Titel

Verfahren zum Laden und Betreiben einer Baterie, Vorrichtung und Verwendung einer solchen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und Betreiben einer Batterie, eine Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Laden und Betreiben einer Batterie und eine Verwendung einer solchen Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

Zur Umsetzung der Elektromobilität werden wieder aufladbare Baterien zur mehrfachen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie verwendet. Dafür sind Lithium-Ionen-Baterien aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Selbstentladung und relativ hohen Energiedichte besonders geeignet. Eine derartige Lithium-Ionen-Baterie weist typischerweise mehrere Bateriemodule auf, welche wiederum mehrere Batteriezellen umfassen.

Aus dem Dokument DE 10 2017 210303 B3 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Baterie in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei die Baterie in dessen Ladebetriebszustand mit einer Schnellladeeinrichtung geladen wird. Das Verfahren wird hierbei beendet, wenn eine maximal zulässige Ladetemperatur erreicht ist.

Offenbarung der Erfindung Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren zum Laden und Betreiben einer Batterie, eine Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Laden und Betreiben einer Batterie und eine Verwendung einer solchen Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Batterie in einem Ladevorgang geladen, wobei eine maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur der Batterie während des Ladevorgangs in Abhängigkeit von einem dem Ladevorgang nachfolgenden vorgebbaren Betriebszustand der Batterie derart vorgegeben wird, dass die maximale Betriebstemperatur der Batterie während des nachfolgenden vorgebbaren Betriebszustandes kleiner oder gleich einer maximal zulässigen Betriebstemperatur der Batterie ist.

Erfolgt das Laden einer Batterie, welche beispielsweise in einem Elektrofahrzeug eingesetzt wird, z.B. mit einer Ladesäule an einer Autobahn und es ist abzusehen, dass die dem Ladevorgang nachfolgende Fahrt des Elektrofahrzeuges mit hoher Last und/oder Geschwindigkeit und damit einhergehenden hohen thermischen Verlusten fortgesetzt wird, reicht in vielen Fällen, z.B. sofern zusätzlich die Fahrzeugkabine klimatisiert werden muss, die Kühlleistung des Elektrofahrzeugs nicht aus, die aufgrund der hohen Last und/oder Geschwindigkeit verstärkt auftretenden thermischen Verluste abzuführen. Folge ist, dass es zu einem thermisch bedingten Abregeln des Elektrofahrzeugs kommt. Das erfindungsgemäße Verfahren soll dies verhindern, indem eine Anpassung der maximal zulässigen Ladetemperatur unter Berücksichtigung des prädizierten nachfolgenden Fahr- und Lastprofils erfolgt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

So ist es von Vorteil, wenn die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie am Ende des Ladevorgangs nicht überschritten wird.

Während des Ladevorgangs steigt die Temperatur der Batterie aufgrund von thermischen Verlusten infolge des Innenwiderstands der Batterie und vor allem bei höherer Ladeleistung an. Der Temperaturanstieg der Batterie wird bis zu der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Batterie zugelassen bis dann die höhere Ladeleistung abgeregelt wird, um ein Überschreiten der maximal zulässigen Betriebstemperatur zu verhindern. Die Abregelung der höheren Ladeleistung und die damit einhergehende Reduzierung der thermischen Verluste wird notwendig, da die Leistungsfähigkeit eines für die Batterie vorgesehen Kühlsystems insbesondere z.B. unter Berücksichtigung anderer Antriebskomponenten eines Elektrofahrzeuges an ihre Grenzen gerät und nicht mehr hinreichend Wärme aus der Batterie abgeführt werden kann.

Auf höchstens dieser maximal zulässigen Betriebstemperatur wird die Temperatur der Batterie dann bis zum Ende des Ladevorgangs etwa gehalten. Mit Ende des Ladevorgangs liegt die Temperatur der Batterie dann weiterhin unterhalb oder auf der maximal zulässigen Betriebstemperatur. Auf diesem Temperaturniveau wird dann ein Betriebsvorgang der Batterie in Form beispielsweise einer darauffolgenden Fahrt des Elektrofahrzeugs angetreten. Als Folge der relativ hohen Batterietemperatur findet dann beispielsweise auf der Weiterfahrt eine Limitierung der Abgabeleistung statt, um auch während der Fahrt die maximal zulässige Betriebstemperatur nicht zu überschreiten. Diese Limitierung der Abgabeleistung ist nötig, da durch die Entnahme von Energie aus der Batterie auch Verluste in der Batterie entstehen und dieselbe weiter aufheizen würden.

Für den Fall höherer Last, z.B. durch höhere Geschwindigkeiten, Steigungen, Anhängerbetrieb oder hohe Außentemperaturen, tritt verbreitet das Problem auf, dass die Leistungsfähigkeit des Kühlsystems nicht mehr ausreicht, längerfristig und dauerhaft auftretende Verlustleistungen insbesondere in Kombination mit weiteren Kühlanforderungen z.B. der Fahrzeugkabine bzw. der Insassen abzuführen. So steht für die zuvor genannten Fälle nach dem Ladevorgang nur eine begrenzte Leistung der Batterie zur Verfügung und stellt eine spürbare Einschränkung der Leistungsfähigkeit des Elektrofahrzeuges für den Fahrer dar. Dies kann beispielsweise bei Überholvorgängen sogar sicherheitsrelevant werden. Um diesem Zustand entgegenzuwirken kann das gesamte Kühlsystem angepasst und vergrößert werden, was mit wesentlichen Kosten einhergeht und eine wesentliche Änderung der Luftwärmetauscher und Lufteinlässe oder zusätzliche Maßnahmen auf der Ladeinfrastrukturseite zur Folge hat. Fahrzeugseitige Maßnahmen wiederrum haben einen wesentlichen Einfluss auf das Design der Fahrzeugfront. Diese gravierenden Änderungen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden werden, indem die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie am Ende des Ladevorgangs nicht überschritten wird und die Situation einer eingeschränkten Leistungsfähigkeit der Batterie möglichst vermieden wird.

Weiter ist es vorteilhaft, wenn die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie in Abhängigkeit von zumindest einem Gesundheitszustand der Batterie bestimmt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie in Abhängigkeit von einem Ladezustand der Batterie bestimmt wird.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie unter Berücksichtigung zumindest einer vorliegenden Ladeleistung während des Ladevorgangs bestimmt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie unter Berücksichtigung zumindest einer zu erwartenden Ladeleistung oder eines zu erwartenden Ladeleistungsverlaufs während des Ladevorgangs bestimmt wird. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie unter Berücksichtigung einer vorliegenden Wärmeentwicklung in der Batterie in dem Betriebszustand bestimmt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie unter Berücksichtigung einer zu erwartenden Wärmeentwicklung in der Batterie in dem Betriebszustand bestimmt wird.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Batterie in dem Betriebszustand mit einer Kühleinrichtung gekühlt wird, wobei die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie unter Berücksichtigung einer vorliegenden maximal verfügbaren Kühlleistung der Kühleinrichtung bestimmt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Batterie in dem Betriebszustand mit der Kühleinrichtung gekühlt wird, wobei die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie unter Berücksichtigung einer zu erwartenden maximal verfügbaren Kühlleistung der Kühleinrichtung bestimmt wird. Diese Maßnahmen bieten den Vorteil, dass am Ende des Ladevorgangs eine Temperaturreserve in der Batterie vorgehalten wird, sodass im darauffolgenden Betriebszustand der Batterie die maximal zulässige Betriebstemperatur der Batterie durch die starke Belastung voraussichtlich nicht überschritten wird. Dies geschieht unter Berücksichtigung der maximal verfügbaren Kühlleistung, des zu erwartenden Ladeleistungsverlaufs und der zu erwartenden Wärmeentwicklung der Batterie unter Berücksichtigung aller weiteren zu kühlenden Wärmequellen des Fahrzeugs. Dadurch wird die gewünschte Leistungsfähigkeit der Batterie nach dem Ladevorgang sichergestellt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Laden und Betreiben einer Batterie bereitgestellt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Steuereinheit zum Steuern eines Ladevorgangs der Batterie und eine Simulationseinheit. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Simulationseinheit dazu auslegt ist, eine maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie während des Ladevorgangs in Abhängigkeit von einem dem Ladevorgang nachfolgenden vorgebbaren Betriebszustand der Batterie zu ermitteln.

So ist es von Vorteil, wenn die Simulationseinheit weiterhin dazu auslegt ist, die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie unter Berücksichtigung einer vorliegenden Wärmeentwicklung in der Batterie in dem Betriebszustand zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Simulationseinheit weiterhin dazu auslegt ist, die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie unter Berücksichtigung einer zu erwartenden Wärmeentwicklung in der Batterie in dem Betriebszustand zu ermitteln.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet Anwendung in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug.

Kurze Beschreibung der Figuren In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 einen beispielhaften Verlauf einer Lade- und Betriebstemperatur bei einem Verfahren zum Laden und Betreiben einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und

Figur 2 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Laden und Betreiben einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Figur 1 ist ein beispielhafter Verlauf 10 einer Lade- und Betriebstemperatur Ti.Tj über der Zeit t bei einem Verfahren zum Laden und Betreiben einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Zu einem Startzeitpunkt t ₀ eines Ladevorgangs 12 wird die Batterie auf einen Ladevorgang 12 vorbereitet, in dem die Temperatur der Batterie beispielsweise auf eine anfängliche Ladetemperatur T _o reduziert wird. Der Ladevorgang 12 wird beispielsweise mithilfe einer Schneiladeeinrichtung durchgeführt. Während des Ladevorgangs 12 steigt die Ladetemperatur T _t beispielsweise aufgrund von thermischen Verlusten in der Batterie bei höherer Ladeleistung an. Der Temperaturanstieg wird bis zu einer maximal zulässigen prädiktive Ladetemperatur ^T i.max der Batterie zugelassen. Dabei wird die maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur T _limax der Batterie am Ende des Ladevorgangs 12 zu einem ersten Zeitpunkt beispielsweise erreicht. Diese maximal zulässige Ladetemperatur T _{l ma} gilt somit als Sollwert für den Ladevorgang 12.

Ab dem ersten Zeitpunkt befindet sich die Batterie in einem Betriebszustand 14. In diesem Betriebszustand 14 bis zu einem zweiten Zeitpunkt t _z wird die Batterie beispielsweise zum Antreiben einer elektrischen Maschine in einem Elektrofahrzeug verwendet. Die Betriebstemperatur ^ der Batterie steigt in dem Betriebszustand 14 z.B. bis zu einer maximalen Betriebstemperatur T _{2 max} an. Der Temperaturanstieg erfolgt hierbei z.B. aufgrund von thermischen Verlusten infolge eines Innenwiderstands der Batterie. Die maximale Betriebstemperatur T _{Z max} ist beispielsweise kleiner als eine maximal zulässige Betriebstemperatur T _raax der Batterie. Dabei ist die maximal zulässige Betriebstemperatur T _max der Batterie beispielsweise abhängig von einem Gesundheitszustand der Batterie.

In Figur 2 ist eine Schnittansicht einer Vorrichtung 20 zum Durchführen eines Verfahrens zum Laden und Betreiben einer Batterie 30 mit einem Verlauf 10 einer Lade- und Betriebstemperatur über der Zeit t gemäß Figur 1 schematisch dargestellt.

Die Vorrichtung 20 ist beispielsweise elektronisch mit der Batterie 30 gekoppelt, welche z.B. mit einer Ladeeinrichtung 32 geladen wird. Die Ladeeinrichtung 32 kann beispielsweise eine Ladesäule an einer Autobahn sein.

Die Vorrichtung 20 umfasst beispielsweise mindestens einen Temperatursensor 22 zum Erfassen zumindest einer in Echtzeit vorliegenden Temperatur der Batterie 30. Diese zumindest eine vorliegende Temperatur kann beispielsweise eine repräsentative Ladetemperatur T _t der Batterie 30 während des Ladevorgangs 12 oder die Betriebstemperatur T ₂ der Batterie 30 in dem Betriebszustand 14 sein.

Weiter umfasst die Vorrichtung 20 eine Steuereinheit 24, welche dazu dient, den Ladevorgang 12 der Batterie 30 zu starten und die zeitliche Dauer sowie den Verlauf des Ladevorgangs 12 der Batterie 30 vorzugeben. Die Steuereinheit 24 ist beispielsweise mit einer Simulationseinheit 26 elektronisch gekoppelt, welche in einem bevorzugt zentralen Steuergerät eines Fahrzeuges vorgesehen ist, sodass eine unmittelbarere Prozessierung von Informationen wie z.B. Kühlbedarf und Kühlfähigkeit, Außenbedingungen, prädiziertes Fahr- bzw. Lastprofil des Fahrzeuges vorgenommen werden kann. Dabei dient die Simulationseinheit 26 dazu, die maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur T _{l max} der Batterie 30 während des Ladevorgangs 12 unter Berücksichtigung z.B. eines Verlustkennlinienfeldes der Batterie 30 in dem Betriebszustand 14 zu ermitteln. Ferner dient die Simulationseinheit 26 dazu, die maximal zulässige Ladetemperatur T _{t max} als Sollwert für den Ladevorgang 12 der Batterie 30 vorzugeben. Der Betriebszustand 14 der Batterie 30 erfolgt beispielsweise nach dem Ladevorgang 12 der Batterie 30.

Weiterhin umfasst die Vorrichtung 20 eine z.B. mit der Simulationseinheit 26 elektronisch gekoppelte Kühlvorrichtung 28, welche dazu dient, die Batterie 30 mit einem Kühlmittel wie z.B. Wasser zu kühlen und somit die Temperatur der Batterie 30 zum Startzeitpunkt t ₀ des Ladevorgangs 12 auf die anfängliche Ladetemperatur T _o zu reduzieren.

Die Vorrichtung 20 findet Anwendung beispielsweise in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug wie z.B. in einem Elektrofahrzeug (Electric Vehicle, EV), in einem Hybridfahrzeug (Hybride Electric Vehicle, HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV).