-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft die Verwendung von elektrischen Energiespeichern zum Antrieb und insbesondere Mechanismen zur Modifikation von Betriebsparametern zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Traktions-Akkumulatoren.
-
Stand der Technik
-
Kommerziell erhältlich sind zahlreiche Modelle elektrisch betriebener Kraftfahrzeuge, die mittels eines Traktions-Akkumulators betrieben werden. Traktions-Akkumulatoren werden in Hybridfahrzeugen sowie in Elektro-Fahrzeugen verwendet, um das Fahrzeug zu beschleunigen. Dies erfordert eine hohe Abgabeleistung der Traktions-Akkumulatoren, insbesondere im Rahmen der Verkehrssicherheit bei Verkehrssituationen, die eine starke Beschleunigung erfordern. Um eine zuverlässige hohe elektrische Leistungsabgabe vorzusehen, stehen zahlreiche Ansätze, die durch Struktur und Zusammensetzung des Traktions-Akkumulators eine hohe elektrische Abgabeleistung bieten.
-
Dennoch hängt bei zahlreichen Batterietypen die Abgabeleistung von einigen Betriebsparametern ab, wodurch bei einigen Betriebsparameterkonstellationen, insbesondere bei geringen Temperaturen, die Abgabeleistung verringert ist, wodurch die Zuverlässigkeit ebenso verringert wird. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Mechanismus vorzusehen, mit dem sich die Verfügbarkeit von Traktions-Akkumulatoren erhöhen lässt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 7.
-
Es wurde erfindungsgemäß erkannt, dass eine wesentliche Einschränkung der Leistungsabgabe eintritt, wenn insbesondere bei Lithium-Ionenakkumulatoren mit Festelektrolyten diese bei geringen Temperaturen betrieben werden. Insbesondere lassen sich auf Grund der verringerten Ionenleitfähigkeit nur reduzierte Leistungsmengen abrufen. Es wurde erkannt, dass insbesondere in einer Fahrbeginn-Phase dies zu kritischen Verkehrssituationen führen kann, wenn beispielsweise ein Traktions-Akkumulator mit verringerter Leistung ein Fahrzeug stark beschleunigen soll, um das Fahrzeug der Verkehrssituation anzupassen.
-
Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept ist es, einen Fahrbeginn-Zeitpunkt vorzusehen, der einem geplanten Fahrantritt entspricht, und den Traktions-Akkumulator gemäß einem Temperaturanstieg zu erwärmen, bei dem zum Fahrbeginn-Zeitpunkt die Temperatur des Traktions-Akkumulators einer Mindest-Betriebstemperatur entspricht oder über dieser liegt, jedoch nicht über der maximal zulässigen Betriebstemperatur des Akkumulators. Dadurch kann vermieden werden, dass bei kalter Witterung die Leistung des Traktions-Akkumulators bei Fahrtantritt vermindert ist, bis der Traktions-Akkumulator während des Betriebs die Mindest-Betriebstemperatur erreicht. Durch das an den Fahrbeginn-Zeitpunkt angepasste Timing des Erwärmens ist sichergestellt, dass die Leistung des Traktions-Akkumulators bereits von Beginn an voll dargestellt ist.
-
Erfindungsgemäß wird somit der Traktions-Akkumulator erwärmt, wenn eine Temperatur erfasst wird, die unter einer Mindest-Betriebstemperatur liegt, die abhängig vom Akkumulatortyp ist. Diese vorbereitende Erwärmung schont ferner den Traktions-Akkumulator und erhöht somit die Lebensdauer. Neben einer Erwärmung durch elektrisches Heizen, die Wärme an den Traktions-Akkumulator überträgt, wird der Traktions-Akkumulator erwärmt durch Aufladen des Traktions-Akkumulators. Da das Aufladen nicht nur den Ladezustand erhöht, sondern auch insbesondere in der Ladeendphase (d. h. Ladephase von 80%–99% SOC) durch einen geringen Wirkungsgrad im Wesentlichen Wärme erzeugt, ergibt sich dadurch ein Synergieeffekt, es wird keine zusätzliche Energie für die Temperaturerhöhung benötigt. Vielmehr genügt eine geeignete Verschiebung zumindest eines Teils des Ladezyklus', um durch die Wärme, die bei der Aufladung besteht, den gewünschten Temperaturanstieg zu erreichen. Insbesondere ist es möglich, nur eine Ladeendphase derart zum Fahrbeginn-Zeitpunkt zu verschieben, dass sie zum Fahrbeginn-Zeitpunkt bzw. eine kurze Zeitdauer davor endet. „Eine kurze Zeitdauer” bedeutet hier eine Zeit, in der ein bereits erwärmter Traktions-Akkumulator merklich abkühlt, insbesondere unter die Mindest-Betriebstemperatur. Beispielsweise beträgt eine derartige Zeitdauer weniger als eine Stunde, weniger als eine halbe Stunde, weniger als eine viertel Stunde oder weniger als fünf Minuten je nach Bauart des Akkumulators.
-
Eine derartige zweigeteilte Aufladestrategie erlaubt es, einen Großteil der Energie vorab in den Akkumulator zu übertragen, beispielsweise unter Nutzung günstiger Nachtstromtarife, ohne einen gewünschten Temperaturanstieg zu berücksichtigen. Eine verbleibende Restladung findet jedoch zeitversetzt statt, wobei vorzugsweise zunächst erfasst wird, welche Dauer die Restladung beansprucht, woraufhin vom Fahrbeginn-Zeitpunkt zurückgerechnet wird, um die Restladung zeitlich verzögert zu beginnen und derart zu beenden, dass zum einen der Traktions-Akkumulator vollständig aufgeladen, ist, jedoch das Ende des Ladens nur um die kurze Zeitdauer vor den Fahrbeginn-Zeitpunkt liegt. Dadurch kann die Ladung auch günstige Nachttarife nutzen oder andere Ladevorgangsvorgaben berücksichtigen. Die Zweiteilung des Ladevorgangs kann gemäß einem vorgegebenen Ladezustand vorgesehen werden, bis zu dem in dem ersten Vorgang aufgeladen wird, wobei der zweite Teil die Restladung übernimmt und erfindungsgemäß vor den Fahrbeginn-Zeitpunkt geeignet verschoben wird. Anstatt auf einen Ladezustand abzustellen, kann auch auf einen Wirkungsgrad abgestellt werden, wobei der Wirkungsgrad mit steigendem Ladezustand abnimmt. Beispielsweise kann der erste Abschnitt des Ladens sich auf einen Wirkungsgrad beziehen, der über einem vorgegebenen Wirkungsgrad liegt. Der verbleibende zweite Ladevorgang wird dann geeignet verschoben, wobei eine verbleibende Ladezeit berechnet wird und diese geeignet vor den Fahrbeginn-Zeitpunkt geschoben wird. Diese Zeitdauer lässt sich aus dem Wirkungsgrad berechnen, da dieser von dem Ladezustand abhängt, welcher wiederum die Restladedauer bestimmt. Der zweite Ladevorgang wird somit mit einem verringerten Wirkungsgrad durchgeführt und gewährleistet daher eine ausreichende Erwärmung und einen hohen Temperaturanstieg. Je nach Anfangstemperatur des Akkumulators und der Temperaturverhältnisse (z. B. starker kalter Wind) kann auch eine zusätzliche Erwärmung durch eine elektrische Heizung notwendig sein um die Mindesttemperatur zu erreichen bei der der Akkumulator seine Nennleistung abgeben kann.
-
Die Erfindung kann vorgesehen werden mittels eines Verfahrens oder mittels einer Ladesteuerungsvorrichtung, die zumindest einen Teil des Aufladevorgangs zum Fahrbeginn-Zeitpunkt hin verschiebt, um die Wärme, die automatisch beim Laden entsteht, auch zur Temperaturerhöhung zu verwenden, die garantiert, dass zum geplanten Fahrbeginn-Zeitpunkt die Mindest-Betriebstemperatur erreicht ist.
-
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur Verbesserung der Leistung eines Traktions-Akkumulators während einer Fahrbeginn-Phase eines Elektro-Fahrzeugs vorgesehen. Das Verfahren umfasst, dass ein Fahrbeginn-Zeitpunkt vorgesehen wird, mit dem eine geplante Fahrbeginn-Phase beginnt. Ein derartiger Fahrbeginn-Zeitpunkt kann von einer Zeitschaltuhr oder einem Timer vorgesehen werden, der die üblichen Betriebszeitintervalle des Elektro-Fahrzeugs wiedergibt. Neben wiederkehrenden Fahrbeginn-Zeitpunkten können auch Einzelereignisse als Fahrbeginn-Zeitpunkt vorab gespeichert werden. Das Verfahren sieht ferner vor, die Temperatur des Traktions-Akkumulators zu erfassen, um festzustellen, ob eine Erwärmung zu einer Verbesserung der Leistung führt (beispielsweise bei tiefen Temperaturen) oder ob eine Erwärmung im Sinne einer Leistungsverbesserung nicht notwendig ist. Ergibt sich, dass die Temperatur unter der Mindest-Betriebstemperatur liegt (durch einen Schritt des Vergleichens), dann wird der Traktions-Akkumulator erwärmt. Das Erwärmen findet gemäß einem Temperaturanstieg statt, dessen Ende um eine vorbestimmte Zeitdauer vor dem Fahrbeginn-Zeitpunkt liegt oder mit dem Fahrbeginn-Zeitpunkt endet, wobei der Temperaturanstieg bei einer Temperatur endet, die der Mindest-Betriebstemperatur entspricht oder über dieser liegt (beispielsweise um eine Sicherheitsmarge). Zwei miteinander kombinierbare Alternativen zum Erwärmen sind das elektrische Heizen durch Übertragen von Wärme von einer elektrischen Heizung an den Traktions-Akkumulator (beispielsweise durch eine Heizung, die unmittelbar am Akkumulator angebracht ist) oder insbesondere das Laden des Traktions-Akkumulators. Wie bereits beschrieben, ermöglicht eine Erwärmung durch Laden des Traktions-Akkumulators, dass die für die Erwärmung verwendete Energie keinen zusätzlichen Energiebedarf darstellt, sondern lediglich durch einen geeigneten zeitlichen Versatz zumindest eines Teils der Aufladung die gewünschte Erwärmung erreicht werden kann.
-
Die zeitliche Verschiebung zumindest eines Teils des Aufladungsvorgangs, um pünktlich zum Fahrbeginn-Zeitpunkt eine erhöhte Temperatur vorzusehen, basiert vorzugsweise auf einer Erfassung des Anfangs-Ladezustands. Dies betrifft insbesondere eine Ausführungsform, bei der die Erwärmung durch Aufladen des Traktions-Akkumulators vorgesehen wird. An Hand des Ladezustands, der gemäß bekannter Verfahren erfasst wird, wird eine Dauer der Ladeperiode berechnet. Ein Teil dieser Ladeperiode oder die gesamte Ladeperiode wird zeitlich angeordnet, so dass die gesamte Ladeperiode oder ein Teil der Ladeperiode unmittelbar oder mit einem vorbestimmten zeitlichen Abstand mit dem Fahrbeginn-Zeitpunkt endet. Da die gesamte Dauer der Ladeperiode bekannt ist und somit auch die Dauer eines Teils der Ladeperiode, kann insbesondere der Beginn der Ladeperiode derart verschoben werden, dass die Ladeperiode auf Grund der bekannten Dauer unmittelbar am Fahrbeginn-Zeitpunkt endet oder, um eine Sicherheitsmarge zu haben, mit einem vorbestimmten zeitlichen Abstand vor diesem Zeitpunkt endet. Damit ist gewährleistet, dass zum einen das Fahrzeug zum Fahrbeginn-Zeitpunkt die Mindest-Betriebstemperatur aufweist (oder wärmer als diese ist) und gleichzeitig der Akkumulator vollständig aufgeladen ist. Sollte der Akkumulator nicht ganz vollständig aufgeladen sein, weit die tatsächliche Fahrbeginn-Phase kurz vor dem Fahrbeginn-Zeitpunkt beginnt, so ist gewährleistet, dass der Traktions-Akkumulator zumindest nahezu vollständig aufgeladen ist und durch den nicht ganz vollständigen Temperaturanstieg die Mindest-Betriebstemperatur bereits erreicht oder zumindest nahezu vollständig erreicht ist. Insbesondere bei einer zeitlichen Aufteilung des Aufladevorgangs in eine Restladung, die den gewünschten Temperaturanstieg bezogen auf den Fahrbeginn-Zeitpunkt vorsieht, und zumindest einer Vorab-Ladung, die nicht zeitlich verschoben wird, sondern vorzugsweise sobald als möglich beginnt, lässt sich erreichen, dass zum einen zum Startzeitpunkt die Temperatur stimmt und zum anderen auch bei vorzeitigem tatsächlichem Fahrbeginn der Akkumulator zumindest teilweise aufgeladen wurde. Dadurch lässt sich die Verfügbarkeit auch bei deutlich vorgezogenem tatsächlichem Fahrbeginn garantieren, wobei zum anderen die erfindungsgemäße Erwärmung pünktlich zum geplanten Fahrbeginn-Zeitpunkt eine Temperatur vorsieht, die mindestens der Mindest-Betriebstemperatur entspricht.
-
Eine Ausführungsform einer derartigen zwei- oder mehrteiligen Verfahrensweise wird vorgesehen durch Verzögern zumindest eines letzten Abschnitts der Ladephase, um das Ende des letzten Zeitabschnitts mit dem Fahrbeginn-Zeitpunkt zu synchronisieren. In diesem Kontext bedeutet „synchronisieren”, dass das Ende der Ladephase möglichst zeitgleich zu dem geplanten Fahrbeginn-Zeitpunkt vorgesehen wird, wobei auch gezielt das Ende der Ladephase um eine vorbestimmte Zeitdauer vor den geplanten Fahrbeginn-Zeitpunkt gezogen werden kann. Da die Dauer des letzten Zeitabschnitts bekannt ist (auf Grund des Ladezustands und der darauf errechenbaren Ladedauer) ist es möglich, die gesamte Ladephase gezielt dann beginnen zu lassen, wenn im Wesentlichen nur die verbleibende Ladedauer zum geplanten Fahrbeginn-Zeitpunkt verbleibt. Zwar ist die Erwärmung, d. h. die Wärmeerzeugung abhängig vom Wirkungsgrad und Ladestrom, jedoch erzeugt ein Ladevorgang unabhängig von dessen Zeitpunkt immer Wärme. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, dass zumindest der letzte Zeitabschnitt den Schritt des Erwärmens vorsieht. Somit wird der Schritt des Erwärmens vorgesehen während des letzten Zeitabschnitts der Ladephase des Traktions-Akkumulators durch Aufladen des Traktions-Akkumulators von einem vorgegebenen Ladezustand auf einen vollen Ladezustand. Das Aufladen vom vorgegebenen Ladezustand auf einen vollen Ladezustand ist an einen Wirkungsgrad geknüpft, der unter einem durchschnittlichen Wirkungsgrad liegt, wodurch in besonders hohem Maße Wärme durch das Laden erzeugt wird. Der vorgegebene Ladezustand entspricht bei einer mehrteiligen Form dem Zustand, von dem der letzte Ladezyklus ausgeht und auf den die vorangegangene Ladephase oder die vorangegangenen Ladephasen zu einer Aufladung auf diesen vorgegebenen Ladezustand geführt haben. Durch die Vorgabe des Ladezustands und einer derartigen zwei- oder mehrstufigen Aufladung wird gewährleistet, dass das Fahrzeug bereits nach einer ersten Ladephase auf Grund des teilweise aufgeladenen Akkumulators zur Verfügung steht, die zweite Phase eine ausreichende Wärmemenge erzeugt, um die Mindest-Betriebstemperatur zu erreichen, und der Wirkungsgrad in der letzten Ladephase zu einer ausreichenden Wärmeentwicklung führt.
-
Der vorgegebene Ladezustand kann 60, 70, 75, 80, 85, 90, 95 oder mehr Prozent der insgesamt zur Verfügung stehenden Ladekapazität betragen. Wenn beispielsweise ein Fahrzeug mit einer Restladung von 10% erfindungsgemäß aufgeladen wird, so wird zunächst unmittelbar der Ladezustand durch Laden auf beispielsweise 80% erhöht. Daraufhin wird das Laden unterbrochen, bis die zweite und letzte Ladephase beginnt, die zeitlich mit dem Fahrbeginn-Zeitpunkt abschließt. Da bekannt ist, dass noch 20% zu laden sind, kann daraus leicht die verbleibende Ladedauer ermittelt werden, die vom geplanten Fahrbeginn-Zeitpunkt abgezogen wird, um den Beginn der letzten Ladephase vorzusehen. Gegebenenfalls umfasst das Ermitteln der Dauer das Addieren einer zusätzlichen Sicherheitsmarge, um zu garantieren, dass die letzte Ladephase auch bei unkorrekten Ermittlungen nicht deutlich nach oder zumindest zum Fahrbeginn-Zeitpunkt tatsächlich abgeschlossen ist. Wie bereits bemerkt, ist die letzte Ladephase, die von einem vorgegebenen Ladezustand ausgeht, mit einem geringen Wirkungsgrad verknüpft, der beispielsweise 98, 97, 95 oder 93% beträgt. Der Wirkungsgrad ergibt sich durch die Menge an chemisch umgesetzter Energie zur gesamten elektrisch zugeführten Ladeenergie. Die verbleibenden 2, 3, 5 oder 7% entsprechen der Wärmeentwicklung, d. h. dem Umsatz der zugeführten elektrischen Ladeenergie in Wärme. Der Wirkungsgrad kann mit Alterung der Batterie abnehmen und kann insbesondere durch bekannte Verfahren errechnet werden, um bei der Definition des vorgegebenen Ladezustands berücksichtigt zu werden. Der vorgegebene Ladezustand betrifft entweder eine wie oben beschriebene feste Zahl oder ist derart gewählt, dass dessen Wirkungsgrad einem Grenzwert entspricht, unterhalb dessen der oben beschriebene geringere Wirkungsgrad liegt, der mit zunehmender Aufladung abnimmt.
-
Zum korrekten Timing umfasst das Verfahren daher das Berechnen der Restdauer, die das Aufladen des Traktions-Akkumulators von dem vorgegebenen auf den vollgeladenen Zustand einnimmt. Hierzu wird der Quotient aus der Energie berechnet, die zum Aufladen von dem vorgegebenen Ladezustand auf den vollen Ladezustand erforderlich ist, und einer Aufladeleistung, mit der der Traktions-Akkumulator aufgeladen wird. Der Quotient kann somit berechnet werden an Hand der reinen elektrischen gespeicherten (und abrufbaren) Energie des Akkumulators, die durch Laden hinzugefügt wird, bezogen auf die reine elektrische Leistung, welche verlustlos in chemische Energie, die elektrisch abrufbar ist, umgewandelt wird. Ein weiterer Ansatz sieht vor, dass der Quotient berechnet wird durch die Energie, die insgesamt elektrisch zugeführt werden muss, um den Akkumulator vollständig aufzuladen, und die insbesondere den Wärmeverlust umfasst, bezogen auf die Leistung, die dem Akkumulator elektrisch zugeführt wird, und die zum einen in eine chemische Umsetzung und somit Aufladung umgesetzt wird, und zum anderen in Wärme umgesetzt wird. Die Berechnung der Zeit kann somit an Hand von rein elektrischen Betrachtungen durchgeführt werden oder kann den Wirkungsgrad und somit den Wärmeverlust berücksichtigen.
-
Ein weiterer erfindungsgemäßer Aspekt hat den Zweck, den Restladungsprozess zu minimieren und berücksichtigt hierzu die Temperaturdifferenz zwischen erfasster Temperatur und Mindest-Betriebstemperatur. Hierzu wird verfahrensgemäß die zur Erreichung der Betriebstemperatur erforderliche Ladezeit berechnet. Die erforderliche Erwärmung, die durch die Temperaturdifferenz zwischen erfasster Temperatur und Mindest-Betriebstemperatur definiert ist, ist mit einer Ladedauer verknüpft, während der die erforderliche Temperaturerhöhung durch den Schritt des Erwärmens vorgesehen wird. Die Berechnung kann auf empirischen Daten oder auf einem Look-up-Table basieren, der eine Temperaturdifferenz einer Dauer oder einer Ladeenergie verknüpft. Ferner kann die Temperaturdifferenz errechnet werden aus dem Ladestrom, dem Wirkungsgrad des Ladens und der effektiven Wärmekapazität, welche der Zunahme der Wärmeenergie eine Temperaturerhöhung gegenüberstellt. Anstatt des Ladestroms kann auch eine Ladeenergiemenge, die an den Akkumulator insgesamt übertragen wird, Grundlage der Berechnung sein, die den Ladestrom ersetzt.
-
Erfindungsgemäß umfasst der Schritt des Vergleichens das Vorsehen einer Temperaturdifferenz zwischen erfasster Temperatur und der Mindesttemperatur, um die erforderliche Temperaturzunahme zu erfassen. Ferner wird eine Erwärmungsdauer vorgesehen, die mit zunehmender Temperaturdifferenz zunimmt, üblicherweise basierend auf der Wärmekapazität des Akkumulators. Das Erwärmen wird für eine Wärmeperiode ausgeführt, deren Dauer der Erwärmungsdauer entspricht. Das Erwärmen beginnt zu einem Zeitpunkt, der dem Fahrbeginn-Zeitpunkt entspricht, welcher um mindestens die Erwärmungsdauer vorgezogen ist.
-
Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Laden von Lithium-Ionenakkumulatoren, die zur Traktion von Elektro-Fahrzeugen oder Hybrid-Fahrzeugen mit Elektroantrieb vorgesehen sind. Der Fahrbeginn-Zeitpunkt kann über eine Benutzerschnittstelle eingegeben werden oder es können Fahrbeginn-Zeitpunkte vergangener Fahrperioden erfasst werden, die beispielsweise gemittelt werden können oder in anderer Form kombiniert werden können, wobei gegebenenfalls bereits eine vorbestimmte Zeitdauer abgezogen wird oder wobei die abzuziehende Zeitdauer sich nach der Streuung der Fahrbeginn-Zeitpunkte richtet.
-
Die Erfindung wird ferner vorgesehen von einer Ladesteuerungsvorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Ladesteuerungsvorrichtung ist zum Laden eines Traktions-Akkumulators vorgesehen und umfasst einen Temperatursignaleingang, einen damit verbundenen Vergleicher, einen Uhrzeiteingang, einen Ladesignalausgang und eine Ladezustand-Ermittlungsvorrichtung. Anstatt eines Uhrzeiteingangs kann die Ladesteuerungsvorrichtung auch eine elektronische Uhr, vorzugsweise eine funkferngesteuerte Uhr umfassen. Der Vergleicher ist eingerichtet, einen am Temperatursignaleingang anliegendes Temperatursignal mit einer vorgegebenen Mindest-Betriebsdauer zu vergleichen. Die Ladezustand-Ermittlungsvorrichtung umfasst ferner einen Ladezustandsermittler, der eingerichtet ist, einen Ladezustand des Traktions-Akkumulators zu erfassen. Die Ladesteuerungsvorrichtung ist eingerichtet, an Hand des Ladezustands eine Ladedauer zu schätzen, die zur vollständigen Aufladung des Traktions-Akkumulators ausgehend von dem erfassten Ladezustand erforderlich ist, um die Mindest-Betriebstemperatur oder einen darüber hinausgehenden Betrag zu erreichen. Die Ladesteuerungsvorrichtung ist eingerichtet, von einer am Uhrzeiteingang anliegenden Uhrzeit, die den Fahrbeginn-Zeitpunkt wiedergibt, die Ladedauer abzuziehen und am Ladesignalausgang ein Ladesignal für eine Ladeperiode abzugeben, die mit oder vor dem Fahrbeginn-Zeitpunkt abzüglich der Ladedauer beginnt. In Ausführungen, bei denen die Ladesteuerungsvorrichtung die elektronische Uhr umfasst, ist diese ferner eingerichtet, die Uhrzeit, welche den Zeitpunkt wiedergibt zu empfangen oder vorzusehen, um gemäß einer Timervorrichtung die aktuelle Uhrzeit mit dem gewünschten Fahrbeginn-Zeitpunkt zu vergleichen und der Ladesteuerungsvorrichtung durch ein Signal mitzuteilen, dass die Ladedauer beginnt.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Ladesteuerungsvorrichtung eingerichtet, ein Vorab-Ladesignal an den Ladesignalausgang abzugeben, bis ein vorgegebener Teilladungszustand erreicht ist. Das Vorab-Ladesignal entspricht einem Befehl zum Laden des Akkumulators in einer ersten Phase eines mehrphasigen Ladeprozesses, bei dem zumindest der letzte Ladeschritt erfindungsgemäß zum gewünschten Fahrbeginn-Zeitpunkt hin verschoben ist. Das Vorab-Ladesignal ermöglicht es, bereits einen Teilladungszustand vorzusehen, um so beispielsweise günstigen Nachtstrom nutzen zu können oder die Verfügbarkeit zu erhöhen, indem der Ladezustand so früh wie möglich auf einen Teilladungszustand gebracht wird. Die Ladesteuerungsvorrichtung ist ferner eingerichtet, ein Signal zu übermitteln, wenn der vorgegebene Teilladungszustand erreicht ist. Ferner kann der Ladezustandsermittler eingerichtet sein, eine Vorab-Ladedauer vorzusehen, die die Dauer des Vorab-Ladesignals vorsieht. Daher wird entweder der Ladezustand regelmäßig bzw. wiederholt überwacht und es wird eine Vorab-Ladung vorgesehen, bis der erfasste Ladezustand dem Teilladungszustand entspricht, oder eine Dauer wird vorgesehen, die ebenso gewährleistet, dass nach dem Laden mit dieser Dauer des Vorab-Ladesignals der Teilladungszustand erreicht ist. In beiden Fällen ist die Ladesteuerungsvorrichtung eingerichtet, diesen Vorab-Ladeprozess zu steuern, indem entweder der Ladezustand wiederholt erfasst wird oder kontinuierlich erfasst wird, so dass die Ladesteuerung einen Vorab-Ladeprozess entsprechend beenden kann, oder indem die Ladesteuerungsvorrichtung selbst die Dauer vorsieht, mit der der Vorab-Ladeprozess ausgeführt wird. Die Ladesteuerungsvorrichtung ist gleichermaßen eingerichtet, eine verbleibende Ladedauer vorzusehen, um den Restladeprozess zu steuern. Die Ladesteuerungsvorrichtung sieht somit eine verbleibende Ladedauer vor, die der Differenz zwischen dem vorgegebenen Teilladungszustand und dem vorgeladenen Zustand entspricht. Die Ladesteuerungsvorrichtung ist ferner zur Ausführung des letzten Ladeprozesses eingerichtet, von der am Uhrzeiteingang anliegenden Uhrzeit, die den Fahrbeginn-Zeitpunkt wiedergibt, verbleibende Ladedauer abzuziehen, und am Ladesignalausgang das Ladesignal für die verbleibenden Ladeperiode abzugeben, die mit oder die vor dem Fahrbeginn-Zeitpunkt abzüglich der verbleibenden Ladedauer beginnt. Hierzu ist vorgesehen, dass die Ladesteuerungsvorrichtung eine elektronische Uhr umfasst, um die aktuelle Uhrzeit vorzusehen und dementsprechend das Ladesignal zum letzten Ladeprozess, verschoben zum Fahrbeginn-Zeitpunkt, vorzusehen.
-
Hierzu umfasst die Ladesteuerungsvorrichtung entweder eine Uhr, insbesondere die elektronische Uhr, oder einen Eingang für ein aktuelles Uhrzeitsignal. Dieser Uhrzeiteingang sieht damit in elektronischer Form die aktuelle Uhrzeit vor und die Ladesteuerungsvorrichtung ist eingerichtet, zu einem Zeitpunkt, der dem Fahrbeginn-Zeitpunkt abzüglich der berechneten Dauer entspricht, mit der Ausgabe des Ladesignals zu beginnen. Alternativ ist die Ladesteuerungsvorrichtung eingerichtet, mit der Ausgabe des Ladesignals zu einem Zeitpunkt zu beginnen, der dem Fahrbeginn-Zeitpunkt abzüglich der berechneten Dauer und abzüglich einer vorgegebenen Zeitreserve entspricht. Die somit vorgesehene optionale vorgegebene Zeitreserve entspricht einer Sicherheitsmarge, um die der letzte Ladeprozess zusätzlich vorgezogen wird.
-
Die Ladezustand-Ermittlungsvorrichtung der Ladesteuerungsvorrichtung umfasst ein Modell des Traktions-Akkumulators (beispielsweise in Form einer Formel oder einer Näherungsgleichung), ein zeitlich nachführbares Modell des Traktions-Akkumulators, beispielsweise ein Modell, welches physikalische und chemische Prozesse innerhalb des Akkumulators nachbildet, und das gemäß den von außen erfassbaren Messgrößen nachgeführt werden kann. Derartige von außen erfassbare Messgrößen sind Temperatur, Ladestrom und Klemmenspannung, woraus sich beispielsweise ein Innenwiderstand berechnen lässt, der Teil des Modells ist. Die Ladesteuerungsvorrichtung kann ferner eine Näherungsvorrichtung umfassen, eine Look-up-Tabelle oder einen Interpolator, der mit der Look-up-Tabelle verknüpft werden kann. Um die Ladezustands-Ermittlungsvorrichtung aktualisierbar vorzusehen, so dass diese eingerichtet ist, aktuelle Messgrößen zu erfassen, umfasst die Ladesteuerungsvorrichtung einen Eingang für physikalische Messgrößen des Traktions-Akkumulators, wobei dieser Eingang mit der Ladezustand-Ermittlungsvorrichtung verbunden ist. Die physikalischen Messgrößen, für deren Eingabe der Eingang eingerichtet ist, umfassen mindestens physikalische Größen wie Temperatur, Akkumulatorstrom oder Akkumulatorklemmenspannung.
-
Der Eingang kann beispielsweise als digitale Schnittstelle vorgesehen sein, die eingerichtet ist, derartige Größen in Form von digitalen oder binären Werten aufzunehmen. Auf Grund des Eingangs für physikalische Messgrößen ist die Ladezustand-Ermittlungsvorrichtung eingerichtet, den aktuellen Ladezustand vorzusehen oder zumindest zu schätzen. Die Ladesteuerungsvorrichtung ist eingerichtet, von einer am Uhrzeiteingang anliegenden Uhrzeit, die den Fahrbeginn-Zeitpunkt wiedergibt, die Ladedauer abzuziehen und am Ladesignalausgang ein Ladesignal für eine Ladeperiode abzugeben, die mit oder vor dem Fahrbeginn-Zeitpunkt abzüglich der Ladedauer beginnt. Das von der Ladesteuerungsvorrichtung abgegebene Ladesignal kann entweder lediglich ein Zeitdauersignal sein, beispielsweise in Form eines Ladestartzeitpunkts und einer Dauer oder in Form eines Ladestartzeitpunkts und eines Ladeendzeitpunkts. Alternativ kann das Ladesignal selbst nur einen Aktiv-/Inaktivzustand wiedergeben, wobei das Ladesignal einen aktiven Zustand vorsieht, wenn der Traktions-Akkumulator aufzuladen ist, und das einen Inaktivzustand wiedergibt, wenn der Akkumulator nicht aufzuladen ist. Die Ladezustand-Ermittlungsvorrichtung oder die Ladesteuerungsvorrichtung selbst ist eingerichtet, eine Ladedauer abzuschätzen, die für die Erhöhung des Ladezustands um einen vorbestimmten Anteil erforderlich ist, oder die zur Erhöhung des Ladezustands auf einen vorbestimmten Ladezustand erforderlich ist. Bei dieser von der Ermittlungsvorrichtung vorgesehenen Abschätzung wird die Kapazität des Traktions-Akkumulators berücksichtigt, welche beispielsweise von der Ladezustand-Ermittlungsvorrichtung ebenso vorgesehen wird, beispielsweise an Hand eines Modells. An Hand dessen wird an Hand der Kapazität und des Stroms auf die zugehörige Zeitdauer geschlossen, wobei hierzu die Ladezustand-Ermittlungsvorrichtung eingerichtet ist, einen Energiewert durch eine Leistung zu teilen, wobei der Energiewert der zu füllenden Restkapazität entspricht und die Leistung dem Ladestrom, wodurch sich durch den Quotienten von Energie und Leistung die zugehörige Zeit ergibt, für die die Leistung fließen muss, um die Energie vorzusehen.
-
Kurze Beschreibung der Figuren
-
Die 1a zeigt den Ladeverlauf, der bei einer Aufladung gemäß dem Stand der Technik sowie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auftritt; und
-
die 1b zeigt ein zugehöriges Temperaturverlaufsdiagramm.
-
Die 1 zeigt den Ladezustand SOC (state of charge) in Abhängigkeit von der Zeit t. Bis zu einem Zeitpunkt 10 wird der Traktions-Akkumulator zum Fahren verwendet und unmittelbar nach Ende des Fahrvorgangs an eine Ladesteckdose angeschlossen. Die Kurve 100 zeigt den Ladeverlauf, der sich bei bekannten Ladeverfahren ergibt: Sobald es möglich ist, d. h. mit dem Zeitpunkt 10, beginnt die Ladung, die bei Erreichen des gewünschten maximalen Ladezustands 110 beendet wird, wobei der maximale Ladezustand üblicherweise 100% beträgt, jedoch auch geringere Werte annehmen kann. Zum Zeitpunkt 12 ist das Laden beendet, so dass der Ladezustand auf einem gewünschten maximalen Ladelevel 110 bis zum Fahrbeginn-Zeitpunkt 14 bleibt. Der Fahrbeginn-Zeitpunkt markiert den Beginn einer weiteren Phase, die mit einer Fahrbeginn-Phase beginnt.
-
Es ist zu erkennen, dass es bei Ladevorgängen gemäß Stand der Technik, wie es durch die Ladekurve 100 dargestellt ist, zunächst zu einer Temperaturerhöhung 200 kommt, die zum Zeitpunkt 10 beginnt und zum Zeitpunkt 12 endet, d. h. wenn der Akkumulator vollständig geladen ist. Daraufhin fällt mangels Erwärmung die Temperatur gemäß dem Temperaturabfall 210, so dass zum Fahrbeginn-Zeitpunkt 14 die Temperatur der Außentemperatur T0 entspricht, die deutlich unter der Mindest-Betriebstemperatur T1 liegt. Zum Fahrbeginn-Zeitpunkt 14 weist somit bei Ladeverfahren gemäß dem Stand der Technik der Traktions-Akkumulator eine unzulässig niedrige Temperatur auf, so dass die Leistung zu Beginn der Fahrbeginn-Phase 14a beeinträchtigt ist.
-
Im Gegensatz hierzu sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, die erforderliche Gesamtladungsmenge 112 zu erfassen, daraus die Ladezeit zu berechnen (beispielsweise die Differenz zu den Zeitpunkten 12 und 10) und den Ladebeginn auf einen Zeitpunkt 16 zu verschieben, der so nahe wie möglich am Fahrbeginn-Zeitpunkt 14 liegt, jedoch noch ausreichend Zeit zum Aufladen des Akkumulators um die Ladedifferenz 112 lässt. Somit beginnt der erfindungsgemäße Ladevorgang mit dem Zeitpunkt 16, der dem Fahrbeginn-Zeitpunkt entspricht, abzüglich der berechneten Dauer der Ladeperiode. In 1b ist der zugehörige Verlauf dargestellt, demgemäß zunächst die Temperatur gemäß dem Verlauf 220 auf die Außentemperatur T0 fällt, wobei diese Temperatur zum Ladebeginn-Zeitpunkt 16 vorliegt. Da der Aufladevorgang 120 nach hinten verschoben und erst zum Zeitpunkt 16 beginnt, ergibt sich ab dem Zeitpunkt 16 ein Temperaturanstieg 230, der zum Fahrbeginn-Zeitpunkt 14 eine Temperatur vorsieht, die deutlich über der Mindest-Betriebstemperatur T1 liegt. Es ist zu erkennen, dass bereits zu Beginn der Fahrbeginn-Phase 14a somit das erfindungsgemäße Verfahren eine hohe Temperatur gemäß dem Temperaturanstieg 230 vorsieht.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird nur ein Teil der Ladung erfindungsgemäß so nah wie möglich zu Fahrbeginn-Zeitpunkt 14 hin verschoben und ein erster Teil ermöglicht die Nutzung von günstigem Nachtstrom bzw. einen ersten Ladeschritt, der die Verfügbarkeit des Fahrzeugs bereits vor dem Fahrbeginn-Zeitpunkt deutlich erhöht.
-
In der 1a ist in derartiger Ladevorgang mit gestrichelter Linie dargestellt, der zunächst vorsieht, bis zum Zeitpunkt 18 keine Ladung durchzuführen, wobei der Zeitpunkt 18 beispielsweise den Beginn eines günstigen Nachtstromtarifs darstellt. Gemäß der ersten Ladephase wird die Ladung erhöht, wie durch den Anstieg 130 dargestellt ist. Diese Erhöhung führt jedoch nicht zur vollständigen Aufladung bis zum maximal erwünschten Pegel 110. Der Aufladeprozess wird daraufhin pausiert gemäß Verlauf 132, um zu einem Zeitpunkt 19, der dem Fahrbeginn-Zeitpunkt abzüglich einer Erwärmungsdauer entspricht, aufgeladen zu werden. Der ab dem Zeitpunkt 19 stattfindende Ladeprozess entspricht dem zweiten bzw. letzten Aufladeprozess, der erfindungsgemäß zur Erwärmung führt. Der Aufladeschritt 134 ist somit erfindungsgemäß derart vorgesehen, dass dieser mit dem Fahrbeginn-Zeitpunkt endet und im Wesentlichen exakt zum Fahrbeginn-Zeitpunkt den erwünschten Ladepegel 110 vorsieht. Die zugehörige Temperaturverlaufskurve umfasst zunächst ein erste Abkühlung 240, da vor Beginn des günstigeren Nachttarifs zum Zeitpunkt 18 keine Aufladung stattfindet. Daraufhin beginnt der Erstladeprozess 130, der mit einem Temperaturanstieg 242 verknüpft ist. Dieser wird jedoch nicht erfindungsgemäß zur Temperaturerhöhung genutzt, so dass in einer darauf folgenden Abkühlungsperiode 244 zum Zeitpunkt 19 die Temperatur des Traktions-Akkumulators wieder auf die Außentemperatur T0 fällt. Auf Grund des zweiten bzw. letzten erfindungsgemäßen Ladeprozesses 134 steigt jedoch ab dem Zeitpunkt 19 die Temperatur gemäß Anstieg 250 auf eine Temperatur an, die zum Fahrbeginn-Zeitpunkt über der Mindest-Betriebstemperatur liegt. Der Ladebeginn der letzten bzw. Ladephase 19 ergibt sich aus der Temperaturdifferenz T0 und T1, gegebenenfalls unter Addition einer zusätzlichen Sicherheitsmarge, um gezielt eine Temperatur über der Mindest-Betriebstemperatur T0 vorzusehen. Zum anderen kann sich der Zeitpunkt 19, der den Beginn der letzten Ladephase markiert, aus einem Restladebetrag 136 ergeben, um den im Restladeprozess der Ladezustand erhöht werden soll. Der Ladezustand, der durch den ersten Ladeprozess 130 vorgesehen wird, kann einem vorgegebenen Mindestladezustand entsprechen, der mit einer Mindestreichweite des Fahrzeugs korrespondiert.
-
Während der Temperaturverlauf 210, der bei Ladeverfahren gemäß dem Stand der Technik auftritt, zum Startzeitpunkt 14 eine zu niedrige Temperatur vorsieht, ermöglichen die erfindungsgemäßen Ladeprozesse einen Temperaturanstieg 230 bzw. 250, der zum Fahrbeginn-Zeitpunkt 14 eine ausreichende Temperatur über der Mindest-Betriebstemperatur ermöglicht. Während der Ladevorgang gemäß der ersten beschriebenen Ausführungsform einen Anstieg 120 vorsieht, der eine vollständige Aufladung zum Ziel hat, die genau zum Fahrbeginn-Zeitpunkt verfügbar ist, ermöglicht das zweistufige Verfahren einen ersten, beliebig wählbaren Ladeprozess 130, der beispielsweise günstigere Stromtarife oder Mindestverfügbarkeiten berücksichtigt, sowie einen zweiten Ladevorgang 134, der auch als letzter Ladevorgang bezeichnet wird, der erfindungsgemäß so weit wie möglich zum Fahrbeginn-Zeitpunkt hin verschoben ist, um die Fahrbeginn-Phase mit einer ausreichenden Akkumulatortemperatur vorzusehen.
-
Die in der 1b dargestellten Temperaturverläufe sind lediglich beispielhaft und gehen von einem vereinfachten, linearen Temperaturanstieg 200, 242, 230, 250 aus sowie von einem negativ exponentiellen Temperaturabfall 210, 220, 240, 244, während dem die Akkumulatortemperatur zur Außentemperatur T0 hin fällt. Grundsätzlich können auch die Ladeströme unterschiedlich sein, wobei aus Gründen der Einfachheit in der 1a vom gleichen Ladezustandsanstieg bei jedem Ladeprozess ausgegangen wird. In gleicher Weise sind die Temperaturanstiege der 1b mit der gleichen Anstiegsrate dargestellt, da die 1a für alle Ladephasen den gleichen Ladezustandsanstieg und somit den gleichen Ladestrom darstellt.