserwartung und/oder die Laufleistung als möglicher Zustandsparameter des Fahrzeugs berücksichtigt wird bzw. werden. Dabei kann die Laufleistung und/oder eine bspw. bereits verstrichene Lebensdauer unter Berücksichtigung der bei dem Ladevorgang bspw. gemessenen Abnutzung ermittelt werden. Eine bspw. noch verbleibende bzw. restliche und/oder zu erwartende Lebensdauer bzw. Lebenserwartung der mindestens einen Komponente kann bei dem Verfahren prognostiziert und entsprechend ermittelt werden.
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Dabei ist es möglich, dass die bereits erfolgte Laufleistung des Fahrzeugs und die noch zu erwartende, ggf. zu prognostizierende, und/oder verbliebene Lebensdauer zusammenhängen und sich, in Ausgestaltung als zueinander komplementäre Zustandsparameter, wechsel- und/oder gegenseitig ergeben. Dabei ist es möglich, dass die Lebensdauer mit zunehmender Laufleistung abnimmt, wobei die Lebensdauer umso geringer ist bzw. wird, je höher bzw. größer die Laufleistung ist bzw. wird. In Ausgestaltung ist bzw. wird eine maximale, bspw. maximal vorgesehene und/oder mögliche, Lebensdauer, üblicherweise eine gesamte Lebensdauer, definiert, bestimmt und/oder vorgegeben, wobei eine resultierende und/oder verbleibende bzw. noch zu erwartende Lebensdauer aus der sich bisherigen Abnutzung und/oder Laufleistung resultiert.
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Mit dem Fahrzeug bzw. seinen Komponenten können unterschiedliche Funktionen durchgeführt werden. Eine Funktion besteht darin, das es fährt, wobei mindestens ein Antriebsaggregat, also ein Verbrennungsmotor und/oder eine Elektromaschine zum Antreiben des Fahrzeugs, und mechanische Komponenten, wie bspw. ein Getriebe, zum Übertragen mechanischer Energie des mindestens einen Antriebsaggregats auf Räder des Fahrzeugs, während einer Fahrt abgenutzt werden. In diesem Fall ergibt sich ein jeweiliger Zustandsparameter anhand der vom Fahrzeug messbaren konkret zurückgelegten Strecke, die bspw. durch einen Kilometerzähler angezeigt werden kann.
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Eine Abnutzung der mindestens einen Komponente, u. a. des Energiespeichers, aufgrund eines Ladevorgangs kann sich sowohl während der Fahrt als auch bei einem Stillstand des Fahrzeugs ergeben, wobei jeweils bidirektionale Ladevorgänge durchgeführt werden können, wobei der Energiespeicher entweder mit elektrischer Energie geladen wird, oder wobei aus ihm die elektrische Energie entladen wird. Bei einem Ladevorgang beim bzw. im Stillstand ist der Energiespeicher des Fahrzeugs mit einer Ladestation als externe Energieeinheit, also entweder als externe Energiequelle oder als externe Energiesenke, außerhalb des Fahrzeugs verbunden, wobei elektrische Energie bidirektional ausgetauscht und dadurch die mindestens eine Komponente im Stillstand abgenutzt wird, woraus sich der mindestens eine Zustandsparameter durch einen Ladevorgang im Stillstand ergibt. Bei einem Ladevorgang während der Fahrt tauscht der Energiespeicher des Fahrzeugs mit der Elektromaschine als interne elektrische Energieeinheit, also entweder als interne Energiequelle oder interne Energiesenke innerhalb des Fahrzeugs elektrische Energie bidirektional aus, wobei es entweder elektrisch angetrieben, wenn die Elektromaschine als Motor und somit als interne Energiesenke betrieben wird, oder, üblicherweise durch Rekuperation, elektrisch gebremst wird, wenn die Elektromaschine als Generator und somit als interne Energiequelle betrieben wird. Dabei resultiert eine jeweilige Abnutzung für die mindestens eine Komponente unabhängig davon, ob das Fahrzeug fährt oder stillsteht, da der Energiespeicher in beiden Fällen elektrische Energie mit der anderen Energieeinheit, also der externen, ortsfesten Ladestation bzw. Ladesäule oder der Elektromaschine als interne Energieeinheit austauscht, wobei die jeweilige Abnutzung bei dem jeweiligen Ladevorgang durch mindestens einen Eingangsparameter, der sich währenddessen ergibt und/oder der hierfür eingestellt wird, ergibt und daraus entsprechend resultiert. In Ausgestaltung des Verfahrens ist der mindestens eine Zustandsparameter von der Abnutzung abhängig, die entsprechend berücksichtigt wird. Es ist ebenfalls möglich, dass die jeweilige Abnutzung bei einem Ladevorgang und der mindestens eine Zustandsparameter dynamisch berücksichtigt und/oder ermittelt werden.
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In Ausgestaltung wird ein virtueller Zustandsparameter, also eine virtuelle Lebensdauer und/oder Laufleistung, ermittelt und/oder bestimmt sowie angezeigt. Dabei ist es in Ausgestaltung möglich, dass ein sog. realer Zustandsparameter aus einer direkt messbaren Abnutzung, bspw. aufgrund der bislang zurückgelegten Strecke des Fahrzeugs, und/oder aus der bislang bei Ladevorgängen bidirektional ausgetauschten Menge an elektrischer Energie resultiert. Dagegen resultiert der sog. virtuelle Zustandsparameter in Ausgestaltung aus einer Schätzung und/oder Berechnung einer Abnutzung, die üblicherweise nur indirekt ermittelt, bspw. ebenfalls geschätzt und/oder berechnet, wird.
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Außerdem ist die Abnutzung von dem mindestens einen messbaren Eingangsparameter bzw. von mindestens einer Eingangsgröße des jeweiligen Ladevorgangs abhängig, wobei als der mindestens eine Eingangsparameter eine Ladedauer bzw. Ladezeit des jeweiligen Ladevorgangs, eine bei bzw. während dem Ladevorgang herrschende Temperatur, üblicherweise eine Temperatur der mindestens einen Komponente, mindestens einen elektrischen Eingangsparameter, bspw. eine elektrische Spannung, die während des jeweiligen Ladevorgangs an dem elektrischen Energiespeicher anliegt, und/oder ein elektrischer Strom, der während des jeweiligen Ladevorgangs zwischen dem elektrischen Energiespeicher und der externen oder internen Energieeinheit, also Energiequelle und/oder Energiesenke, ausgetauscht wird, als Abnutzung berücksichtigt wird bzw. werden. Es ist auch möglich, als mindestens einen Eingangsparameter eine Umweltbedingung, bspw. eine Außentemperatur und/oder Luftfeuchtigkeit, während des jeweiligen Ladevorgangs als Abnutzung zu berücksichtigen. Dabei fließt der Strom, je nach Richtung des Ladevorgangs von dem Energiespeicher zu der Energieeinheit oder umgekehrt. Es ist auch möglich, dass als der mindestens eine Eingangsparameter eine bei dem jeweiligen Ladevorgang zwischen dem elektrischen Energiespeicher und der externen oder internen Energiequelle und/oder Energiesenke ausgetauschte Menge an elektrischer Energie und/oder eine Leistung, bspw. Ladeleistung, als Abnutzung berücksichtigt wird. Bei dem jeweiligen Ladevorgang wird der mindestens eine Eingangsparameter, bspw. dessen zeitlicher Verlauf, üblicherweise von mindestens einem Sensor und/oder einem Kontrollgerät zum Überwachen des Ladevorgangs augenblicklich und/oder zeitabhängig erfasst sowie für den jeweiligen Ladevorgang ggf. summiert und/oder integriert.
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Es ist möglich, dass die elektrische Energieeinheit, mit der der Elektrospeicher bidirektional elektrische Energie austauscht, als elektrische Energiequelle verwendet bzw. benutzt wird, wenn aus der elektrischen Energiequelle als elektrischer Energieeinheit elektrische Energie in den elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs geladen wird. Alternativ oder ergänzend wird die elektrische Energieeinheit als elektrische Energiesenke verwendet bzw. benutzt, wenn aus dem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs in die elektrische Energiesenke als elektrischer Energieeinheit elektrische Energie geladen wird. Weiterhin wird eine üblicherweise ortsfeste Ladestation als externe elektrische Energieeinheit außerhalb des Fahrzeugs und eine Elektromaschine des Fahrzeugs als interne Energieeinheit innerhalb des Fahrzeugs verwendet.
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In der Regel wird die Abnutzung bzw. ein Lastkollektiv in den mindestens einen Zustandsparameter, also in die virtuelle Lebensdauer und/oder Laufleistung umgerechnet, wobei eine üblicherweise mathematische und/oder funktionelle Abhängigkeit des mindestens einen Zustandsparameters von der Abnutzung bei dem jeweiligen Ladevorgang bzw. während des jeweiligen Ladevorgangs berücksichtigt wird. Eine Umrechnung der Abnutzung aufgrund der elektrischen Ladevorgänge in den mindestens einen Zustandsparameter kann bei bzw. während jedem Ladevorgang oder direkt nach Abschluss desselben durchgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Umrechnung in regelmäßigen Abständen, etwa bei einem standardisierten Zyklus, z. B. WLTP (World Light-Duty Test Procedure, WLTP) durchgeführt werden, bei dem sämtliche bislang durchgeführten Ladevorgänge bzw. Ladezyklen, beim entweder fahrenden oder stillstehenden Fahrzeug, berücksichtigt werden, wobei der mindestens eine sich jeweils ergebende Zustandsparameter und/oder Eingangsparameter bis zur Umrechnung gespeichert werden kann.
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Hierbei ist es möglich, dass die Abnutzung von dem Zustandsparameter, üblicherweise von der noch zu erwartenden virtuellen und/oder bereits verstrichenen, ggf. konkret messbaren, Lebensdauer, abgezogen und/oder zu dem Zustandsparameter, üblicherweise zu der virtuellen Laufleistung, addiert wird. Es ist auch möglich, die gemessene Laufleistung in Relation zu der üblicherweise berechneten und/oder prognostizierten virtuellen Laufleistung zu setzen. In der Regel besteht zwischen dem mindestens einen konkret messbaren Zustandsparameter und dem mindestens einen virtuellen Zustandsparameter eine wechselseitige Abhängigkeit bzw. Relation, die berechnet und/oder abgeschätzt werden kann. Es ist weiterhin möglich, dass sich mindestens ein gesamter von der Abnutzung abhängiger Zustandsparameter des Fahrzeugs aus einer Summe des mindestens einen realen bzw. konkreten Zustandsparameters und dem mindestens einen virtuellen Zustandsparameter ergibt.
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Die mindestens eine Komponente des Fahrzeugs, deren Abnutzung üblicherweise eingangsparameterabhängig erfasst und/oder ermittelt wird, ist wenigstens der mindestens eine elektrische Energiespeicher, bspw. eine Batterie, etwa eine Hochvolt(HV)- bzw. Hochspannungsbatterie bzw. ein Akku, der u. a. zum Speichern elektrischer Energie zum Fortbewegen des Fahrzeugs für eine Fahrt ausgebildet ist und als sog. Traktionsbatterie bezeichnet wird, wobei elektrische Energie aus dem Energiespeicher von einer Elektromaschine in mechanische Energie umgewandelt und das Fahrzeug damit elektrisch angetrieben, bspw. beschleunigt, wird. Dabei ist es auch möglich, dass in diesem Energiespeicher auch elektrische Energie gespeichert werden kann, die während der Fahrt des Fahrzeugs bei der Rekuperation, aus kinetischer Energie des Fahrzeugs von der Elektromaschine in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei das Fahrzeug elektrisch gebremst wird. In Ausgestaltung des Verfahrens kann auch eine Abnutzung mindestens einer weiteren Komponente des Fahrzeugs berücksichtigt werden, die abgesehen von dem mindestens einen elektrischen Energiespeicher, diesem unterworfen ist. Dies ist bspw. ein elektrischer Wandler, der bei bzw. während dem Ladevorgang zwischen den Energiespeicher im Fahrzeug und der Energieeinheit vorübergehend geschaltet ist bzw. wird. Ein derartiger Wandler ist als Strom- und/oder Spannungswandler ausgebildet, wobei er beim Austauschen der elektrischen Energie bspw. einen Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung in einen Wechselstrom bzw. eine Wechselspannung oder umgekehrt wandelt, was abhängig von der jeweiligen Richtung des Ladevorgangs ist. Üblicherweise wird bei dem Verfahren eine Abnutzung sämtlicher Komponenten des Fahrzeugs berücksichtigt, die bei einem jeweiligen Ladevorgang in Betrieb und/oder daran beteiligt sind.
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Das Fahrzeug, bspw. Kraftfahrzeug, ist als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet bzw. zu bezeichnen.
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Das erfindungsgemäße System ist zum Bestimmen und/oder Ermitteln mindestens eines Zustandsparameters eines Fahrzeugs ausgebildet, wobei das Fahrzeug als mindestens eine Komponente einen elektrischen Energiespeicher aufweist, der bei einem jeweiligen Ladevorgang bzw. Ladezyklus entweder mit elektrischer Energie aus einer elektrischen Energieeinheit zu laden ist oder aus dem elektrische Energie in die elektrische Energieeinheit zu laden ist, wobei für den elektrischen Energiespeicher zwei unterschiedliche Ladevorgänge mit entgegengesetzten Richtungen durchführbar sind bzw. durchgeführt werden. Dabei ist bzw. wird die mindestens eine Komponente bei dem jeweiligen Ladevorgang, unabhängig von dessen Richtung, einer Abnutzung unterworfen und wird entsprechend verschlissen bzw. abgenutzt. Das System weist eine Recheneinheit und mindestens ein Anzeigemodul auf, die auch als Module des Fahrzeugs ausgebildet sind und auch für weitere Anwendungen des Fahrzeugs genutzt werden können. Die Recheneinheit ist dazu ausgebildet, diese durch den jeweiligen Ladevorgang verursachte Abnutzung zum Bestimmen und/oder Ermitteln des mindestens einen Zustandsparameters des gesamten Fahrzeugs zu berücksichtigen. Das mindestens eine Anzeigemodul ist dazu ausgebildet, den bestimmten und/oder ermittelten Zustandsparameter, üblicherweise optisch und quantitativ, anzuzeigen bzw. darzustellen.
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Es ist möglich, dass eine Ausführungsform des vorgestellten Verfahrens mit einer Ausführungsform des vorgestellten Systems durchgeführt wird. Mit dem Verfahren und/oder System wird für das Fahrzeug bspw. ein Lebensdauerzähler unter Berücksichtigung eines bidirektionalen Ladens bzw. bidirektionaler Ladevorgänge bereitgestellt. Dabei wird die bei oder während dem jeweiligen Ladevorgang bzw. Ladezyklus erfasste und/oder ermittelte Abnutzung der mindestens einen davon betroffenen Komponente des Fahrzeugs in die virtuelle Laufleistung und/oder Lebensdauer des Fahrzeugs umgerechnet und bspw. auf einem Display im Fahrzeug angezeigt.
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Das mindestens eine Anzeigemodul ist als primärer und/oder sekundärer Kilometerzähler des Fahrzeugs ausgebildet, mit dem ein üblicherweise als Laufleistung ausgebildeter und/oder vorgesehener Zustandsparameter, anhand eines jeweils ermittelten Werts dieses Zustandsparameters angezeigt wird, wobei der Zustandsparameter bzw. dessen Wert nach jedem Ladevorgang aktualisiert und angezeigt wird. Alternativ oder ergänzend ist das mindestens eine Anzeigemodul als Display bzw. Bildschirm eines Fahrerassistenzsystems ausgebildet. In der Regel wird mit einem primären Anzeigemodul ein Kilometerstand und somit eine bislang von dem Fahrzeug zurückgelegte Strecke als nachgemessene bzw. nachmessbare Laufleistung angezeigt, die sich beim Fahren als Funktion des Fahrzeugs abhängig von einer zurückgelegten Strecke ergibt. Mit einem sekundären Anzeigemodul wird eine virtuelle, aufgrund der Ladevorgänge umgerechnete Laufleistung angezeigt, die lediglich von den Ladevorgängen und ggf. von mindestens einer weiteren Funktion des Fahrzeugs, die eine Abnutzung verursacht, abhängig ist. Diese virtuelle Laufleistung kann auch den Kilometerstand umfassen und/oder miteinbeziehen.
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In Ausgestaltung weist das System mindestens einen bspw. elektrischen Sensor auf, der dazu ausgebildet ist, mindestens einen voranstehend erwähnten, bspw. elektrischen, Eingangsparameter des jeweiligen Ladevorgangs zu erfassen und der Recheneinheit bereitzustellen, wobei dieser mindestens eine Sensor auch als Teil eines Kontrollgeräts zum Kontrollieren und/oder Überwachen ausgebildet sein kann.
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Bei dem Verfahren werden u. a. Zeiten, bspw. Ladezeiten, von bidirektionalen bzw. wechselseitigen Ladevorgängen in die Lebensdauer des Fahrzeugs miteinbezogen. Außerdem kann der mindestens eine Zustandsparameter einem Nutzer bzw. Kunden, bspw. Fahrer des Fahrzeugs, einem Kundendienst oder einem Gebrauchtwagenkäufer angezeigt werden. Es ist möglich, für die Lebensdauer und/oder Laufleistung des Fahrzeugs neben der Abnutzung, der sich bei Ladevorgängen ergibt, auch eine von dem Fahrzeug insgesamt zurückgelegte Strecke und somit einen Kilometerstand zu berücksichtigen, die bzw. der auf einem Tachometer als möglichem Anzeigemodul dargestellt wird. Dabei kann der mindestens eine Zustandsparameter eine übergeordnete Größe sein, die die Abnutzung aufgrund der Ladevorgänge und die bereits zurückgelegte Strecke und/oder eine gesamte Lauf- bzw. Betriebszeit des Fahrzeugs in Stunden umfasst.
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Es ist möglich, dass das Fahrzeug, bspw. auch ein Zweitwagen, der von dem Nutzer neben einem Erstwagen genutzt wird, über die Laufzeit eine geringe Laufleistung aufweist, wobei das Fahrzeug örtlich für bidirektionale Ladevorgänge, bspw. auch zum Laden elektrischer Energie von dem Energiespeicher zu der Energieeinheit zur Verfügung steht. Dem Nutzer werden alle Freiheitsgrade zur Nutzung seines Fahrzeugs bereitgestellt. Weiterhin hat er aufgrund der Anzeige des mindestens einen Zustandsparameters auch eine Transparenz bzgl. des jeweils aktuellen Zustands seines Fahrzeugs. Der Energiespeicher, bspw. eine Batterie, des Fahrzeugs verfügt über eine Kapazität von bspw. 30 kWh bis 50 kWh. Weiterhin hat ein elektrischer Batterie-Energiespeicher für ein Haus eine Kapazität von 10 kWh. Das Fahrzeug zum Durchführen bidirektionaler Ladevorgänge kann auch als ein zusätzlicher Energiespeicher für das Haus genutzt werden.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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