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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft grundsätzlich Verfahren zur Zuordnung von batteriebetriebenen Geräten zu Nutzern abhängig von der Nutzungsart und dem Nutzungsverhalten des Nutzers.
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Technischer Hintergrund
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Die Energieversorgung von netzunabhängig betriebenen elektrischen Geräten und Maschinen, wie z. B. elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, erfolgt mithilfe von Gerätebatterien bzw. Fahrzeugbatterien. Diese liefern elektrische Energie zum Betrieb der Geräte.
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Gerätebatterien degradieren über ihre Lebensdauer und abhängig von deren Belastung bzw. Nutzung. Diese sogenannte Alterung führt zu einer kontinuierlich abnehmenden maximalen Leistungs- bzw. Speicherkapazität. Der Alterungszustand entspricht einem Maß zur Angabe der Alterung von Gerätebatterien. Gemäß der Konvention weist eine neue Gerätebatterie einen Alterungszustand in Bezug auf seine verfügbare Kapazität von 100 % auf, der im Laufe seiner Lebensdauer zusehends abnimmt. Ein Maß der Alterung der Gerätebatterie (zeitliche Änderung des Alterungszustands) hängt von einer individuellen Belastung der Gerätebatterie, d. h. bei Fahrzeugbatterien von Kraftfahrzeugen vom Nutzungsverhalten eines Fahrers, externen Umgebungsbedingungen und vom Fahrzeugbatterietyp ab.
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In selbstgenutzten Elektrofahrzeugen als Beispiel für batteriebetriebene Geräte ist eine Prädiktion eines Alterungszustands der Fahrzeugbatterie unter der Annahme eines gleichbleibenden Fahrverhaltens des Nutzers mit relativ guter Qualität möglich, da sich erfahrungsgemäß das Nutzungsverhalten des Nutzers im Laufe der Zeit nicht erheblich ändert. Anders sieht es bei technischen Geräten aus, die von Nutzern mit unterschiedlichem Nutzungsverhalten für unterschiedlich lange Zeitdauern und Nutzungsintensitäten genutzt werden. Beispielsweise werden üblicherweise zur Vermietung bereitgestellte Elektrofahrzeuge von unterschiedlichen Fahrern für unterschiedlich lange Mietzeitdauern und Fahrstrecken genutzt. Die Fahrer weisen unterschiedliche Fahrstile auf, die die Fahrzeugbatterie in unterschiedlichem Maße belasten und daher unterschiedlich stark altern lassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Zuordnen eines bestimmten Nutzers zu einem batteriebetriebenen Gerät aus einer Vielzahl von batteriebetriebenen technischen Geräten gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein computer-implementiertes Verfahren zum Zuordnen eines batteriebetriebenen Geräts aus einer Vielzahl von batteriebetriebenen Geräten (Gerätepool) zu einem Nutzer vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Erfassen von Nutzungsangaben für eine Vielzahl von Nutzern während jeweiligen Nutzungszyklen, in denen ein Nutzer ein Gerät benutzt, wobei die Nutzungsangaben eine oder mehrere Belastungsangaben, die eine Belastung einer Gerätebatterie durch das Nutzungsverhalten eines bestimmten Nutzers angeben, und/oder eine Alterungszustandsänderung während einer Nutzung durch den bestimmten Nutzer umfassen;
- - nach einer Anfrage nach einer Gerätenutzung durch einen Nutzer, Zuordnen eines der Geräte aus der Vielzahl von Geräten an den anfragenden Nutzer abhängig von den dem anfragenden Nutzer zugeordneten Nutzungsangaben und abhängig von einem Alterungszustand des betreffenden Geräts.
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Die Bestimmung des Alterungszustands einer Gerätebatterie erfolgt in der Regel durch ein geeignetes Alterungszustandsmodell, das abhängig von Betriebsgrößen der Gerätebatterie einen momentanen Alterungszustand bereitstellt. Der historische Verlauf des Alterungszustands wird üblicherweise für eine Prädiktion des Alterungszustands genutzt und ist für eine Restwertbestimmung und eine verbleibende Nutzungsdauer des technischen Geräts bzw. des Fahrzeugs wesentlich.
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Der Alterungszustand (SOH: State of Health) ist bei Gerätebatterien die Schlüsselgröße zur Angabe einer verbleibenden Batteriekapazität oder verbleibenden proportionalen Reichweite bei voller Batterieladung. Der Alterungszustand stellt ein Maß für die Alterung der Gerätebatterie dar. Im Falle einer Gerätebatterie oder eines Batterie-Moduls oder einer Batterie-Zelle kann der Alterungszustand als Kapazitätserhaltungsrate (Capacity Retention Rate, SOH-C) angegeben werden. Die Kapazitätserhaltungsrate SOH-C ist als Verhältnis der gemessenen momentanen Kapazität zu einer Anfangskapazität der vollständig aufgeladenen Batterie angegeben. Alternativ kann der Alterungszustand als Anstieg des Innenwiderstands (SOH-R) bezüglich eines Innenwiderstands zu einem Lebensdauerbeginn der Gerätebatterie angegeben werden. Die relative Änderung des Innenwiderstands SOH-R steigt mit zunehmender Alterung der Batterie an.
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Batteriebetriebene technische Geräte, die wie Miet-Elektrofahrzeuge von verschiedenen Nutzern für unterschiedlich lange Zeiträume mit unterschiedlichen Belastungsgraden genutzt werden, bewirken einen sehr unregelmäßig fortschreitenden Alterungsverlauf der Fahrzeugbatterie.
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Gemäß dem obigen Verfahren kann somit für die unterschiedlichen Nutzer von Geräten eines Gerätepools jeweils eine oder mehrere Nutzungsangaben bereitgestellt werden. Die Nutzungsangaben umfassen eine oder mehrere Belastungsangaben und/oder eine Alterungszustandsänderung.
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Die Nutzungsangaben können aus Verläufen von Betriebsgrößen ermittelt werden, die während eines Nutzungszyklus eines Geräts durch einen Nutzer erfasst werden, bestimmt werden.
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Die Belastungsangaben können ein Maß einer voraussichtlichen Belastung der Gerätebatterie angeben und können aus vergangenen Nutzungszyklen abgeleitete Merkmale darstellen, die ein Nutzungsverhalten des betreffenden Nutzers angeben. Mithilfe der einen oder der mehreren Belastungsangaben kann die Zuordnung zu einem bestimmten Gerät im Gerätepool in verbesserter Weise durchgeführt werden, um das Alterungsverhalten jedes der Geräte im Gerätepool und somit das Alterungsverhalten des gesamten Gerätepools zu beeinflussen.
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Das obige Verfahren ermöglicht es nun, diese Belastungsangaben nach jedem Nutzungszyklus eines der Geräte im Gerätepool durch einen bestimmten Nutzer zu bestimmen und eine Zuweisung eines Geräts durch Auswahl aus dem Gerätepool entsprechend der einen oder der mehreren Belastungsangaben jedes Nutzers bei Vorliegen einer Nutzeranfrage zur Nutzung eines Geräts vorzusehen.
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Die Belastungsangaben können einen Energiedurchsatz und/oder ein oder mehrere Lastspektren in Form von Histogrammen, wie beispielsweise ein 2D-Histogramm eines Ladezustands der Gerätebatterie über einer Gerätebatterietemperatur, ein 2D-Histogramm eines durchschnittlichen Ladestroms über einer Gerätebatterietemperatur und ein 2D-Histogramm eines Entladestroms über einer Gerätebatterietemperatur angeben, insbesondere relativ zur Nutzungsdauer eines oder mehrerer Nutzungszyklen.
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Gemäß dem obigen Verfahren wird eine Alterungszustandsänderung als eine zyklische Alterung eines Geräts während des letzten Nutzungszyklus durch den bestimmten Nutzer bestimmt. Die Alterungszustandsänderung kann einer Änderung des zyklischen Alterungszustands zwischen Beginn und Ende des Nutzungszyklus entsprechen. Anhand der Höhe der Alterungszustandsänderung bzw. der Alterungszustandsänderungen während zurückliegenden Nutzungszyklen kann eine Zuweisung einer Stresskategorie für den betreffenden Nutzer vorgenommen werden. Die Stresskategorie eines bestimmten Nutzers gibt ein Maß an, mit welchem die Nutzung durch den bestimmten Nutzer zu einer zyklischen Alterung der Gerätebatterie beiträgt.
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Dadurch ist es möglich, bei einer Nutzungsanfrage ein Gerät aus einem Gerätepool einem bestimmten Nutzer zuzuordnen, indem die Alterungszustände der Gerätebatterien und die Stresskategorie des anfragenden Nutzers berücksichtigt werden, wodurch eine voraussichtliche Alterung bzw. Restwertminderung einer Gerätebatterie bei einer anstehenden Nutzung quantifiziert werden kann.
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Die Zuordnung des anfragenden Nutzers zu dem Gerät kann mithilfe einer vorgegebenen insbesondere regelbasierten Zuordnungsmethode erfolgen. Die Zuordnung erfolgt regelbasiert abhängig von einem Ziel, ein bestimmtes Alterungsprofil der Alterungszustände der Geräte des gesamten Gerätepools zu erreichen. So kann beispielsweise eine möglichst gleichmäßige Alterung aller Geräte im Gerätepool angestrebt werden.
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Insbesondere kann mithilfe der einen oder der mehreren Belastungsangaben eines bestimmten Nutzers ein künftiger Alterungszustandsverlauf bei Nutzung durch den bestimmten Nutzer qualitativ hochwertig prädiziert werden und es somit ermöglichen, gemäß einem regelbasierten Verfahren eine Zuweisung eines der Geräte zu einem bestimmten Nutzer, für den die eine oder die mehreren Belastungsangaben vorliegt, durchzuführen, so dass eine zu erwartende Alterungszustandsänderung während des anstehenden Nutzungszyklus prädizierbar ist.
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Insbesondere kann die Zuordnung des anfragenden Nutzers zu dem Gerät so durchgeführt werden, dass dem anfragenden Nutzer, dessen Nutzungsangabe eine hohe Belastung einer Gerätebatterie angibt, ein Gerät mit einer Gerätebatterie mit unterdurchschnittlicher Alterung zugewiesen wird oder dem anfragenden Nutzer, dessen Nutzungsangabe eine niedrige Belastung einer Gerätebatterie angibt, ein Gerät mit einer Gerätebatterie mit überdurchschnittlicher Alterung zugewiesen wird.
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Nach erfolgter Zuordnung kann das zugewiesene Gerät dem anfragenden Nutzer bereitgestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens vorgesehen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Darstellung einer Fahrzeugflotte eines Fahrzeugvermieters und eines Management-Systems zum Zuweisen eines Nutzers zu einem bestimmten der Fahrzeuge der Fahrzeugflotte bei einer entsprechenden Nutzungsanfrage; und
- 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens, das in dem Management-System ausgeführt wird.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Fahrzeugbatterien als Gerätebatterie in einem Kraftfahrzeug als batteriebetriebenes Gerät bzw. batteriebetriebene Maschine beschrieben. Das Beispiel steht stellvertretend für eine Vielzahl von stationären oder mobilen batteriebetriebenen Geräten (eines Gerätepools) mit nutzungsabhängiger Energieversorgung, wie beispielsweise Elektrofahrzeuge, Pedelecs, Anlagen, Werkzeugmaschinen, Haushaltsgeräte, I UT-Geräte, Gebäudeenergieversorgungen, Fluggeräte, insbesondere Drohnen, autonome Roboter und Geräte der Unterhaltungselektronik, insbesondere Mobiltelefone und dergleichen.
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1 zeigt schematisch ein System zur Fahrzeugvermietung an eine Vielzahl unterschiedlicher Nutzer. Das System 1 umfasst einen Fahrzeugpool 2 mit einer Vielzahl von Fahrzeugen 3, die jeweils eine Fahrzeugbatterie 31 aufweisen. Bei Elektrofahrzeugen ist der Zustand der Fahrzeugbatterie 31 bestimmend für den Restwert. Der Zustand der Fahrzeugbatterie 31 wird in der Regel durch den Alterungszustand vorgegeben.
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Die Fahrzeuge 3 des Fahrzeugpools 2 stehen über eine geeignete Kommunikationsverbindung mit einem Management-System 4 des Fahrzeugvermieters in Verbindung. Über die Kommunikationsverbindung werden Betriebsgrößen F, die in den Fahrzeugen 3 erfasst werden und den Betrieb der jeweiligen Fahrzeugbatterie 31 charakterisieren, übertragen. Diese Betriebsgrößen F können Verläufe einer Batteriespannung, eines Batteriestroms, eines Ladezustands und einer Batterietemperatur umfassen.
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Im Management-System 4 können aus den Verläufen der Betriebsgrößen F mithilfe an sich bekannter Alterungszustandsmodelle ein aktueller Alterungszustand für jedes Fahrzeug 3 ermittelt werden. Durch Ermittlung des Alterungszustands vor und nach einem Nutzungszyklus, kann eine Alterungszustandsänderung für eine zyklische Alterung der betreffenden Fahrzeugbatterie 31 als Unterschied zwischen dem Alterungszustand zu Anfang des Nutzungszyklus und dem Alterungszustand zum Ende des Nutzungszyklus angegeben werden. Der Nutzungszyklus entspricht allgemein einem zusammenhängenden Zeitabschnitt, während dem das betreffende Fahrzeug 3 einem bestimmten Nutzer zugeordnet war/ist. Die Angabe der Alterungszustandsänderung kann vorzugsweise relativ zur kalendarischen Alterung während des Nutzungszyklus, d. h. der zeitlichen Dauer des Nutzungszyklus, angegeben werden.
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Weiterhin können in dem Management-System 4 aus den Verläufen der Betriebsgrößen Belastungsangaben der Fahrzeugbatterien 31 ermittelt werden, die die Art der Nutzung des jeweiligen Fahrzeugs 2 zu Zeitpunkten bzw. in Zeitabschnitten erfassen können. Beispielsweise kann die Art der Nutzung z. B. mithilfe von Lastspektren in Form von Histogrammen, wie beispielsweise eines 2D-Histogramms des Ladezustands über der Temperatur, eines 2D-Histogramms des Ladestroms über der Temperatur, eines 2D-Histogramms des Entladestroms über der Temperatur und dergleichen für einen zurückliegenden Nutzungszyklus zugeordnet werden. Weiterhin kann für den Nutzungszyklus ein Energiedurchsatz in Amperestunden (Ah) bestimmt werden, insbesondere relativ zur Nutzungsdauer eines Nutzungszyklus.
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Diese Alterungszustandsänderung und die Belastungsangaben stellen fahrerindividuelle Nutzungsangaben dar, die dem Fahrer, dem das Fahrzeug während des Nutzungszyklus zugeordnet (vermietet) war, entsprechend zugeordnet werden. Somit werden in dem Management-System 4 zunächst die fahrerindividuellen Nutzungsangaben nutzerbezogen gesammelt, z. B. in einer Datenbank 42 gespeichert.
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Weiterhin wird durch das Management-System 4 bei einer entsprechenden Anfrage nach Nutzung eines Fahrzeugs 3 die Zuordnung eines der Fahrzeuge entsprechend der dem Fahrer zugeordneten Nutzungsangaben vorgenommen.
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Im Management-System 4 wird dazu ein Verfahren ausgeführt, das anhand des Flussdiagramms der 2 nachfolgend näher erläutert wird. Das Verfahren kann in Form einer Software und/oder Hardware in dem Management-System 4, insbesondere in einer dort vorhandenen Datenverarbeitungseinrichtung 41, ausgeführt werden.
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In Schritt S1 wird einem Fahrer ein zugeteiltes Fahrzeug zugewiesen. Damit beginnt ein Nutzungszyklus des Fahrzeugs 3 durch den entsprechenden Nutzer. Der Alterungszustand des zugeteilten Fahrzeugs zu Beginn des Nutzungszyklus wird zwischengespeichert.
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Während des Nutzens des Fahrzeugs durch den Fahrer in Schritt S2 werden kontinuierlich Betriebsgrößen F erfasst und zwischengespeichert.
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Bei Rückgabe des Fahrzeugs durch den Nutzer bei dem entsprechenden Fahrzeugvermieter in Schritt S3 ist der Nutzungszyklus beendet. Aus den Betriebsgrößen werden nun Belastungsangaben ermittelt. Diese können, wie zuvor beschrieben, ein oder mehrere 2D-Histogramme und/oder einen Energiedurchsatz umfassen.
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Weiterhin wird in Schritt S4 entweder im Fahrzeug selbst oder durch Auswerten der Betriebsgrößen in dem Management-System 4 ein Alterungszustand des Fahrzeugs zum Ende des Nutzungszyklus ermittelt. Dazu werden eines oder mehrere an sich bekannter Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustands basierend auf den Betriebsgrößen F des Fahrzeugs 3 verwendet.
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Die Belastungsangaben und die Alterungszustände zu Beginn und zu Ende des Nutzungszyklus werden nutzerbezogen in der Datenbank 42 zwischengespeichert. Ferner kann der Nutzungszyklus auch mit einem Zeitstempel versehen sein, der die Länge des betreffenden Nutzungszyklus angibt.
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Die Belastungsangaben können dabei lediglich für den letzten Nutzungszyklus oder akkumuliert für alle bisher für den bestimmten Fahrer erfassten Nutzungszyklen abgespeichert werden.
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Eine Differenz zwischen dem Alterungszustand am Ende des Nutzungszyklus und dem Alterungszustand zu Beginn des Nutzungszyklus wird als Alterungszustandsänderung in Schritt S5 nun ebenfalls ermittelt, um so eine Alterungszustandsänderung zu erfassen. Die Alterungszustandsänderung wird vorzugsweise in Bezug zu der kalendarischen Zeitdauer des Nutzungszyklus bewertet, um eine relative Angabe zur zyklischen Alterung der Fahrzeugbatterie 31 während der Nutzung durch den bestimmten Fahrer zu erfassen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die obige Auswertung und das Speichern der Nutzungsangaben nur dann durchgeführt wird, wenn die Dauer des Nutzungszyklus eine vorbestimmte Mindestnutzungszeitdauer, wie z. B. zwei Tage, überschreitet.
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Insbesondere können in Schritt S6 mithilfe der Nutzungsangaben die Fahrer in eine von mehreren Fahrerkategorien, wie z. B. drei Fahrerkategorien, wie beispielsweise „moderater Fahrer“, „durchschnittlicher Fahrer“ oder „batteriestressender Fahrer“, eingeteilt werden. Die Einteilung der Fahrer in Fahrerkategorien kann durch vorgegebene Wertebereiche der einzelnen Belastungsangaben erfolgen.
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Die Wertebereiche definieren Schwellenwerte für die einzelnen Belastungsangaben (moderat/durchschnittlich/stressend) fest. So kann eine Belastungskategorie für jede Belastungsangabe bestimmt werden. Durch Mehrheitsentscheid der Belastungskategorien kann diejenige Belastungskategorie der Fahrerkategorie des betreffenden Fahrers zugeordnet werden, die sich mehrheitlich aus den obigen Schwellenwertvergleichen ergibt. , die bezüglich jeder Belastungsangabe.
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Nachfolgend wird geprüft, ob der bestimmte Fahrer eine erneute Anfrage zur Nutzung eines Fahrzeugs 3 gestellt hat. Ist dies der Fall, wird das Verfahren mit Schritt S6 fortgesetzt, anderenfalls wird zu Schritt S5 zurückgesprungen.
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Im Schritt S6 werden Fahrzeuge aus dem Fahrzeugpool dem anfragenden Fahrer zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt entsprechend der Fahrerkategorie bzw. abhängig von der mindestens einen Nutzungsangabe des anfragenden Fahrers und basierend auf einer Zuordnungsmethode, um so Einfluss auf die Alterungszustände der Fahrzeuge 3 aus dem Fahrzeugpool zu haben. Die Zuordnungsmethode kann Regeln umfassen, wie die Zuteilung des Fahrzeugs zu dem bestimmten Fahrer erfolgen soll, und kann vom Fahrzeugvermieter vorgegeben sein.
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Beispielsweise kann eine Zuweisung erfolgen, dass eine stark gealtertem Fahrzeugbatterie 31 mit einem unterdurchschnittlichen Alterungszustand (SOH-C), bei der droht, dass eine Garantielebensdauer nicht erreicht wird, d. h. dass eine Alterungszustandsschwelle, die ein Ende der Lebensdauer der Fahrzeugbatterie signalisiert, wie beispielsweise 80 % SoH-C, vor einem Ablauf einer Mindestnutzungsdauer von beispielsweise 8 Jahren, erreicht wird. Eine solche vorgestresste Fahrzeugbatterie 31 kann einem Fahrer zugeteilt werden, der als „moderater Fahrer“ klassifiziert ist bzw. deren mindestens eine Nutzungsangabe einen sehr schonenden Batteriebetrieb erwarten lässt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Lebensdauer der Fahrzeugbatterie und damit des Fahrzeugs nicht weiter reduziert wird.
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Im umgekehrten Fall kann ein Fahrzeug 3 mit überdurchschnittlich gutem Batteriezustand, d. h. einem zyklischen Alterungszustand zu einem Zeitpunkt des kalendarischen Alters, der über einem durchschnittlichen zyklischen Alterungszustand der Fahrzeuge 3 des Fahrzeugpools liegt, einem Fahrer zugewiesen werden, der in der Vergangenheit durch sein Nutzerverhalten Fahrzeugbatterien 31 überdurchschnittlich gestresst hat. Diese Zuweisung verfolgt das Ziel, die Alterungszustände der Fahrzeuge im Fahrzeugpool möglichst gleichmäßig altern zu lassen. Alternative Ziele, die z. B. eine unterschiedliche Alterung der Fahrzeuge in dem Fahrzeugpool vorsehen können, sind ebenfalls denkbar.
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Nach der Zuteilung des Fahrzeugs 3 an den anfragenden Fahrer kann das Verfahren mit Schritt S1 fortgesetzt werden.
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Neben dem reinen Fahrverhalten des Nutzers kann auch der Batteriezustand, d. h. der Alterungszustand der Fahrzeugbatterie, die Fahrzeugzuteilung beeinflussen. So beeinflusst eine Fahrzeugbatterie mit überdurchschnittlich hohem Alterungszustand bedingt durch die Serienstreuung und der Fertigung das Alterungsverhalten der Fahrzeugbatterie positiv. Weiterhin kann eine Vorschädigung der Fahrzeugbatterie aufgrund einer irreversiblen Alterung z. B. durch ein unzureichendes Systemdesign mit Temperatur-Hotspots der Fahrzeugbatterie oder eine nicht optimale Derating-Betriebsstrategie das Alterungsverhalten der Fahrzeugbatterie negativ beeinflussen. Diese Batterieeigenschaften sowie das Fahrverhalten spiegeln sich in den Toleranzgrenzen der Fahrzeugbatterie wider.
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Mithilfe des obigen Verfahrens kann eine qualitativ bessere Vorhersage des Alterungszustands von Fahrzeugen eines Fahrzeugpools erreicht werden und der Fahrzeugvermieter eine Möglichkeit erhalten, die Fahrzeuge im Fahrzeugpool zum Erreichen einer maximal möglichen Fahrzeuglebensdauer bzw. Fahrzeugpool-Lebensdauer in Abhängigkeit des Nutzungsverhaltens der Fahrer zu erreichen.
