WO2020127231A1 - Verfahren zum betrieb eines kraftfahrzeuges - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a motor vehicle, wherein the motor vehicle comprises a high-voltage battery for providing a drive energy for the motor vehicle.
  • Motor vehicles that include a high-voltage battery to provide an operating energy for the motor vehicle are known per se and are increasingly being used as passenger vehicles. Such motor vehicles usually have an electric motor as the drive motor.
  • the high-voltage battery can be used to store the drive energy and / or to temporarily store the drive energy, for example in a vehicle with a fuel cell drive.
  • Such motor vehicles are mostly called electric or hybrid vehicles.
  • the high-voltage battery provides the energy for the electric drive train and thus for driving.
  • the internal resistance and thus the losses of the high-voltage battery depend on the temperature. Especially at low temperatures, the internal resistance of the high-voltage battery is higher, which leads to higher losses and thus to a lower range, especially in battery-electric vehicles.
  • a motor vehicle with a high-voltage battery often has a device for heating the high-voltage battery, for example by use of a PTC resistor (Positive Temperature Coefficient) and a water circuit.
  • a PTC resistor Positive Temperature Coefficient
  • the heating devices mentioned are used for heating a high-voltage battery.
  • the energy required to heat the high-voltage battery can in turn be taken from the high-voltage battery, but this again reduces the range of the motor vehicle.
  • the method should enable a motor vehicle with a still cold high-voltage battery to be operated efficiently.
  • the object is achieved by a method for operating a motor vehicle, the motor vehicle comprising a high-voltage battery for providing drive energy for the motor vehicle, the motor vehicle comprising an electric heating device for heating the high-voltage battery, the heating device being electrically fed by the high-voltage battery , wherein an optimal target temperature for the high-voltage battery is determined and the heating device is operated during a Fährbe operation of the motor vehicle so that the high-voltage battery the optimal target temperature is heated, the optimal target temperature being determined depending on the expected distance of the current ferry operation of the motor vehicle.
  • an optimal target temperature for the operation of the high-voltage battery is determined.
  • the determination of the target temperature is based on the conflict of objectives that, on the one hand, there is an energy requirement for heating the battery and, on the other hand, there is a reduction in battery losses due to the heated battery and thus through increased efficiency of the high-voltage battery due to the heating of the battery.
  • this conflict of objectives also depends on the distance that a driver wants to travel with the vehicle.
  • the invention therefore describes an operating strategy for operating a high-voltage battery, with optimal heating of the high-voltage battery being achieved by taking the expected distance of the current journey into account for solving a route.
  • the method is preferably carried out by a control device in the motor vehicle, in particular in a battery control device.
  • the heating device is preferably operated during a ferry operation of the motor vehicle in such a way that the high-voltage battery is heated to the optimum target temperature as quickly as possible.
  • the high-voltage battery is therefore heated to the target temperature immediately after the target temperature has been determined.
  • the optimal target temperature that is the optimal operating temperature for the high-voltage battery, is additionally determined depending on the current state of charge of the high-voltage battery.
  • the optimum target temperature is preferably also determined as a function of the current temperature, that is to say the actual temperature, of the high-voltage battery.
  • the optimal target temperature is preferably determined from a stored map.
  • the map can be, for example, a map that indicates the optimal target temperature for different driving distances for different current temperatures of the high-voltage battery.
  • the expected distance of the current ferry operation is preferably determined from a destination input in a navigation system.
  • a user of the motor vehicle preferably enters the desired destination in a navigation system at the start of a journey.
  • the expected distance of the current journey can then be determined by the navigation system and used as an input variable for determining the optimum target temperature or operating temperature of the high-voltage battery.
  • the distances of previous ferry operations of the motor vehicle can also be stored, preferably in a local memory in the motor vehicle, for example in a battery control device, and the expected distance of the current ferry operation can be determined depending on the stored distances of previous ferry operations.
  • the trips or ferry companies can each be saved with information about the day of the week and / or the time. For the current trip, the saved trips with a similar day of the week and / or a similar time can be used to infer the distance that is likely to be covered, in particular by a steady Statistical calculation based on several previous comparable trips.
  • the optimal target temperature can also be determined depending on the expected route of the current ferry operation of the motor vehicle, so that not only the distance but also the type of route to be expected - e.g. driving in the mountains, on the motorway, etc. - in the determination the optimal target temperature of the high-voltage battery.
  • the route to be expected can be determined by specifying a destination in a navigation system of the motor vehicle. Alternatively, the route to be expected can also be determined statistically from previous trips that have already been stored, in particular on a comparable day of the week and / or time.
  • the optimal target temperature is determined by calculating total energy requirements for energy from the high-voltage battery at several test temperatures of the high-voltage battery and then using that test temperature with the lowest total energy required as the target temperature.
  • the total energy requirements can include the energy required for heating the high-voltage battery and the energy requirement that is lost due to the poorer efficiency with a less heated high-voltage battery compared to a better-heated battery.
  • the calculation can be carried out, for example, with assumed test temperatures that increase from the current temperature of the high-voltage battery until the calculated total energy requirement of the high-voltage battery increases.
  • a motor vehicle can preferably be designed to carry out several of the aforementioned methods for determining the target temperature for the To be able to run high-voltage battery. In individual cases, the motor vehicle or a control unit in the motor vehicle can then determine which of the methods is used.
  • the expected distance of the current ferry operation can be determined, for example, from entering a destination in a navigation system if a destination is entered in a navigation system by a user. If such a destination is not entered in the navigation system, the expected distance of the current ferry company can be determined depending on the stored distances of previous ferry companies. If no stored distances are available, the target temperature of the high-voltage battery can be determined independently of the distance, in particular depending on the current temperature and the state of charge of the high-voltage battery, in particular by means of a stored map.
  • Fig. 1 is a diagram showing the range of a motor vehicle depending on a target battery temperature.
  • Fig. 2 is a diagram showing the efficiency depending on the target battery temperature and the distance to be driven.
  • 3 is a diagram showing a map of the battery
  • the target temperature depends on the initial battery temperature and the initial SOC.
  • the target temperature depends on the initial battery temperature and the expected driving distance.
  • Target temperature in one embodiment of a method according to the invention.
  • Fig. 6 is a graph showing a probability of
  • FIG. 7 is a flowchart of an embodiment of a method according to the invention, in which various methods for determining the target battery temperature are combined.
  • Fig. 1 is a diagram that the range R of a motor vehicle in
  • the internal resistance of batteries depends on the temperature. At low temperatures, the internal resistance and thus the losses are higher. This results in a loss of more usable energy and therefore one reduced range R of electrified, in particular battery-electric, vehicles.
  • a heating system for example a PTC with a water circuit, can be used to heat the battery and thus reduce internal resistance and thus losses. This results in a conflict of objectives between the energy required to heat the battery vs. Reduction of battery losses.
  • An operating strategy for a motor vehicle can be such that the battery is heated up to a defined temperature Tz.
  • the effect is shown in Fig. 1.
  • the resulting range R is thus dependent on the target temperature Tz of the battery.
  • There is an optimal target temperature for each driving distance D and each battery start temperature TA (cf. FIGS. 2 to 4). If the target temperature Tz is lower than the optimal temperature TZ, ORT, the disadvantage of high losses due to the high internal resistance of the battery outweighs. If the target temperature Tz is higher than the optimal temperature TZ, LOCAL, the disadvantage of the energy withdrawn for heating the battery prevails and the battery is still unnecessarily heated without further improvement of the losses. At the optimal temperature TZ, ORT, the energy consumption through the heating system and the reduction of the internal battery resistance leads to optimal efficiency.
  • FIG. 2 is a diagram that shows the efficiency E as a function of the target battery temperature Tz and the distance D to be traveled (short distance DK, long distance DL).
  • Fig. 2 shows schematically the system efficiency E as a function of the distance to be traveled, distance D.
  • Tz optimal target temperature
  • OPT at least the initial battery temperature TA and the distance D to be traveled - that is the expected distance of the current ferry operation - and optionally the route profile of the distance D to be traveled - that is the expected route of the current ferry operation.
  • the operating strategy for optimal battery conditioning is different, for example, whether a driver only drives his short daily commute through town or a long weekend trip on the highway.
  • the initial battery temperature TA at vehicle start is a known quantity.
  • the route D or the driving profile is an unknown quantity.
  • a general operating strategy cannot therefore only be defined as a function of the initial battery temperature TA.
  • the invention therefore also allows the distance D and optionally the route profile to be incorporated into the operating strategy.
  • FIG. 3 is a diagram that shows a map of the target battery temperature Tz as a function of the initial battery temperature TA and for different initial charge states, that is to say initial SOCs, SOCAI, SOCA 2, SOCA3.
  • the operating strategy for heating the high-voltage battery can determine the target temperature Tz depending on the initial battery temperature T A and the initial battery state of charge SOC A, for example for certain states of charge SOC AI, SOC A2, SOC A3 .
  • this is determined only as a function of the initial battery temperature T A and the initial state of charge SOC A , so that the distance D is not taken into account.
  • a target battery temperature Tz can be calculated by a map that defines dependencies on the initial battery temperature TA and the initial state of charge SOC A.
  • the maps are optimized offline and stored as a map in a control device in the vehicle.
  • FIG. 4 is a diagram that shows a map of the target battery temperature Tz as a function of the initial battery temperature T A and the driving distance D to be expected. The characteristic curves are shown for different driving distances Di, D2, D3.
  • a target temperature Tz this is calculated as a function of navigation information, namely the planned distance D.
  • the target temperature Tz can be determined “offline” using a map that has been previously defined and saved.
  • a target battery temperature Tz is defined by a 2-D map as a function of the initial battery temperature T A and the driving distance D to be expected from the navigation system.
  • the maps are optimized offline and saved as a map in the motor vehicle, in particular in a control unit.
  • the battery target temperature Tz can also be determined “online”, that is to say as a current calculation after the destination has been entered, in particular if not only the distance D but also the distance to be expected is to be taken into account.
  • This method represents variant B2 of determining the target battery temperature Tz.
  • 5 shows a flow chart for determining the target battery temperature Tz in one embodiment of a method according to the invention, according to variant B2.
  • the information from the navigation system can be used for more precise calculations and for online optimization of the ideal target battery temperature Tz.
  • the navigation system provides route information, such as expected speed, gradient profile, and type of road.
  • a backward calculation can be used to determine the power requirement for the battery from the route information using a simplified model for calculating the power requirement of the vehicle.
  • the battery temperature can be estimated using a simplified battery model - in particular using the power loss depending on the battery temperature and expected power, as well as on the thermal mass.
  • the energy balances or energy requirements Ei are then calculated for different target battery temperatures Tz, and the optimum target temperature TZ, LOCAL at which the overall system efficiency (battery + heating energy) is optimal or the egg energy requirement is lowest.
  • the energy balance Eo or the total energy requirement is therefore first determined for the current starting temperature TA of the battery and then after this determination is repeated with a gradual increase in the target temperature until the calculated energy requirement Ei increases instead of decreases falls. Then the target temperature Tz calculated immediately before is used to heat the high-voltage battery accordingly.
  • FIG. 6 shows a variant C for determining the target battery temperature Tz using statistics.
  • Fig. 6 shows a distribution of the probability P of driving distances D.
  • the basis for this heating strategy according to variant C is the statistical recording of the driving distances D of previous trips. Every trip is saved, for example with the day of the week, time of start of the trip, distance traveled, date. A trip can be defined as an event between a vehicle start up until the vehicle is parked. To reduce the amount of data, entries that are older than a specified period of time are preferably deleted.
  • the current time and day of the week are analyzed when the vehicle starts. All trip entries that correlate with this information are analyzed. Here, the distance covered of all these applicable trips and the probability P for such a trip are analyzed.
  • the driving distance D with the highest probability P is then taken as a reference.
  • This distance D serves as an input variable for the method described in variant B1.
  • Fig. 7 is a flowchart of an embodiment of a method according to the invention, wherein different methods or variants for determining the target battery temperature Tz are combined.
  • the different variants can be prioritized as follows (see Fig. 7):
  • Priority 1 PI The driver enters a destination in the navigation system. Consequence: Variant B - B1 or B2 - is used.
  • Priority 2 P2 Otherwise, if there are previous trips in the database at a similar start time and / or the same day of the week: Variant C is used.
  • a method according to the invention for operating the motor vehicle comprises heating the high-voltage battery to an optimal target temperature, the optimum target temperature being determined as a function of the expected distance of the current driving operation of the motor vehicle.

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Abstract

Ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges, wobei das Kraftfahrzeu- ge eine Hochvoltbatterie zur Bereitstellung einer Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug umfasst, wobei das Kraftfahrzeug eine elektrische Heizein- richtung zum Heizen der Hochvoltbatterie umfasst, wobei die Heizeinrich- tung von der Hochvoltbatterie elektrisch gespeist wird, wobei eine optima- le Zieltemperatur (TZ) für die Hochvoltbatterie bestimmt wird und die Heiz- einrichtung während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs so betrieben wird, dass die Hochvoltbatterie auf die optimale Zieltemperatur (TZ) geheizt wird, wobei die optimale Zieltemperatur (TZ) abhängig von der zu erwar- tenden Distanz (D) des aktuellen Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs be- stimmt wird.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraft fahrzeuges, wobei das Kraftfahrzeuge eine Hochvoltbatterie zur Bereitstel lung einer Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug umfasst.
Stand der Technik
Kraftfahrzeuge, die eine Hochvoltbatterie zur Bereitstellung einer An triebsenergie für das Kraftfahrzeug umfassen, sind an sich bekannt und werden zunehmend als PKWs zum Personentransport eingesetzt. Derartige Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise einen Elektromotor als Antriebsmotor auf. Die Hochvoltbatterie kann zur Speicherung der Antriebsenergie und/oder zur Zwischenspeicherung der Antriebsenergie dienen, beispiels weise in einem Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb. Solche Kraftfahrzeu ge werden meist Elektro- oder Hybridfahrzeuge genannt.
Die Hochvoltbatterie stellt die Energie für den elektrischen Antriebsstrang und damit für das Fahren bereit. Der Innenwiderstand und damit die Verluste der Hochvoltbatterie sind abhängig von der Temperatur. Gerade bei niedrigen Temperaturen ist der Innenwiderstand der Hochvoltbatterie höher, was zu höheren Verlusten und damit zu einer niedrigeren Reich weite, insbesondere bei batterieelektrischen Fahrzeugen, führt.
Des Weiteren besitzt ein Kraftfahrzeug mit einer Hochvoltbatterie oft eine Einrichtung zum Heizen der Hochvoltbatterie, beispielsweise unter Ver- wendung eines PTC-Widerstands (Positive Temperature Coefficient) und eines Wasserkreislaufs.
Bei derartigen Kraftfahrzeugen ist es problematisch, wenn das Kraftfahr zeug mit kalter Batterie gestartet und losgefahren wird, da eine Hochvolt batterie bei niedrigen Betriebstemperaturen einen schlechten Wirkungs grad hat und somit ineffizient arbeitet. Daher werden die erwähnten Heiz vorrichtungen zum Heizen einer Hochvoltbatterie verwendet. Bei Verwen dung einer elektrischen Heizeinrichtung, kann die Energie, die zum Hei zen der Hochvoltbatterie benötigt wird, wiederum der Hochvoltbatterie entnommen werden, wodurch aber wieder die Reichweite des Kraftfahr zeugs reduziert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Kraft fahrzeuges, wobei das Kraftfahrzeuge eine Hochvoltbatterie zur Bereitstel lung einer Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug umfasst, anzugeben, dass die oben angegebenen Probleme reduziert. Insbesondere soll das Verfahren ermöglichen ein Kraftfahrzeug mit einer noch kalten Hochvolt batterie effizient zu betreiben.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges, wobei das Kraftfahrzeuge eine Hochvoltbatterie zur Be reitstellung einer Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug umfasst, wobei das Kraftfahrzeug eine elektrische Heizeinrichtung zum Heizen der Hoch voltbatterie umfasst, wobei die Heizeinrichtung von der Hochvoltbatterie elektrisch gespeist wird, wobei eine optimale Zieltemperatur für die Hoch voltbatterie bestimmt wird und die Heizeinrichtung während eines Fährbe triebs des Kraftfahrzeugs so betrieben wird, dass die Hochvoltbatterie auf die optimale Zieltemperatur geheizt wird, wobei die optimale Zieltempera tur abhängig von der zu erwartenden Distanz des aktuellen Fährbetriebs des Kraftfahrzeugs bestimmt wird.
Erfindungsgemäß wird eine optimale Zieltemperatur für den Betrieb der Hochvoltbatterie bestimmt. Die Bestimmung der Zieltemperatur geht von dem Zielkonflikt aus, dass einerseits ein Energiebedarf zum Heizen der Batterie besteht und andererseits durch das Heizen der Batterie eine Re duktion der Batterieverluste durch die erwärmte Batterie und somit durch erhöhten Wirkungsgrad der Hochvoltbatterie besteht. Dieser Zielkonflikt weist aber zusätzlich eine Abhängigkeit auf von der Distanz, die ein Fah rer mit dem Fahrzeug zurücklegen will. Die Erfindung beschreibt daher eine Betriebsstrategie zum Betrieb einer Hochvoltbatterie, wobei zur Ab solvierung einer Fahrtstrecke ein optimales Heizen der Hochvoltbatterie durch Berücksichtigung der voraussichtlichen Distanz der aktuellen Fahrt erreicht wird.
Das Verfahren wird bevorzugt von einem Steuergerät im Kraftfahrzeug ausgeführt, insbesondere in einer Batteriesteuerungsvorrichtung.
Die Heizeinrichtung wird während eines Fährbetriebs des Kraftfahrzeugs bevorzugt so betrieben, dass die Hochvoltbatterie möglichst rasch auf die optimale Zieltemperatur geheizt wird. Die Hochvoltbatterie wird also gleich nach der Bestimmung der Zieltemperatur sofort auf die Zieltemperatur geheizt.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben. Vorzugsweise wird die optimale Zieltemperatur, also die optimale Betriebs temperatur für die Hochvoltbatterie, zusätzlich abhängig vom aktuellen Ladezustand der Hochvoltbatterie bestimmt.
Bevorzugt wird die optimale Zieltemperatur auch abhängig von der aktuel len Temperatur, also der Ist-Temperatur, der Hochvoltbatterie bestimmt.
Bevorzugt wird die optimale Zieltemperatur aus einem gespeicherten Kennfeld bestimmt. Das Kennfeld kann beispielsweise ein Kennfeld sein, dass für verschiedene aktuelle Temperaturen der Hochvoltbatterie die optimale Zieltemperatur für unterschiedliche Fahrdistanzen angibt.
Vorzugsweise wird die zu erwartenden Distanz des aktuellen Fährbetriebs aus einer Zieleingabe in einem Navigationssystem bestimmt. Ein Benutzer des Kraftfahrzeugs gibt bevorzugt am Anfang einer Fahrt das gewünschte Fahrtziel in einem Navigationssystem ein. Von dem Navigationssystem kann dann die voraussichtliche Distanz der aktuellen Fahrt bestimmt werden und als Eingangsgröße zur Bestimmung der optimalen Zieltempe ratur bzw. Betriebstemperatur der Hochvoltbatterie verwendet werden.
Es können auch die Distanzen vorhergehender Fährbetriebe des Kraft fahrzeugs abgespeichert werden, bevorzugt in einem lokalen Speicher im Kraftfahrzeug, beispielsweise in einer Batteriesteuerungsvorrichtung, und die zu erwartenden Distanz des aktuellen Fährbetriebs abhängig von den gespeicherten Distanzen vorhergehender Fährbetriebe bestimmt werden. Die Fahrten bzw. Fährbetriebe können jeweils mit einer Information über den betreffenden Wochentag und/oder die Uhrzeit abgespeichert werden. Für die aktuelle Fahrt kann aus den abgespeicherten Fahrten mit ähnli chem Wochentag und/oder ähnlicher Uhrzeit auf die voraussichtlich zu rückzulegende Distanz geschlossen werden, insbesondere durch eine sta- tistische Berechnung auf Basis mehrerer vorangehender vergleichbarer Fahrten.
Die optimale Zieltemperatur kann auch zusätzlich abhängig von der zu erwartenden Strecke des aktuellen Fährbetriebs des Kraftfahrzeugs be stimmt werden, so dass nicht blos die Distanz sondern auch die Art der zu erwartenden Strecke - beispielsweise Fahrt im Gebirge, auf der Autobahn, etc - in die Bestimmung der optimalen Zieltemperatur der Hochvoltbatte rie eingeht. Die zu erwartende Strecke kann durch eine Zielvorgabe in ein Navigationssystem des Kraftfahrzeugs bestimmt werden. Alternativ kann die zu erwartende Strecke auch statistisch, aus vorangehenden bereits abgespeicherten Fahrten, insbesondere an vergleichbarem Wochentag und/oder Uhrzeit, bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird die optimale Zieltemperatur dadurch bestimmt, dass Gesamtenergiebedarfe für Energie von der Hochvoltbatte rie bei mehreren Testtemperaturen der Hochvoltbatterie berechnet werden und danach diejenige Testtemperatur mit dem geringsten Gesamtenergie bedarf als Zieltemperatur verwendet wird. Die Gesamtenergiebedarfe kön nen umfassen den Energiebedarf, der für das Erwärmen der Hochvoltbat terie benötigt wird und den Energiebedarf der aufgrund des schlechteren Wirkungsgrades bei einer weniger erwärmten Hochvoltbatterie im Ver gleich zu einer besser erwärmten Batterie verloren geht. Die Berechnung kann beispielsweise mit ab der aktuellen Temperatur der Hochvoltbatterie jeweils steigenden angenommenen Testtemperaturen durchgeführt wer den, solange bis der berechnete Gesamtenergiebedarf der Hochvoltbatterie zunimmt.
Ein Kraftfahrzeug kann bevorzugt dazu ausgebildet sein, mehrere der zuvor genannten Methoden zur Bestimmung der Zieltemperatur für die Hochvoltbatterie ausführen zu können. Im Einzelfall kann dann vom Kraftfahrzeug, bzw. von einem Steuergerät im Kraftfahrzeug, festgelegt werden, welche der Methoden angewandt wird.
Die zu erwartende Distanz des aktuellen Fährbetriebs kann beispielsweise aus einer Zieleingabe in einem Navigationssystem bestimmt werden, falls eine Zieleingabe in einem Navigationssystem durch einen Benutzer erfolgt. Falls eine derartige Zieleingabe in dem Navigationssystem nicht erfolgt, kann die zu erwartenden Distanz des aktuellen Fährbetriebs abhängig von den gespeicherten Distanzen vorhergehender Fährbetriebe bestimmt wer den. Falls keine gespeicherten Distanzen zur Verfügung stehen, kann eine Bestimmung der Zieltemperatur der Hochvoltbatterie unabhängig von der Distanz, insbesondere abhängig von der aktuellen Temperatur und dem Ladezustand der Hochvoltbatterie durchgeführt werden, insbesondere mittels eines abgespeicherten Kennfeldes.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist ein Diagramm, dass die Reichweite eines Kraftfahr zeugs in Abhängigkeit einer Batterie-Zieltemperatur darstellt.
Fig. 2 ist ein Diagramm, dass die Effizienz in Abhängigkeit der Batterie-Zieltemperatur und der zu fahrenden Dis tanz darstellt. Fig. 3 ist ein Diagramm, dass ein Kennfeld der Batterie-
Zieltemperatur abhängig von Batterie- Anfangstemperatur und Anfangs-SOC darstellt.
Fig. 4 ist ein Diagramm, dass ein Kennfeld der Batterie-
Zieltemperatur abhängig von der Batterie- Anfangstemperatur und der zu erwartenden Fahrdis tanz darstellt.
Fig. 5 ist ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung der Batterie-
Zieltemperatur in einer Ausführungsform eines erfin dungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 6 ist ein Diagramm, dass eine Wahrscheinlichkeit von
Fahrdistanzen darstellt.
Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei verschiedene Verfahren zur Ermittlung der Batterie-Zieltemperatur kombiniert werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 ist ein Diagramm, dass die Reichweite R eines Kraftfahrzeugs in
Abhängigkeit einer Batterie-Zieltemperatur Tz darstellt.
Der Innenwiderstand von Batterien ist abhängig von der Temperatur. Bei niedrigen Temperaturen sind der Innenwiderstand und damit die Verluste höher. Daher resultiert ein Verlust an nutzbarerer Energie und damit eine reduzierte Reichweite R von elektrifizierten, insbesondere batterie elektrischen, Fahrzeugen.
Ein Heizsystem, zum Beispiel ein PTC mit einem Wasserkreislauf, kann verwendetet werden, um die Batterie zu heizen und damit den Innenwi derstand und somit die Verluste zu reduzieren. Es ergibt sich somit ein Zielkonflikt zwischen benötigter Energie zum Heizen der Batterie vs. Re duktion der Verluste in der Batterie.
Eine Betriebsstrategie für ein Kraftfahrzeug kann so aussehen, dass die Batterie bis zu einer definierten Temperatur Tz geheizt wird. Die Auswir kung ist in Fig. 1 gezeigt. Die resultierende Reichweite R ist somit abhän gig von der Zieltemperatur Tz der Batterie. Für jede Fahrdistanz D und jede Batterie-Starttemperatur TA existiert eine optimale Zieltemperatur (vgl. Fig. 2 bis 4). Ist die Zieltemperatur Tz geringer als die optimale Tem peratur TZ,ORT, überwiegt der Nachteil der hohen Verluste durch den ho hen Innenwiderstand der Batterie. Ist die Zieltemperatur Tz höher als die optimale Temperatur TZ,ORT, überwiegt der Nachteil der entnommenen Energie zum Heizen der Batterie und die Batterie wird ohne weitere Ver besserung der Verluste weiterhin unnötig geheizt. Bei der optimalen Tem peratur TZ,ORT führt die Energieentnahme durch das Heizsystem und die Reduktion der Batterie-Innenwiderstände zu einer optimalen Effizienz.
Fig. 2 ist ein Diagramm, dass die Effizienz E in Abhängigkeit der Batterie- Zieltemperatur Tz und der zu fahrenden Distanz D (kurze Distanz DK, lange Distanz DL) darstellt.
Fig. 2 zeigt schematisch die Systemeffizienz E in Abhängigkeit der zu fah renden Strecke, Distanz D. Es gibt mehrere Einflussgrößen auf die opti male Zieltemperatur Tz, OPT: zumindest die Anfangs-Batterietemperatur TA und die zu fahrende Distanz D - also die zu erwartende Distanz des aktu ellen Fährbetriebs - und optional das Streckenprofil der zu fahrenden Distanz D - also die zu erwartenden Strecke des aktuellen Fährbetriebs.
So ist die Betriebsstrategie für die optimale Batterie-Konditionierung un terschiedlich, ob ein Fahrer beispielsweise nur seinen kurzen täglichen Arbeitsweg durch die Stadt oder einen längeren Wochenendausflug auf der Autobahn fährt. Die Anfangs-Batterietemperatur TA bei Fahrzeugstart ist eine bekannte Größe. Die Strecke D bzw. das Fahrprofil ist eine unbe kannte Größe. Es kann somit nicht eine generelle Betriebsstrategie nur in Abhängigkeit der Anfangs-Batterietemperatur TA definiert werden. Die Erfindung läßt daher auch die Distanz D und optional das Streckenprofil in die Betriebsstrategie mit einfließen.
Fig. 3 ist ein Diagramm, dass ein Kennfeld der Batterie-Zieltemperatur Tz abhängig von der Batterie-Anfangstemperatur TA und für verschiedene Anfangs- Ladezustände, also Anfangs-SOCs, SOCAI, SOCA2, SOCA3 dar stellt.
Die Betriebsstrategie zum Heizen der Hochvoltbatterie kann die Zieltempe ratur Tz abhängig von der Batterie-Anfangstemperatur TA und dem Batte- rie-Anfangs-Ladezustand SOCA, zum Beispiel für bestimmte Ladezustände SOCAI, SOCA2, SOCA3, ermitteln. In einer Variante A der Ermittlung der Zieltemperatur Tz wird diese nur abhängig von der Batterie-Anfangs temperatur TA und dem Batterie-Anfangs-Ladezustand SOCA ermittelt, so dass die Distanz D nicht berücksichtigt wird.
Eine Batterie-Zieltemperatur Tz kann durch ein Kennfeld berechnet wer den, dass Abhängigkeiten von der Batterie-Anfangstemperatur TA und dem Batterie-Anfangs-Ladezustand SOCA definiert. Die Kennfelder werden offline optimiert und als Kennfeld in einer Steuervorrichtung im Kraftfahr zeug gespeichert.
Fig. 4 ist ein Diagramm, dass ein Kennfeld der Batterie-Zieltemperatur Tz abhängig von der Batterie-Anfangstemperatur TA und der zu erwartenden Fahrdistanz D darstellt. Die Kennlinien sind für verschiedene Fahrdistan zen Di, D2, D3 dargestellt.
In einer Variante B 1 der Ermittlung der Zieltemperatur Tz wird diese ab hängig von Navigations-Informationen, nämlich der geplanten Distanz D, berechnet. Die Ermittlung der Zieltemperatur Tz kann„offline“ erfolgen, über ein zuvor festgelegtes und abgespeichertes Kennfeld.
Die effizienteste Möglichkeit zur Ermittlung der zu erwartenden Distanz D ist die Verwendung von Navigationsdaten, wenn der Fahrer sein Fahrziel in ein Navigationssystem eingibt. Aus dem Navigationssystem kann somit die erwartete Fahr-Distanz D erhalten werden. Es wird eine Batterie- Zieltemperatur Tz durch ein 2-D Kennfeld abhängig von der Batterie- Anfangstemperatur TA und der zu erwartenden Fahrdistanz D, aus dem Navigationssystem, definiert. Die Kennfelder werden offline optimiert und als Kennfeld im Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Steuergerät, gespei chert.
Die Ermittlung der Batterie-Zieltemperatur Tz kann auch„online“ erfolgen, also als aktuelle Berechnung nach der Zieleingabe, insbesondere wenn nicht nur die Distanz D, sondern auch die zu erwartende Strecke berück sichtigt werden soll. Diese Methode stellt die Variante B2 der Ermittlung der Batterie-Zieltemperatur Tz dar. Fig. 5 stellt ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung der Batterie- Zieltemperatur Tz in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens dar, nach Variante B2.
In Erweiterung der Variante B l können die Informationen des Navigati- onssystemes für genauere Berechnungen und für eine Online- Optimierung der idealen Batterie-Zieltemperatur Tz verwendet werden. Hierfür stellt das Navigationssystem Streckeninformationen bereit, wie erwartete Geschwindigkeit, Steigungsprofil, Straßentyp. Über eine Rück wärtsberechnung kann aus den Streckeninformationen mit einem verein fachten Modell zur Berechnung des Leistungsbedarfes des Fahrzeuges der Leistungsbedarf an der Batterie ermittelt werden. Anhand des Leistungs bedarfes der Batterie kann mittels eines vereinfachten Batteriemodelles - insbesondere unter Verwendung des Leistungsverlusts abhängig von der Batterietemperatur und zu erwartender Leistung, sowie von der thermi sche Masse - die Batterietemperatur abgeschätzt werden. Zum Zeitpunkt des Fahrzeug- Starts bzw. nach der Zieleingabe werden dann die Energie bilanzen bzw. Energiebedarfe Ei für verschiedenen Batterie- Zieltemperaturen Tz berechnet, und jene optimale Zieltemperatur TZ,ORT bei welcher die gesamte Systemeffizienz (Batterie + Heiz- Energie) optimal bzw. der Energiebedarf Ei am geringsten ist.
Im Ablaufdiagramm Fig. 5 sind die folgenden Verfahrensschritte und übergebene Informationen dargestellt:
1 Eingabe des Ziels im Navigationssystem
2 Information über Strecke
3 Berechnung Leistungsbedarf der Hochvoltbatterie
4 Leistungsbedarf der Hochvoltbatterie
5 Berechnung Effizienzbilanz, also Energiebedarf, ohne Heizung 6 Ziel-Temperatur To
7 Initiale Ziel-Temperatur = Initiale Batterietemperatur = Batterie- Anfangstemperatur TA
8 Energie Eo
9 Iteration: Erhöhung der Ziel-Temperatur
10 Ziel-Temperatur Ti
1 1 Berechnung Effizienzbilanz, also Energiebedarf, mit Heizen
12 Energie Ei
13 Ei < E(i-i)
14 Optimale Ziel-Temperatur TZ,ORT = T(i-i)
15 Iteration und Erhöhung der Zieltemperatur Tz
y Yes, Ja
n No, Nein
Nach der Eingabe des Ziels im Navigationssystem durch den Benutzer wird daher zunächst für die aktuelle Ausgangstemperatur TA der Batterie die Energiebilanz Eo bzw. der gesamte Energiebedarf bestimmt und da nach diese Bestimmung mit schrittweiser Erhöhung der Zieltemperatur wiederholt, solange bis der berechnete Energiebedarf Ei ansteigt statt ab fällt. Dann wird die unmittelbar zuvor berechnete Zieltemperatur Tz ver wendet, um die Hochvoltbatterie dementsprechend aufzuheizen.
Fig. 6 zeigt eine Variante C zur Ermittlung der Batterie-Zieltemperatur Tz unter Verwendung einer Statistik.
Fig. 6 stellt eine Verteilung der Wahrscheinlichkeit P von Fahrdistanzen D dar. Basis für diese Heizstrategie nach Variante C ist die statistische Er fassung der Fahrdistanzen D vorheriger Fahrten. Dabei wird jede Fahrt, zum Beispiel mit Wochentag, Uhrzeit Fahrtstart, zurückgelegte Fahrdis tanzen, Datum, gespeichert. Eine Fahrt kann definiert sein als Ereignis zwischen einem Fahrzeug- Start bis zum Fahrzeug- Abstellen. Um die Da tenmenge zu reduzieren, werden Einträge die älter als ein vorgegebener Zeitraum sind bevorzugt gelöscht.
Für die Auswertung werden bei Fahrzeugstart die aktuelle Uhrzeit und der Wochentag analysiert. Alle Fahrt- Einträge, die mit dieser Angabe korrelie ren, werden analysiert. Hierbei werden die zurückgelegte Distanz aller dieser zutreffenden Fahrten und die Wahrscheinlichkeit P für eine derarti ge Fahrt analysiert.
Die Fahrdistanz D mit der höchsten Wahrscheinlichkeit P wird anschlie ßend als Referenz genommen. Diese Distanz D dient als Eingangsgröße für das in Variante B l beschriebene Verfahren.
Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsge mäßen Verfahrens, wobei verschiedene Verfahren bzw. Varianten zur Er mittlung der Batterie-Zieltemperatur Tz kombiniert werden.
Abhängig von Fahrereinstellungen können die verschiedenen Varianten wie folgt priorisiert werden (siehe Fig. 7) :
Priorität 1 PI : Der Fahrer gibt ein Ziel im Navigationssystem ein. Folge: Variante B - B l oder B2 - wird verwendet.
Priorität 2 P2: Andernfalls, falls es in der Datenbank vorherige Fahrten zu einer ähnlichen Startzeit und/oder gleichem Wochentag tag: Variante C wird verwendet.
Priorität 3 P3: Andernfalls, wird Variante A eingesetzt.
In Fig. 7 sind folgende Verfahrensschritte und Informationen dargestellt: 71 Fahrzeugstart
72 Überprüfung Datensätze vergangener Fahrten
73 Daten vorhanden?
74 Variante A, Kennfeld nach Fig. 3 verwendet
75 Auswahl
76 Batterie-Zieltemperatur Tz
77 Heizen der Hochvoltbatterie bis die Zieltemperatur Tz erreicht ist.
78 Statistische Auswertung der erwarteten Fahrdistanz
79 Variante C, Kennfeld nach Fig. 4 verwendet
80 Fahrer/ Benutzer gibt Ziel in Navigationssystem ein
81 Optimierungsverfahren
82 Variante B l - Ermittlung Distanz D aus Navigationssystem
83 Variante B2 - Online Optimierung, nach Fig. 5
01 Offline Berechnung
02 Online Berechnung
Zusammengefasst kann festgehalten werden, dass die Reichweite einer Hochvoltbatterie bzw. eines mit dessen Energie betriebenen Kraftfahr zeugs vergrößert werden kann, wenn die zunächst kalte Batterie zumin dest anfangs zusätzlich aufgeheizt wird bzw. im Betrieb schneller warm wird. Dies auch dann, wenn diese zusätzliche Heizenergie direkt aus der selben Batterie entnommen wird. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb des Kraftfahrzeugs umfasst, dass die Hochvoltbatterie auf eine optimale Zieltemperatur geheizt wird, wobei die optimale Zieltemperatur abhängig von der zu erwartenden Distanz des aktuellen Fährbetriebs des Kraftfahrzeugs bestimmt wird. Bezugszeichenliste
D Distanz
Di erste Distanz
D2 zweite Distanz
D3 dritte Distanz
DK kurze Distanz
DL lange Distanz
E Effizienz
Ei Energiebedarfe
NBat Nachteil: Batterieverluste aufgrund Wirkungsgrad
NHeiz Nachteil: Verluste aufgrund Heizenergie
P Wahrscheinlichkeit
R Reichweite
SOCA Anfangs- Ladezu stand Hochvoltbatterie
SOCAI erster Anfangs- Ladezu stand Hochvoltbatterie
SOCA2 zweiter Anfangs- Ladezu stand Hochvoltbatterie
SOCAS dritter Anfangs- Ladezu stand Hochvoltbatterie
Tz Zieltemperatur der Hochvoltbatterie
TZ,ORT Optimale Zieltemperatur der Hochvoltbatterie
TA Anfangstemperatur/ aktuelle Temperatur der Hoch voltbatterie
1 Eingabe des Ziels im Navigationssystem
2 Information über Strecke
3 Berechnung Leistungsbedarf der Hochvoltbatterie
4 Leistungsbedarf der Hochvoltbatterie
5 Berechnung Effizienzbilanz, also Energiebedarf, ohne
Heizung
6 Ziel-Temperatur TO
7 Initiale Ziel-Temperatur = Initiale Batterietemperatur =
Batterie-Anfangstemperatur TA
8 Energie EO
9 Iteration: Erhöhung der Ziel-Temperatur
10 Ziel-Temperatur Ti
1 1 Berechnung Effizienzbilanz, also Energiebedarf, mit
Heizen
12 Energie Ei
13 Ei < E(i- l) 14 Optimale Ziel-Temperatur TZ,ORT = T(i- l)
15 Iteration und Erhöhung der Zieltemperatur TZ y Yes, Ja
n No, Nein
P 1 Priorität 1
P2 Priorität 2
P3 Priorität 3
71 Fahrzeugstart
72 Überprüfung Datensätze vergangener Fahrten
73 Daten vorhanden?
74 Variante A, Kennfeld nach Fig. 3 verwendet
75 Auswahl
76 Batterie-Zieltemperatur TZ
77 Heizen der Hochvoltbatterie bis die Zieltemperatur TZ erreicht ist.
78 Statistische Auswertung der erwarteten Fahrdistanz
79 Variante C, Kennfeld nach Fig. 4 verwendet
80 Fahrer/ Benutzer gibt Ziel in Navigationssystem ein 81 Optimierungsverfahren
82 Variante B l - Ermittlung Distanz D aus Navigations system
83 Variante B2 - Online Optimierung, nach Fig. 5
O l Offline Berechnung
02 Online Berechnung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges, wobei das Kraftfahr zeuge eine Hochvoltbatterie zur Bereitstellung einer Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug umfasst, wobei das Kraftfahrzeug eine elektri sche Heizeinrichtung zum Heizen der Hochvoltbatterie umfasst, wo bei die Heizeinrichtung von der Hochvoltbatterie elektrisch gespeist wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine opti male Zieltemperatur (Tz) für die Hochvoltbatterie bestimmt wird und die Heizeinrichtung während eines Fährbetriebs des Kraftfahrzeugs so betrieben wird, dass die Hochvoltbatterie auf die optimale Ziel temperatur (Tz) geheizt wird, wobei die optimale Zieltemperatur (Tz) abhängig von der zu erwartenden Distanz (D) des aktuellen Fährbe triebs des Kraftfahrzeugs bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die optima le Zieltemperatur (Tz) zusätzlich abhängig vom aktuellen Ladezu stand (SOC) der Hochvoltbatterie bestimmt wird.
3. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die optima le Zieltemperatur (Tz) zusätzlich abhängig von der aktuellen Tempe ratur (TA) der Hochvoltbatterie bestimmt wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die optima le Zieltemperatur (Tz) aus einem gespeicherten Kennfeld bestimmt wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zu er wartenden Distanz (D) des aktuellen Fährbetriebs aus einer Zielein gabe in einem Navigationssystem bestimmt wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Distan zen vorhergehender Fährbetriebe abgespeichert sind und die zu er wartenden Distanz (D) des aktuellen Fährbetriebs abhängig von den gespeicherten Distanzen vorhergehender Fährbetriebe bestimmt wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die optima le Zieltemperatur (Tz) zusätzlich abhängig von der zu erwartenden Strecke des aktuellen Fährbetriebs des Kraftfahrzeugs bestimmt wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die optima le Zieltemperatur (Tz) dadurch bestimmt wird, dass Gesamtenergie- bedarfe (Ei) für Energie von der Hochvoltbatterie bei mehreren Test temperaturen (Ti) der Hochvoltbatterie berechnet werden und da nach diejenige Testtemperatur (Ti) mit dem geringsten Gesamtener giebedarf (Ei) als Zieltemperatur (Tz) verwendet wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zu er wartenden Distanz (D) des aktuellen Fährbetriebs aus einer Zielein gabe in einem Navigationssystem bestimmt wird, falls eine Zielein- gäbe in einem Navigationssystem durch einen Benutzer erfolgt und dass die zu erwartenden Distanz (D) des aktuellen Fährbetriebs an dernfalls abhängig von den gespeicherten Distanzen vorhergehender Fährbetriebe bestimmt wird.
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