DE102022202865A1 - Verfahren zum Laden einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum Laden einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Laden einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Laden einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, einer Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichersystems mit einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern, einem Computerprogramm sowie einer Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
  • Stand der Technik
  • Bestehende Lademanager sind darauf optimiert möglichst schnell mehrere Batterien eines Batteriesystem gemeinsam aufzuladen. Können nicht alle Batterien zum Laden zugeschaltet werden, wird bei bekannten Ladestrategien die Batterie mit der geringsten elektrischen Spannung geladen. Weitere Batterien des Batteriesystems werden erst zugeschaltet, sobald die elektrischen Spannungen der einzelnen Batterien gleich sind.
  • Beim Entladen der Batterien in einem Fahrbetrieb wird die Batterie mit dem höchsten elektrischen Spannungsniveau zuerst entladen. Weitere Batterien werden erst zugeschaltet, sobald die elektrischen Spannungen der einzelnen Batterien gleich sind.
  • Lade- und Entladevorgänge von Batterien werden nach dem definierten Schema „leere Batterien zuerst Laden und vollste Batterien zuerst Fahren“ durchgeführt.
  • Es gibt elektrisch antreibbare Fahrzeuge mit beispielsweise drei oder vier Batterien. Der komplette Ladevorgang kann mehrere Stunden dauern. Bei frühzeitigem Beenden des Ladevorgangs ist nicht gewährleistet, dass alle Batterien zugeschaltet werden können. Im schlechtesten Fall wird nur eine Batterie, nämlich die mit dem höchsten Spannungsniveau bzw. Ladezustand, zum Fahren verwendet, die anderen Batterien können aufgrund der Ladezustands- bzw. Spannungsdifferenz nicht zugeschaltet werden. Eine Folge davon ist, dass Reichweite und Fahrzeugleistung nicht immer einer Kundenerwartung entsprechen.
  • Wenn beispielsweise drei Batterien (SOC1 20%, SOC2 40%, SOC3 70%) eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs geladen werden sollen, dann ergeben sich gemäß einer Ladestrategie nach dem Stand der Technik folgende Ladezeiten:
    Batterie 1 SOC1 20% → 40% Ladezeit ca. 1h, bei ICharge/Batt = 10A
    Batterie 2 SOC2 40% → 70% Ladezeit ca. 1,5h bei ICharge/Batt = 10A
    Batterie 3 SOC3 70% → 100% Ladezeit ca. 2h bei ICharge/Batt < 10A
  • In diesem Beispiel weisen erst nach 2,5h Stunden Ladezeit die drei Batterien den gleichen Ladezustand auf. Bis zu diesem Zeitpunkt würde nur eine Batterie zu einem Fahrbetrieb zuschaltet werden.
  • Das Dokument DE 11 2018 007 469 T5 offenbart ein Optimierungssystem und -verfahren zum Optimieren der Verwendung der Leistungsspeichereinrichtung.
  • Das Dokument WO 2021 014 899 A1 offenbart eine Überwachungsvorrichtung zur Verlängerung der Lebensdauer eines Energiespeicherpakets.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Verfahren zum Laden einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs folgende Schritte umfasst:
    1. a) Ermitteln eines erwarteten Energiebedarfs für einen geplanten Fahrzyklus anhand geplanter Fahrdaten;
    2. b) Ermitteln einer Kombination von elektrochemischen Energiespeichern aus der Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern, um einen Fahrerwunsch für den geplanten Fahrzyklus hinsichtlich Reichweite und/oder Leistung zu erfüllen;
    3. c) Vorgeben eines maximalen Ladezustands für einzelne elektrochemische Energiespeicher, um eine gleichmäßige Alterung der elektrochemischen Energiespeicher zu erreichen;
    4. d) Laden der Kombination von elektrochemischen Energiespeichern;
  • Das Verfahren zum Laden einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern berücksichtigt vorteilhafterweise geplante Fahrdaten und ermittelt aus bisherigen Energieverbräuchen, beispielsweise abhängig von einem gewählten Fahrmodus, einen Energiebedarf für eine geplante Fahrt und weitere Folgefahrten. Dadurch wird eine adaptive Strategie zum Laden der Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern erreicht.
  • Durch die adaptive Strategie können vorteilhafterweise unterschiedliche Alterungseffekte der elektrochemischen Energiespeicher durch ungleichmäßige Verteilung der Lade- und Entladezyklen vermieden werden und durch Vorgabe von maximalen Ladezuständen eine gleichmäßige Alterung der elektrochemischen Energiespeicher erreicht werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laden einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs umfasst ferner folgenden Schritt:
    • e) Bereitstellen einer Informationsgröße, wobei die Informationsgröße eine Rückmeldung zu einer voraussichtlichen Abfahrtszeit und/oder einer voraussichtlichen Reichweite abhängig von vorgegebenen Fahrmodi umfasst.
  • Die geplanten Fahrdaten umfassen mindestens einen Zielort, eine Abfahrtszeit, eine Ankunftszeit, einen gewünschten Energieverbrauch und/oder eine Fahrtroute.
  • Der maximale Ladezustand wird in Abhängigkeit einer elektrischen Spannung, eines maximalen elektrischen Stroms, einer Temperatur, einem aktuellen Ladezustand (SOC), einem aktuellen Gesundheitszustand (SOH) der einzelnen elektrochemischen Energiespeicher vorgegeben.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichersystems mit einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern, umfassend mindestens einen Schalter zum Zu- oder Wegschalten von elektrochemischen Energiespeichern, mindestens ein Mittel, insbesondere eine elektronische Steuereinheit, sowie mindestens einen Sensor welche eingerichtet sind, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Computerprogramm vorgesehen, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichersystems die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführt.
  • Ferner ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Laden einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs findet vorteilhafterweise Verwendung in elektrischen Energiespeichersystemen für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs und/oder E-Bikes.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von Ladezuständen von elektrochemischen Energiespeichern gemäß dem Stand der Technik; und
    • 2 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
    • 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichersystems gemäß einer Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs 100 von Ladezuständen von elektrochemischen Energiespeichern gemäß dem Stand der Technik.
  • Der zeitliche Verlauf 101 stellt den Ladezustand eines ersten Energiespeichers und der zeitliche Verlauf 102 stellt den Ladezustand eines zweiten Energiespeichers dar.
  • Zu festen Zeitpunkten t0, t1, t2, t4, t5, t6, t7, beispielsweise 5 Minuten, wird der Ladestrom reduziert, um ein Zuschalten von weiteren elektrochemischen Energiespeichern zu ermöglichen.
  • Bis zu einem Zeitpunkt t3 wird nur der erste Energiespeicher geladen, da beispielsweise eine Temperatur des zweiten Energiespeicher über einem vorgegebenen Grenzwert liegt.
  • Zu einem Zeitpunkt t4 wird der erste Energiespeicher weggeschaltet und der zweite Energiespeicher zugeschaltet, um diesen zu Laden.
  • Zu einem Zeitpunkt t5 wird der erste Energiespeicher zugeschaltet, da beide Energiespeicher den gleichen Ladezustand und elektrische Spannung aufweisen. Ab dem Zeitpunkt t5 werden beide Energiespeicher geladen.
  • 2 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In einem Verfahrensschritt 200 wird das erfindungsgemäße Verfahren gestartet, beispielsweise wenn ein elektrisch antreibbares Fahrzeug an eine Ladesäule angeschlossen wird und ein erwarteter Energiebedarf für einen geplanten Fahrzyklus anhand geplanter Fahrdaten ermittelt. Die Fahrdaten können beispielsweise mittels eines Smartphones eines Fahrers des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs und/oder über eine Cloud-Anwendung übermittelt werden.
  • Weiter können auch komponentenspezifische Eigenschaften, wie beispielsweise ein Derating-Verhalten der elektrochemischen Energiespeicher, berücksichtigt werden.
  • In Verfahrensschritt 201 wird eine Kombination von elektrochemischen Energiespeichern aus der Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern ermittelt, um einen Fahrerwunsch für den geplanten Fahrzyklus hinsichtlich Reichweite und/oder Leistung zu erfüllen.
  • In Verfahrensschritt 202 wird ein maximaler Ladezustand für einzelne elektrochemische Energiespeicher vorgegeben, um eine gleichmäßige Alterung der elektrochemischen Energiespeicher zu erreichen.
  • In Verfahrensschritt 203 wird die ermittelte Kombination von elektrochemischen Energiespeichern geladen.
  • In Verfahrensschritt 204 wird eine Informationsgröße bereitgestellt, wobei die Informationsgröße eine Rückmeldung zu einer voraussichtlichen Abfahrtszeit und/oder einer voraussichtlichen Reichweite abhängig von vorgegebenen Fahrmodi umfasst. Die Rückmeldung kann beispielsweise an ein Smartphone des Fahrers des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs übermittelt, und/oder an eine Cloud-Anwendung übermittelt und/oder auf einer Ausgabeeinheit des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs optisch, akustisch und/oder haptisch ausgegeben werden.
  • In Verfahrensschritt 205 werden aktuelle Ladezustände der ermittelten Kombination von elektrochemischen Energiespeichern mit den maximalen Ladezuständen verglichen. Überschreiten die Ladezustände die vorgegebenen Ladezustände, dann wird das Verfahren in Verfahrensschritt 206 beendet. Ansonsten wird das Verfahren in Verfahrensschritt 203 fortgesetzt.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichersystems 301 gemäß einer Ausführungsform. Ein elektrisch antreibbares Fahrzeug 300 umfasst die elektrochemische Energiespeichervorrichtung 301 mit einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern 302(1), 302(2), 302(3), 302(4), 302(5), 302(n) sowie eine elektronische Steuereinheit 303, beispielsweise ein Batteriemanagementsystem.
  • Die Steuereinheit 303 ist kabelgebunden und/oder kabellos mit Sensoren 304 verbunden, mittels der eine elektrische Spannung, ein elektrischer Strom, eine Temperatur der elektrochemischen Energiespeicher 302(1), 302(2), 302(3), 302(4), 302(5), 302(n) ermittelt werden kann. Ferner können der Steuereinheit 303 Informationen zum aktuellen Ladezustand (SOC) und aktuellen Gesundheitszustand (SOH) zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise von nicht dargestellten Überwachungseinheiten der elektrochemischen Energiespeicher 302(1), 302(2), 302(3), 302(4), 302(5), 302(n).
  • Die Steuereinheit 303 ist mit einer von dem elektrisch antreibbaren Fahrzeug 300 getrennten externen Steuereinheit 305 über eine Verbindung 306 kabelgebunden und/oder kabellos verbindbar. Über die Verbindung 306 kann ein Fahrer des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs 300 mittels der externen Steuereinheit 305, beispielsweise ein Smartphone, eine App und/oder eine Cloudanwendung, geplante Fahrdaten, beispielsweise ein Zielort, eine Abfahrtszeit, eine Ankunftszeit, einen gewünschten Energieverbrauch und/oder eine Fahrtroute, der Steuereinheit 303 bereitstellen.
  • Ferner kann die Steuereinheit 303 der externen Steuereinheit 305 eine Rückmeldung zu einer voraussichtlichen Abfahrtszeit und/oder einer voraussichtlichen Reichweite abhängig von vorgegebenen Fahrmodi bereitstellen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 112018007469 T5 [0008]
    • WO 2021014899 A1 [0009]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Laden einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern (302) eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (300), umfassend folgende Schritte: a) (200) Ermitteln eines erwarteten Energiebedarfs für einen geplanten Fahrzyklus anhand geplanter Fahrdaten; b) (201) Ermitteln einer Kombination von elektrochemischen Energiespeichern aus der Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern (302), um einen Fahrerwunsch für den geplanten Fahrzyklus hinsichtlich Reichweite und/oder Leistung zu erfüllen; c) (202) Vorgeben eines maximalen Ladezustands für einzelne elektrochemische Energiespeicher, um eine gleichmäßige Alterung der elektrochemischen Energiespeicher (302) zu erreichen; d) (203) Laden der Kombination von elektrochemischen Energiespeichern;
  2. Verfahren zum Laden einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern (302) eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (300) gemäß Anspruch 1, ferner umfassend folgenden Schritt: e) (204) Bereitstellen einer Informationsgröße, wobei die Informationsgröße eine Rückmeldung zu einer voraussichtlichen Abfahrtszeit und/oder einer voraussichtlichen Reichweite abhängig von vorgegebenen Fahrmodi umfasst.
  3. Verfahren zum Laden einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern (302) eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geplanten Fahrdaten mindestens einen Zielort, eine Abfahrtszeit, eine Ankunftszeit, einen gewünschten Energieverbrauch und/oder eine Fahrtroute umfassen.
  4. Verfahren zum Laden einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern (302) eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der maximale Ladezustand in Abhängigkeit einer elektrischen Spannung, eines maximalen elektrischen Stroms, einer Temperatur, einem aktuellen Ladezustand (SOC), einem aktuellen Gesundheitszustand (SOH) der einzelnen elektrochemischen Energiespeicher vorgegeben wird.
  5. Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichersystems (301) mit einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeichern (302), umfassend mindestens einen Schalter zum Zu- oder Wegschalten von elektrochemischen Energiespeichern, mindestens ein Mittel (303), insbesondere eine elektronische Steuereinheit, sowie mindestens einen Sensor (304) welche eingerichtet sind, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen.
  6. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung nach Anspruch 5 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausführt.
  7. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 6 gespeichert ist.
  8. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 in elektrischen Energiespeichersystemen (301) für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs und/oder E-Bikes.
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