WO2013139617A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern des ladezustands einer traktionsbatterie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum steuern des ladezustands einer traktionsbatterie Download PDF

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traction battery
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charging
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Heiko Maas
Armin Warm
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Ford Global Technologies, Llc
Ford-Werke Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the state of charge of a traction battery of an electric or hybrid vehicle which can be charged from a mains supply, and to a corresponding device for controlling the state of charge of a traction battery.
  • Motor vehicles with battery electric drive have typical ranges of about 100-120 km, for which a battery capacity of about 20 kWh is required. On average, however, such an electric vehicle only covers a distance of about 45 km per day, for which only an electrical energy of about 7 kWh is required. If the traction battery is fully charged before driving, i. is the state of charge of the battery before driving 100%, the state of charge is after returning from the drive about 65%, and here and below as a measure of the state of charge or state of charge of the battery, the currently stored and removable electrical energy in percent of available capacity of the battery.
  • the traction battery also referred to as a traction battery
  • a utility power grid so that a service life at a charge state of 100% until the beginning of the next trip, typically until the next morning, results.
  • WO 201 1/047907 A2 discloses a method for increasing the service life of a traction battery of an electric or hybrid vehicle, in which a driving phase specification and a current state of charge of the traction battery are detected and a charging process is carried out in such a way that an aging parameter is minimized which comprises the time interval between the charging process and the start of the journey or the charging energy with which the traction battery is to be charged.
  • an aging parameter is minimized which comprises the time interval between the charging process and the start of the journey or the charging energy with which the traction battery is to be charged.
  • EP 1 470 627 B1 it is proposed that an electric vehicle, if necessary, be able to feed energy not required at a certain time into a supply network.
  • the vehicle When driving to work, the vehicle is connected to the electrical grid after reaching the workplace to provide necessary energy for peak current times when needed.
  • this can result in additional charge cycles of the traction battery that reduce the life of the battery.
  • the inventive method for controlling the state of charge of a traction battery refers to the traction battery of an electric or hybrid vehicle, ie a motor vehicle with battery electric or hybrid-electric drive, the traction battery from a supply power grid can be charged and connected for this purpose via a charging device to the power grid is.
  • a charging device to the power grid is.
  • the journey start of the next journey for example via an input device by a user, for example, the driver of the motor vehicle, be entered, with data that allow the determination of a required amount of energy for the next trip, also be entered.
  • a user for example, the driver of the motor vehicle
  • data that allow the determination of a required amount of energy for the next trip also be entered.
  • an anticipated start of the next journey as well as possibly the prospective energy requirement for the next journey are automatically determined from previous journeys.
  • a discharge of the traction battery is carried out according to the invention, in particular a partial discharge.
  • the amount of energy stored in the battery is reduced and the state of charge of the traction battery is lowered.
  • a charge is performed from the supply current network and controlled such that a start of travel state of charge is reached before the start of the next journey.
  • the driving start charging state can be fixed, in particular as a fully charged state, ie 100% of the available capacity of the traction battery.
  • the travel start state of charge can also be predefined manually by an user via an input device, or it may be provided, for example, that the travel start state is determined taking into account the anticipated energy requirement of the next journey from data entered by the user or automatically from data from previous journeys.
  • the travel load state is determined and the existence of the unloading possibility is determined taking into account the travel load state.
  • the travel charge state can be determined, for example, by detecting the terminal voltage, the internal resistance and / or other state variables of the traction battery or also on the basis of the previous history, in particular due to the electrical energy removed for the drive from the traction battery. Furthermore, the discharging capability is determined taking into account a state of charge of the traction battery, which it should take at least approximately to minimize an irreversible capacity loss during the service life of the motor vehicle over as long a period as possible.
  • the state of charge can be fixed or predetermined by a user. Furthermore, to determine the discharge possibility, an estimated time period until the beginning of the next journey and an estimated charging time until the arrival of the journey start state of charge are determined.
  • the discharge possibility exists in particular in the case that on the one hand the substitutionendeladeschreib is higher than the state of charge and on the other hand, the probable time until the start of the next trip is greater than the expected charging time to reach the Norwaybeginnladementss.
  • the estimated charging time can first be determined on the basis of the travel charge state; If this results in a discharge possibility and, accordingly, a discharge is carried out, then the estimated charging duration is determined on the basis of the charge state of the traction battery reached during the discharge, which, given a sufficiently long time until the beginning of the next driving is the state of charge.
  • Both the state of the state of charge and the start of travel state of charge can be determined in such a way that, in the event of unexpected demand, an unplanned journey of limited range can be carried out in addition to the planned journey. In this way it can be ensured that even in emergencies at any time a ride can be performed.
  • the charge reserve required for this purpose can be adjustable by a user.
  • a discharge of the traction battery up to the state of charge with a sufficient period of time a charge waiting in the state of charge until the start of charging the traction battery can be maintained.
  • the state of charge may amount to 30% of the battery capacity.
  • a deep discharge can be reliably prevented especially in lithium-ion batteries, which could also reduce the life of the battery.
  • the state of charge state can be determined advantageously as a function of the temperature of the traction battery.
  • the temperature of the traction battery for example via a temperature sensor, determined and a function of the known type-specific temperature behavior of the traction battery optimum standby state to maximize battery life.
  • the discharge takes place with the return of the traction battery in this case taken electrical energy into the supply current network.
  • the supply power network may be, for example, a large-scale power grid that includes several power plants for generating base load and peak load power, or a local power grid or the power grid of a single household.
  • the charging device is preferably designed such that it both the charging of the battery from the mains and the return of energy from the battery in the Power grid allows. In this way, a loss of the corresponding electrical energy can be avoided and a particularly low-loss operation of the electric or hybrid vehicle can be made possible in cooperation with the supply current network.
  • the energy taken from the traction battery during discharging is fed back into the supply current network if the travel end loading state amounts to at least 60% of the available maximum battery capacity.
  • the travel end loading state amounts to at least 60% of the available maximum battery capacity.
  • Discharge of the traction battery may begin immediately after the end of travel to maximize the life of the traction battery.
  • the discharge takes place after a discharge wait time, which is determined taking into account the load of the supply current network. Frequently takes place in the course of the day last trip in the afternoon, so that made to extend the battery life unloading and thereby taking place return of electrical energy in the supply network immediately after the end of a high network load coincides, usually in the late afternoon, especially in the winter months , their maximum enough.
  • the discharge waiting time can be determined in such a way that the discharging occurs during a period of high network load, whereby, for example, a maximum value of the discharge waiting time can be predetermined by the fact that the extension of the battery life duration made possible by the discharge does not exceed by more than one specified amount is reduced.
  • a maximum value of the discharge waiting time can be predetermined by the fact that the extension of the battery life duration made possible by the discharge does not exceed by more than one specified amount is reduced.
  • it is also possible to optimize the discharge waiting time by jointly taking into account the achievable lifetime extension of the battery and the reduction of the network load by the recovery of the energy from the traction battery. In this way it is possible to relieve the supply current network without significantly limiting the achievable service life extension.
  • the charge waiting time can be selected, for example, such that the start of charge state is reached immediately before the start of the next journey. This means that charging takes place at the earliest possible point in time and the charge waiting time is correspondingly maximum.
  • the charge waiting time can also be selected such that the travel start state of charge is already reached by a standby waiting time before the expected start of the journey. As a result, a maximum extension of the battery life is possible without restricting the availability of the motor vehicle.
  • the charging takes place at least partially in a period of presumably low network load.
  • the charge waiting time is preferably determined in such a way that the charge takes place in a period of low network load, taking into account the anticipated load on the supply power grid. Since the first trip is often planned during the course of the day in the morning, charging the traction battery as late as possible to extend battery life often takes place in the early morning hours, when network load by other consumers is low. In this case, the charge waiting time can be maximum and thus the achievable life span also be maximum. Otherwise, the charge waiting time can be optimized taking into account the network load such that only insignificant, if necessary, upward limited reduction of the lifetime benefit, an optimization of the network load in the sense that the charging takes place in times of usually low network load.
  • the charging device for connecting the traction battery is formed with a supply current network.
  • the charging device may include means for determining the travel charge state, sensor means for detecting a temperature of the traction battery and means for detecting a current time and storage means for storing data on the state of the traction battery and the next drive.
  • the charging device can also be designed for the recovery of electrical energy from the traction battery in the supply current network.
  • the charging device is preferably associated with the electric or hybrid vehicle.
  • the device may further comprise an input device for inputting data by a user, wherein the data may relate, for example, to the prospective time and the probable travel time and distance of the next journey.
  • the input device can also be designed, for example, to input data, on the basis of which a necessary safety margin of the battery charge can be determined.
  • a display device for displaying data about the current state of charge of the battery, the energy needs of the planned next trip and / or the unloading and the support process may be provided.
  • Fig. 1 shows the state of charge of a traction battery of an electrically operated
  • the electrically powered motor vehicle reaches a location with a charging possibility from the supply power network at time t 0 ;
  • the time t 0 represents the return of the motor vehicle after a drive to its permanent stand, for example in a garage at the driver's place of residence.
  • a supply power network which may be the power grid of a single household, a local power grid, or a large-scale interconnected network.
  • the travel load state 1 is determined and compared with a predetermined state of charge state, which in the present case is approximately 30%. Since the travel charge state is higher than the stand charge state, and also the time period (t 4 -t 0 ) until the start of the next ride is greater than that for charging the battery to 100%. required time, there is a discharge possibility. Therefore, a discharge 4 of the battery is performed at the time t 0 , until the time t-, the state of charge of about 30% is reached. Until the time t 2 , a stance phase 5 with the low state of charge state now follows, whereby the irreversible loss of capacity is minimized.
  • the stand-by state may be designed to minimize capacity loss, to safely avoid over-discharge and / or to take into account a reserve for carrying out unexpected trips.
  • charging 6 begins at time t 2 for a travel start charging state 7, which in the illustrated example is the fully charged state, ie 100%.
  • This state is reached at the time t 3 , which is a short period of time, the standby waiting time (t 4 , -t 3 ), before the start of the next drive.
  • the period (t 4 , - 1 3 ) during which the traction battery is at a high state of charge, for example at 100%, is thus substantially lower than in the case of an immediately after the end of charging 2.
  • the next ride begins 8, for example, a morning trip to the workplace.
  • the ride 8 which lasts until time t 5 , leads to a removal of electrical energy from the traction battery and thus to a reduction of the state of charge to an intermediate charging state 9.
  • this intermediate state of charge 9 is followed by a stance phase 10, for example in a parking lot in near the workplace, during which usually no connection to a supply network is possible.
  • another trip begins 1 1, about the afternoon return from work to the place of residence.
  • the traction battery further electrical energy is taken until the achievement of theêtendeladezu- state 1.
  • the exemplary method according to the invention minimizes the time duration during which the traction battery is in a high state of charge. This achieves a maximum extension of the service life.
  • the daily course shown in Fig. 1 corresponds to the typical course of the day when using the motor vehicle for the morning drive 8 to the workplace (from t 4 to t 5 ) and the evening drive 1 1 to return home (from t 6 to t 0 ).
  • the unloading 4 of the battery in the period between t 0 and withdrawn electrical energy for feeding into a supply network, which is usually particularly heavily loaded between about 17:00 and 21: 00 h by other consumers, the power grid are relieved.
  • the removal of electrical energy from the supply current network for charging 6 of the battery takes place in the early morning hours. Between 1: 00 and 5:00 or 6:00 h the power grid is usually not heavily loaded. Thus, in the illustrated course of the day, the supply network can be relieved or burdened more evenly, which allows a more cost-effective design and a more effective operation of the supply network using renewable energy.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Steuern des Ladezustands einer aus einem Versorgungsstromnetz aufladbaren Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs wird nach Ende einer Fahrt (11) eine Entlademöglichkeit vor einer nächsten Fahrt (8) ermittelt, bei Bestehen einer Entlademöglichkeit wird eine Entladung (4) der Traktionsbatterie veranlasst und vor der nächsten Fahrt eine Aufladung (6) aus dem Versorgungsstromnetz derart gesteuert, dass vor Beginn der nächsten Fahrt (8) ein Fahrtbeginnladezustand (7) erreicht wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Steuern des Ladezustands einer aus einem Versorgungsstromnetz aufladbaren Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Ladezustands einer
Traktionsbatterie Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Ladezustands einer aus einem Stromnetz aufladbaren Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs sowie eine entsprechende Vorrichtung zum Steuern des Ladezustands einer Traktionsbat- terie.
Kraftfahrzeuge mit batterieelektrischem Antrieb haben typische Reichweiten von etwa 100-120 km, wofür eine Batteriekapazität von etwa 20 kWh erforderlich ist. Durchschnittlich wird mit einem solchen Elektrofahrzeug jedoch nur eine Entfernung von ca. 45 km pro Tag zurückgelegt, wofür nur eine elektrische Energie von ca. 7 kWh erforderlich ist. Ist die Traktionsbatterie vor Fahrtantritt voll geladen, d.h. ist der Ladezustand der Batterie vor Fahrtantritt 100%, so beträgt der Ladezustand nach Rückkehr von der Fahrt ca. 65%, wobei hier und im Folgenden als Maß für den Ladezustand bzw. als Ladezustand der Batterie die aktuell gespeicherte und entnehmbare elektrische Energie in Prozent der verfügbaren Kapazität der Batterie angegeben wird. Häufig wird sofort nach Rückkehr von der Fahrt die Traktionsbatterie, die auch als Traktionsakkumulator bezeichnet wird, durch Anschluss an ein Versorgungsstromnetz wieder aufgeladen, so dass sich eine Standzeit bei einem Ladezustand von 100% bis zum Beginn der nächsten Fahrt, typischerweise bis zum nächsten Morgen, ergibt.
Es ist bekannt, dass insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien eine Standzeit bei einem hohen Ladezustand zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust und damit zu einer Verringerung der Lebensdauer der Batterie führt. Der irreversible Kapazitäts- verlust ist umso größer, je höher der Ladezustand und je länger die Standzeit bei diesem Ladezustand ist. Ein derartiges Ladeverfahren, bei dem die Traktionsbatterie am frühen Abend, etwa zwischen 17:00 und 21 :00 Uhr, aufgeladen wird, stellt zudem eine erhebliche Belastung des Stromnetzes dar, das zu dieser Tageszeit in der Regel bereits durch andere Verbraucher stark belastet wird.
Aus der WO 201 1/047907 A2 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer ei- nes Traktionsakkumulators eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs bekannt, bei dem eine Fahrphasenvorgabe und ein aktueller Ladezustand des Traktionsakkumulators erfasst werden und ein Ladeprozess derart ausgeführt wird, dass ein Alterungsparameter minimiert wird, der den zeitlichen Abstand zwischen dem Ladeprozess und dem Fahrtbeginn oder die Aufladeenergie, mit der der Traktionsakkumulator aufzu- laden ist, umfasst. Hierdurch wird ein Aufladevorgang nach Beendigung einer Fahrt so weit verzögert, dass der Ladeprozess dann endet, wenn der Beginn der nächsten Fahrt vorgesehen ist. Dabei wird die Aufladeenergie so gering wie möglich gehalten. Ein Entladen der Traktionsbatterie oder eine Berücksichtigung der Belastung eines Versorgungsstromnetzes werden nicht erwähnt.
In der EP 1 470 627 B1 wird vorgeschlagen, dass ein Elektrofahrzeug im Bedarfsfall zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht benötigte Energie in ein Versorgungsnetz einspeisen kann. Bei einer Fahrt zum Arbeitsplatz wird nach Erreichen des Arbeitsplatzes das Fahrzeug mit dem elektrischen Stromnetz verbunden, um im Bedarfsfall notwendige Energie für Spitzenstromzeiten zur Verfügung zu stellen. Die kann jedoch in Abhängigkeit vom Netzbedarf zusätzliche Ladungszyklen der Traktionsbatterie zur Folge haben, die die Lebensdauer der Batterie verringern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vor- richtung zum Steuern des Ladezustands einer aus einem Versorgungsstromnetz aufladbaren Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs bereitzustellen, durch das bzw. durch die die Lebensdauer der Traktionsbatterie verlängert wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern des Ladezustands einer Traktionsbatterie bezieht sich auf die Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, d.h. eines Kraftfahrzeugs mit batterieelektrischem oder hybrid-elektrischem Antrieb, wobei die Traktionsbatterie aus einem Versorgungsstromnetz aufladbar ist und zu diesem Zweck über eine Ladeeinrichtung mit dem Stromnetz verbindbar ist. Erfindungsgemäß wird nach dem Ende einer Fahrt des Kraftfahrzeugs, d.h. bei der Rückkehr des Kraftfahrzeugs zu bzw. der Ankunft des Kraftfahrzeugs an einem Standplatz mit einer Auflademöglichkeit aus dem Versorgungsstromnetz, das Bestehen einer Entlademöglichkeit vor einer nächsten Fahrt ermittelt. Dabei kann der Fahrtbeginn der nächsten Fahrt beispielsweise über eine Eingabeeinrichtung von einem Benutzer, beispielsweise dem Fahrer des Kraftfahrzeugs, eingebbar sein, wobei Daten, die die Ermittlung einer für die nächste Fahrt benötigten Energiemenge ermöglichen, ebenfalls eingebbar sein können. Es kann aber auch beispielsweise vorgesehen sein, dass aus früheren Fahrten ein voraussichtlicher Fahrtbeginn der nächsten Fahrt sowie ggf. der voraussichtliche Energiebedarf für die nächste Fahrt automatisch ermittelt werden.
Bei Bestehen einer Entlademöglichkeit wird erfindungsgemäß eine Entladung der Traktionsbatterie durchgeführt, insbesondere eine Teil-Entladung. Hierdurch wird die in der Batterie gespeicherte Energiemenge verringert und der Ladezustand der Traktionsbatterie erniedrigt.
Weiterhin wird vor dem Fahrtbeginn der nächsten Fahrt eine Aufladung aus dem Versorgungsstromnetz durchgeführt und derart gesteuert, dass vor Beginn der nächsten Fahrt ein Fahrtbeginnladezustand erreicht wird. Der Fahrtbeginnladezustand kann fest vorgegeben sein, insbesondere als Vollladezustand, d.h. 100% der verfügbaren Kapazität der Traktionsbatterie. Der Fahrtbeginnladezustand kann aber auch über eine Eingabeeinrichtung durch einen Benutzer manuell vorgebbar sein, oder es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Fahrtbeginnladezustand unter Berücksichtigung des voraussichtlichen Energiebedarfs der nächsten Fahrt aus von dem Benutzer eingegebenen Daten oder automatisch aus Daten früherer Fahrten ermittelt wird. Dadurch, dass bei Bestehen einer Entlademöglichkeit vor der nächsten vorgesehenen Fahrt mit dem Kraftfahrzeug eine Entladung der Traktionsbatterie durchgeführt wird, wird der Ladezustand der Traktionsbatterie während der Standzeit verringert und auf diese Weise die Lebensdauer der Traktionsbatterie verlängert. Hierdurch bleibt die erzielbare Maximalreichweite des Elektro- oder Hybridfahrzeugs länger erhalten, und ein eventueller Austausch der Traktionsbatterie kann vermieden oder zumindest hinausgezögert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Fahrtendeladezustand bestimmt und das Bestehen der Entlademöglichkeit unter Berücksichtigung des Fahrtendeladezustands ermittelt. Der Fahrtendeladezustand kann beispielsweise durch Erfassung der Klemmenspannung, des Innenwiderstands und/oder anderer Zustandsgrößen der Traktionsbatterie oder auch auf- grund der Vorgeschichte, insbesondere aufgrund der für die Fahrt aus der Traktionsbatterie entnommenen elektrischen Energie, ermittelt werden. Weiterhin wird die Entlademöglichkeit unter Berücksichtigung eines Standladezustands der Traktionsbatterie ermittelt, den diese zur Minimierung eines irreversiblen Kapazitätsverl usts während der Standzeit des Kraftfahrzeugs über einen möglichst langen Zeitraum zumindest angenähert einnehmen soll. Der Standladezustand kann fest vorgegeben oder durch einen Benutzer vorgebbar sein. Ferner wird zur Ermittlung der Entlademöglichkeit eine voraussichtliche Zeitdauer bis zum Beginn der nächsten Fahrt und eine voraussichtliche Ladedauer bis zur Erreichung des Fahrtbeginnladezustands ermittelt. Die Entlademöglichkeit besteht insbesondere in dem Fall, dass einerseits der Fahrtendeladezustand höher als der Standladezustand ist und andererseits die voraussichtliche Zeitdauer bis zum Beginn der nächsten Fahrt größer als die voraussichtliche Ladedauer bis zur Erreichung des Fahrtbeginnladezustands ist. Die voraussichtliche Ladedauer kann hierfür zunächst ausgehend von dem Fahrtendeladezustand ermittelt werden; ergibt sich hieraus eine Entlademöglichkeit und wird demzufolge eine Entladung durchgeführt, so bestimmt sich die voraussichtliche Ladedauer ausgehend von dem bei der Entladung erreichten Ladezustand der Traktionsbatterie, der bei einer ausreichend langen Zeitdauer bis zum Beginn der nächs- ten Fahrt der Standladezustand ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine Entladung nur in dem Fall stattfindet, dass die voraussichtliche Zeitdauer bis zum Beginn der nächsten Fahrt für die Entladung und die Aufladung auf den Fahrtbeginnladezustand ausreicht und daher das erfindungsgemäße Verfahren oh- ne Einschränkung der Verfügbarkeit oder der Reichweite des Fahrzeugs durchgeführt werden kann.
Sowohl der Standladezustand als auch der Fahrtbeginnladezustand können dabei derart ermittelt werden, dass bei unerwartetem Bedarf zusätzlich zur geplanten Fahrt eine ungeplante Fahrt begrenzter Reichweite durchgeführt werden kann. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass auch in Notfällen jederzeit noch eine Fahrt durchgeführt werden kann. Die hierfür erforderliche Ladungsreserve kann durch einen Benutzer einstellbar sein. Vorzugsweise erfolgt bei einer ausreichenden Zeitdauer bis zum Beginn der nächsten Fahrt eine Entladung der Traktionsbatterie bis auf den Standladezustand, wobei weiter bei ausreichender Zeitdauer eine Ladewartezeit im Standladezustand bis zum Beginn der Aufladung der Traktionsbatterie eingehalten werden kann. Dadurch, dass die Batterie bis zum Standladezustand entladen wird und in diesem Zustand bis zum Beginn der Aufladung verbleibt, kann eine Minimierung des irreversiblen Kapazitätsverlusts und damit eine maximale Verlängerung der Lebensdauer der Traktionsbatterie erreicht werden.
Insbesondere kann der Standladezustand 30% der Batteriekapazität betragen. Hierdurch kann insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien eine Tiefentladung sicher verhindert werden, die die Lebensdauer der Batterie ebenfalls herabsetzen könnte.
Ferner kann der Standladezustand in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit von der Temperatur der Traktionsbatterie bestimmt werden. Hierzu kann die Temperatur der Traktionsbatterie, etwa über einen Temperatursensor, ermittelt und in Abhängigkeit von dem bekannten typspezifischen Temperaturverhalten der Traktionsbatterie ein optimaler Standladezustand zur Maximierung der Batterielebensdauer ermittelt werden.
In bevorzugter Weise erfolgt das Entladen unter Rückspeisung der der Traktions- batterie hierbei entnommenen elektrischen Energie in das Versorgungsstromnetz. Das Versorgungsstromnetz kann beispielsweise ein großräumiges Stromnetz sein, das mehrere Kraftwerke zur Erzeugung von Grundlast- und Spitzenlaststrom um- fasst, oder ein lokales Stromnetz oder auch das Stromnetz eines einzelnen Haushalts. Für die Rückspeisung der Energie kann insbesondere die für die Aufladung der Batterie hergestellte Verbindung mit dem Stromnetz genutzt werden, wobei die Ladeeinrichtung bevorzugt derart ausgebildet ist, dass sie sowohl die Aufladung der Batterie aus dem Stromnetz als auch die Rückspeisung von Energie aus der Batterie in das Stromnetz ermöglicht. Hierdurch kann ein Verlust der entsprechenden elektrischen Energie vermieden und ein besonders verlustarmer Betrieb des Elekt- ro- oder Hybridfahrzeugs im Zusammenwirken mit dem Versorgungsstromnetz ermöglicht werden.
Vorzugsweise wird nur dann eine Rückspeisung der der Traktionsbatterie beim Entladen entnommenen Energie in das Versorgungsstromnetz durchgeführt, wenn der Fahrtendeladezustand mindestens 60% der verfügbaren maximalen Batteriekapazität beträgt. Hierdurch kann eine besonders effektive Rückspeisung sichergestellt werden.
Die Entladung der Traktionsbatterie kann unmittelbar nach Fahrtende beginnen, um eine maximale Verlängerung der Lebensdauer der Traktionsbatterie zu erzielen. In bevorzugter Weise erfolgt die Entladung jedoch nach einer Entladewartezeit, die unter Berücksichtigung der Belastung des Versorgungsstromnetzes ermittelt wird. Häufig findet die im Tagesverlauf letzte Fahrt am Nachmittag statt, so dass ein zur Verlängerung der Batterielebensdauer vorgenommenes Entladen und eine dabei erfolgende Rückspeisung elektrischer Energie in das Versorgungsstromnetz unmittelbar nach Fahrtende mit einem Zeitraum hoher Netzbelastung zusammenfällt, die üblicherweise am späten Nachmittag, vor allem im Winterhalbjahr, ihr Maximum er- reicht. Ist dies nicht der Fall, kann die Entladewartezeit derart bestimmt werden, dass das Entladen während eines Zeitraums hoher Netzbelastung geschieht, wobei beispielsweise ein Maximalwert der Entladewartezeit dadurch vorgegeben sein kann, dass die durch die Entladung ermöglichte Verlängerung der Batterielebens- dauer nicht um mehr als einen vorgebbaren Betrag reduziert wird. Es kann aber auch die Entladewartezeit durch gemeinsame Berücksichtigung der erzielbaren Lebensdauerverlängerung der Batterie und der Verringerung der Netzbelastung durch das Rückspeisen der Energie aus der Traktionsbatterie optimiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, ohne wesentliche Einschränkung der erzielbaren Lebensdau- erverlängerung das Versorgungsstromnetz zu entlasten.
Die Ladewartezeit kann beispielsweise derart gewählt sein, dass unmittelbar vor Beginn der nächsten Fahrt der Fahrtbeginnladezustand erreicht wird. Das heißt, dass die Aufladung zu einem möglichst späten Zeitpunkt erfolgt und die Ladewarte- zeit entsprechend maximal ist. Um einen Schwankungsbereich des Beginns der nächsten Fahrt zu berücksichtigen, kann die Ladewartezeit auch derart gewählt werden, dass der Fahrtbeginnladezustand bereits um eine Bereitschaftswartezeit vor dem voraussichtlichen Fahrtbeginn erreicht wird. Hierdurch wird eine maximale Verlängerung der Batterielebensdauer ermöglicht, ohne die Verfügbarkeit des Kraft- fahrzeugs einzuschränken.
In bevorzugter Weise findet die Aufladung zumindest teilweise in einem Zeitraum voraussichtlich niedriger Netzbelastung statt. Insbesondere wird vorzugsweise die Ladewartezeit unter Berücksichtigung der voraussichtlichen Belastung des Versor- gungsstromnetzes derart ermittelt, dass die Aufladung in einem Zeitraum niedriger Netzbelastung erfolgt. Da häufig im Tagesverlauf morgens die erste Fahrt geplant ist, findet die zur Verlängerung der Batterielebensdauer möglichst spät vorgenommene Aufladung der Traktionsbatterie oft in den frühen Morgenstunden statt, in denen die Netzbelastung durch andere Verbraucher gering ist. In diesem Fall kann die Ladewartezeit maximal und damit der erzielbare Lebensdauergewinn ebenfalls maximal sein. Andernfalls kann die Ladewartezeit unter Berücksichtigung der Netzbelastung derart optimiert werden, dass bei einer nur unwesentlichen, ggf. nach oben begrenzten Reduzierung des Lebensdauergewinns eine Optimierung der Netzbelastung in dem Sinne erfolgt, dass die Aufladung in Zeiten üblicherweise niedriger Netzbelastung stattfindet. Hierdurch kann eine gleichmäßigere Belastung des Versorgungsstromnetzes und damit eine kostengünstigere Auslegung des Stromnetzes sowie im Zusammenwirken mit dem Versorgungsstromnetz ein besonders effizienter und kostengünstiger Betrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeugs ermöglicht werden, sofern entsprechend netzbelastungssensitive Stromtarife zur Verfügung stehen (Nachtstromtarife od. dgl .).
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Ladezustands einer aus einem Stromnetz aufladbaren Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs umfasst eine Ladeeinrichtung, die zum Aufladen der Traktionsbatterie gemäß dem oben beschriebenen Verfahren ausgebildet ist. Hierfür ist die Ladeeinrichtung zum Verbinden der Traktionsbatterie mit einem Versorgungsstromnetz ausgebildet. Die Ladeeinrichtung kann Mittel zum Ermitteln des Fahrtendeladezustands, Sensormittel zur Erfassung einer Temperatur der Traktionsbatterie sowie Mittel zur Erfassung einer aktuellen Uhrzeit und Speichermittel zur Speicherung von Daten über den Zustand der Traktionsbatterie und die nächste Fahrt umfassen. Die Ladeeinrichtung kann auch zur Rückspeisung elektrischer Energie aus der Traktionsbatterie in das Versorgungsstromnetz ausgebildet sein. Die Ladeeinrichtung ist bevorzugt dem Elektro- oder Hybridfahrzeug zugeordnet.
Die Vorrichtung kann ferner eine Eingabeeinrichtung zur Eingabe von Daten durch einen Benutzer umfassen, wobei die Daten etwa den voraussichtlichen Zeitpunkt und die voraussichtliche Fahrtdauer und Fahrtstrecke der nächsten Fahrt betreffen können. Die Eingabeeinrichtung kann auch beispielsweise zur Eingabe von Daten ausgebildet sein, aufgrund derer eine notwendige Sicherheitsreserve der Batterieladung ermittelt werden kann. Ferner kann eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige von Daten etwa über den aktuellen Ladezustand der Batterie, den Energiebedarf der geplanten nächsten Fahrt und/oder den Entlade- und den Auflagevorgang vorgesehen sein. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 den Ladezustand einer Traktionsbatterie eines elektrisch betriebenen
Kraftfahrzeugs im Tagesverlauf gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 gelangt das elektrisch betriebene Kraftfahrzeug zum Zeitpunkt t0 zu einem Ort mit einer Auflademöglichkeit aus dem Versorgungs- Stromnetz; der Zeitpunkt t0 stellt beispielsweise die Rückkehr des Kraftfahrzeugs nach einer Fahrt zu seinem ständigen Standplatz dar, etwa in einer Garage am Wohnort des Fahrers. Dort besteht die Möglichkeit, die Traktionsbatterie zum Aufladen mit einem Versorgungsstromnetz zu verbinden, das das Stromnetz eines einzelnen Haushalts, ein lokales Stromnetz, oder auch ein großräumiges Verbundnetz sein kann.
Aus der Traktionsbatterie ist für die Durchführung der Fahrt elektrische Energie entnommen worden, so dass der Fahrtendeladezustand 1 unterhalb des maximalen Ladezustands von 100% liegt, im dargestellten Beispiel bei etwa 66%. Würde nun unmittelbar eine Aufladung der Batterie (Kurve 2) erfolgen, so würde das Kraftfahrzeug vom Zeitpunkt des Erreichens des Vollladezustands (100%) bis zum Beginn der nächsten Fahrt am nächsten Morgen zum Zeitpunkt t4 bei einem Ladezustand von 100% stehen. Durch die lange Standphase 3 bei Vollladung würde längerfristig ein erheblicher irreversibler Kapazitätsverlust eintreten, durch den die Batterie schneller altern und die verfügbare Kapazität schneller sinken würde.
Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird festgestellt, ob eine Entlademöglichkeit besteht. Hierfür wird der Fahrtendeladezustand 1 ermittelt und mit einem vorgegebenen Standladezustand verglichen, der im vorliegenden Fall ca. 30% beträgt. Da der Fahrtendeladezustand höher als der Standladezustand ist und außerdem die Zeitspanne (t4 - t0) bis zum Beginn der nächsten Fahrt größer ist als die zum Aufladen der Batterie auf 100% erforderliche Zeit, besteht eine Entlademöglichkeit. Daher wird zum Zeitpunkt t0 eine Entladung 4 der Batterie durchgeführt, bis zum Zeitpunkt t-, der Standladezustand von ca. 30% erreicht ist. Bis zum Zeitpunkt t2 folgt nun eine Standphase 5 mit dem niedrigen Standladezustand, wodurch der irreversible Kapazitätsverlust minimiert wird. Der Standladezustand kann zur Minimierung des Kapazitätsverlusts, zur sicheren Vermeidung einer Tiefentladung und/oder unter Berücksichtigung einer Reserve für die Durchführung unerwarteter Fahrten bestimmt sein. Nach Ende der Ladewartezeit beginnt zum Zeitpunkt t2 die Aufladung 6 auf einen Fahrtbeginnladezustand 7, der im dargestellten Beispiel der Vollladezustand ist, also 100% beträgt. Dieser Zu- stand wird zum Zeitpunkt t3 erreicht, der um eine kurze Zeitspanne, die Bereitschaftswartezeit (t4,- t3), vor dem Beginn der nächsten Fahrt liegt. Der Zeitraum (t4,- 13), während dessen die Traktionsbatterie bei einem hohen Ladezustand, beispielsweise bei 100%, steht, ist somit wesentlich geringer als bei einer unmittelbar nach Fahrtende erfolgenden Aufladung 2.
Zum Zeitpunkt t4 beginnt die nächste Fahrt 8, beispielsweise eine morgendliche Fahrt zum Arbeitsort. Die Fahrt 8, die bis zum Zeitpunkt t5 dauert, führt zu einer Entnahme von elektrischer Energie aus der Traktionsbatterie und damit zu einer Verringerung des Ladezustands auf einen Zwischenladezustand 9. In diesem Zwi- schenladezustand 9 folgt eine Standphase 10, etwa auf einem Parkplatz in der Nähe des Arbeitsplatzes, während der in der Regel keine Verbindung mit einem Versorgungsstromnetz möglich ist. Zum Zeitpunkt t6 beginnt eine weitere Fahrt 1 1 , etwa die nachmittägliche Rückfahrt vom Arbeitsort zum Wohnort. Hierfür wird der Traktionsbatterie weitere elektrische Energie bis zur Erreichung des Fahrtendeladezu- Stands 1 entnommen.
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, wird durch das beispielhaft dargestellte erfindungsgemäße Verfahren die Zeitdauer, während der die Traktionsbatterie in einem hohen Ladezustand steht, minimiert. Hierdurch wird eine maximale Verlängerung der Le- bensdauer erzielt. Der in Fig. 1 dargestellte Tagesverlauf entspricht dem typischen Tagesverlauf bei Benutzung des Kraftfahrzeugs für die morgendliche Fahrt 8 zur Arbeitsstelle (von t4 bis t5) und die abendliche Fahrt 1 1 zur Rückkehr nach Hause (von t6 bis t0). Bei einem solchen Tagesverlauf kann außerdem durch Zurverfügungstellung der beim Entladen 4 der Batterie in dem Zeitraum zwischen t0 und entnommenen elektrischen Energie zur Einspeisung in ein Versorgungsstromnetz, das zwischen etwa 17:00 und 21 :00 h durch weitere Verbraucher üblicherweise besonders stark belastet ist, das Stromnetz entlastet werden. Umgekehrt erfolgt die Entnahme von elektrischer Energie aus dem Versorgungsstromnetz zur Aufladung 6 der Batterie in den frühen Morgenstunden. Zwischen 1 :00 und 5:00 oder 6:00 h ist das Stromnetz üblicherweise wenig belastet. Somit kann bei dem dargestellten Tagesverlauf das Versorgungsstromnetz entlastet bzw. gleichmäßiger belastet werden, was eine kostengünstigere Auslegung und einen effektiveren Betrieb des Versorgungsstromnetzes unter Einsatz erneuerbarer Energien ermöglicht.
Ferner kann bei der Rückspeisung der elektrischen Energie in das Stromnetz während der Entladung 4 im Zeitraum zwischen t0 und eine hohe Rückspeisevergütung erzielbar sein, während die zur Aufladung 6 benötigte elektrische Energie zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 üblicherweise zu geringen Kosten zur Verfügung steht. Hierdurch ist ein besonders kostengünstiger Betrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeugs oder sogar ein Gewinn durch Ausnutzung entsprechender Preisdifferenzen zwischen Spitzen- und Nachtstrom möglich.
Bezugszeichenliste
1 Fahrtendeladezustand
2 Aufladung
3 Standphase
4 Entladung
5 Standphase
6 Aufladung
7 Fahrtbeginnladezustand
8 Fahrt
9 Zwischenladezustand
10 Standphase
1 1 Fahrt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Steuern des Ladezustands einer aus einem Versorgungsstromnetz aufladbaren Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, wobei nach Ende einer Fahrt (11 ) eine Entlademöglichkeit vor einer nächsten Fahrt (8) ermittelt wird, bei Bestehen einer Entlademöglichkeit eine Entladung (4) der Traktionsbatterie veranlasst wird und vor der nächsten Fahrt (8) eine Aufladung (6) aus dem Stromnetz derart gesteuert wird, dass vor Beginn der nächsten Fahrt (8) ein vorgegebener oder vorgebbarer Fahrtbeginnladezustand (7) erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entlademöglichkeit derart ermittelt wird, dass eine Entlademöglichkeit besteht, wenn ein nach Ende der Fahrt (11) vorhandener Fahrtendeladezustand (1) höher als ein vorgegebener oder vorgebbarer Standladezustand ist und die voraussichtliche Zeitdauer bis zum Beginn der nächsten Fahrt (8) größer als die voraussichtliche Ladedauer bis zur Erreichung des Fahrtbe- ginnladezustands (7) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer ausreichenden Zeitdauer bis zum Beginn der nächsten Fahrt (8) eine Entladung (4) bis auf einen Standladezustand erfolgt und eine Ladewartezeit bis zum Beginn der Aufladung (6) im Standladezustand eingehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Standladezustand 30% beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Standladezustand temperaturabhängig bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entladung (4) unter Rückspeisung elektrischer Energie der Traktionsbatterie in das Versorgungsstromnetz erfolgt.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rückspeisung in das Versorgungsstromnetz nur dann durchgeführt wird, wenn ein nach Ende der Fahrt vorhandener Fahrtendeladezustand (1) mindestens 60% beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entladung (4) nach einer Entladewartezeit erfolgt, die derart ermittelt wird, dass die Entladung (4) zumindest teilweise während eines Zeitraums hoher Belastung des Versorgungsstromnetzes erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aufladung (6) zumindest teilweise in einem Zeitraum niedriger Belastung und/oder niedriger Stromtarife des Versorgungsstromnetzes erfolgt.
10. Vorrichtung zum Steuern des Ladezustands einer aus einem Versorgungsstromnetz aufladbaren Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, umfassend eine Ladeeinrichtung zum Aufladen der Traktionsbatterie aus dem Versorgungsstromnetz
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
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