Verfahren zur kundenunterstützen Batteriekalibrierung einer Batterie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kundenunterstützen Batteriekalibrierung einer Batterie von Elektro- oder Hybridfahrzeugen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Prinzipiell sind Verfahren zur kundenunterstützen Batteriekalibrierung einer Batterie aus dem Stand der Technik bekannt. Im Bereich der Automobilindustrie sind diese für Batterien auf Basis von Lithium-Ionen-Zellen interessant, die in Elektrofahrzeugen (EV), Hybridfahrzeugen (HEV), Plug-in-Hybridfahrzeugen (PHEV) oder anderen Elektrofahrzeugen verbaut sind. Derartige Batterien umfassen viele einzelne Lithium- Ionen Zellen, Messtechnik für Strom, Spannung und Temperatur der Zellen sowie ein Batteriemanagementsystem (BMS), welches unter anderem der Zustandsbestimmung dient. Die Zustandsbestimmung dient der Überwachung von Zellzuständen. Wichtige Zellzustände sind beispielsweise ein Ladezustand, State-of-Charge (SOC) genannt, sowie eine Kapazität, welche eine typische Ladungsmenge zwischen einem Vollzustand und einem Lehrzustand, d. h. zwischen 100 % und 0 % SOC, darstellt.

Für die Ermittlung einer Reichweitenprognose sowie einer Ladeleistungsfreigabe ist eine genaue Bestimmung dieser Zustände unumgänglich. Daher führen ungenau bestimmte SOC-Werte sowie Kapazitätswerte zu ungenauen Reichweitenprognosen und gegebenenfalls falschen Ladeleistungsfreigaben. Eine fälschlich ermittelte zu geringe Ladeleistung bewirkt eine fälschlich ermittelte zu lange Ladezeit für den Kunden bzw. Fahrer. Ebenso kann eine fälschlich ermittelte zu hohe Ladeleistung die Batteriezellen irreversibel schädigen. Die Begriffe Kunde und Fahrer können hier synonym verwendet werden. Für Lithiumeisenphosphat-basierte Batteriezellen (LFP-basierte Batteriezellen) ist in dem Batteriemanagementsystem die Bestimmung des SOC in Ruhe, d. h. im Stillstand des Fahrzeugs, schwieriger als beispielsweise für Nickel-Mangan-Kobalt-oxid-basierte Batteriezellen (NMC-basierte Batteriezellen). Dies liegt unter anderem an der über einen großen SOC-Bereich flacheren Form der Ruhespannungskennlinie (OCV-Kennlinie). Als Resultat kann nicht in allen Zuständen über eben diese Kennlinie eine gemessene Ruhespannung in einen SOC umgerechnet werden. Zusätzlich wird die Umrechnung durch übliche Effekte, wie eine Temperaturabhängigkeit (Entropie) und eine Hysterese der Ruhespannungskennlinie erschwert.

In der Folge kann auch die Kapazität der LFP-basierten Batteriezellen nur schwer bestimmt werden. Bekannterweise nutzt man, um die Kapazität zu bestimmen, mindestens zwei unterschiedliche SOC-Zustände sowie die zwischen diesen Zuständen geflossene Ladungsmenge, angegeben beispielsweise in Amperestunden. Über diese Ladungsmenge kann auf einen Vollzustand bzw. einen Leerzustand der Batterie rückgeschlossen werden. Da jedoch der SOC über weite SOC-Bereiche nicht über die Ruhespannungskennlinie bestimmbar ist, kann folglich auch die Kapazität nicht derart bestimmt werden.

Im Stand der Technik existieren daher unterschiedliche Herangehensweisen. Beispielsweise wird einem Kunden bzw. Fahrer empfohlen, LFP-basierte Batterien regelmäßig einmal pro Woche voll aufzuladen. Dies kann womöglich die Problematik der SOC-Bestimmung in Ruhe lösen, jedoch nicht das Problem der Kapazitätsbestimmung, da der zweite SOC-Wert nicht ermittelt wird. Weitere Methoden sind bekannt, wobei eine Filtermethode, beispielsweise ein Sigma-Punkt-Kalman-Filter oder ein Partikelfilter, verwendet werden, um den SOC und weitere Zustände mithilfe von Modellen abzuschätzen. Daraus resultiert jedoch ein hoher Rechenbedarf, verbunden mit einem hohen Daten- und Validierungsaufwand.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zu schaffen, welches die zuvor genannten Nachteile überwindet. Diese soll sich insbesondere für Lithium-Ionen-Zellen eignen und eine genaue Ermittlung des Ladezustands (SOC) sowie der Kapazität ermöglichen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.

Im Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Fahrer nach Bedarf aktiv aufgefordert, die Batterie in einen für einen Zustand zur State-of-Charge-Bestimmung und/oder zur Kapazitätsbestimmung zu bringen, wenn für eine gewisse vordefinierte Nutzung des Fahrzeugs keine State-of-Charge-Bestimmung und/oder keine Kapazitätsbestimmung möglich war. Erfindungsgemäß wird der Kunde bzw. der Fahrer daher aktiv in das Verfahren einbezogen, um eine SOC-Abschätzung sowie eine Kapazitätsabschätzung im Batteriemanagementsystem zu ermöglichen. Eine vordefinierte Nutzung kann beispielsweise eine Zeit, ein Energiedurchsatz, eine zurückgelegte Fahrstrecke oder Ähnliches sein. Wenn keine SOC-Bestimmung und/oder keine Kapazitätsbestimmung möglich war, befand sich die Batterie nicht in einem dafür geeigneten Zustand. Folglich kann der Fahrer durch aktives Eingreifen die Lebensdauer der Batteriezellen verbessern. Mit der Bezeichnung Batterie sind auch eine Mehrzahl an Batterien bzw. alle Batterien zu verstehen, die in dem Fahrzeug verbaut sind.

Das Verfahren zur kundenunterstützen Batteriekalibrierung einer Batterie ist für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge oder andere Elektrofahrzeuge geeignet. Über ein Display, beispielsweise in Zusammenhang mit einer Headunit oder eine Applikation (App), kann der Fahrer darauf hingewiesen werden, was zu tun ist.

Bevorzugt kann dem Fahrer ein Hinweis auf einen Batteriekalibrierungs-Vorgang gegeben werden. Derartige Hinweise können eine Empfehlung beinhalten, wie der Fahrer eine SOC-Bestimmung bzw. eine Kapazitätsbestimmung durch aktives Eingreifen möglich machen kann. So kann der Fahrer bzw. ein anderer Insasse des Fahrzeugs, nach Bedarf aufgefordert werden, die Batterie aktiv in einen für die SOC-Bestimmung geeigneten Zustand zu bringen. Ein Hinweis kann Aufforderungen halten wie beispielsweise „Bitte (ent-)laden Sie Ihr Fahrzeug auf x % SOC“. Die Prozentgabe kann individuell angegeben werden, beispielsweise kann diese bei 20 % oder auch bei 100 % liegen. Andere Werte sind ebenso denkbar. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass der Fahrer durch Aktivierung eines Vorgangs dem Batteriekalibrierungs-Vorgang zustimmen, oder durch Deaktivierung des Vorgangs den Batteriekalibrierungs-Vorgang ablehnen kann. Abhängig von der Entscheidung des Fahrers kann daher ein gezielter Kalibrierungsvorgang der Batterie eingeleitet werden und ablaufen. Ein derartiger Kalibrierungsvorgang kann beispielsweise einen gesteuerten Ladevorgang und/oder gesteuerten Entladevorgang aufweisen, wie nachfolgend beschrieben. Der Fahrer kann daher den Zeitpunkt festlegen, an dem der jeweilige Vorgang gestartet wird.

Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ein gesteuerter Lade- oder Entladevorgang vom Fahrer gestartet werden kann. In einem derartigen Lade- oder Entladevorgang kann die Batterie gezielt in vorteilhafte Zustände gebracht werden, welche sich positiv auf die Lebensdauer der Batterie auswirken. Die Batterie kann daher schonend betrieben werden, und optimal im Hinblick auf eine Leistung im Betrieb geladen bzw. entladen werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann es vorsehen, dass der gesteuerter Ladeoder Entladevorgang ein unidirektionales oder bidirektionales Laden umfasst. Andere Lademöglichkeiten bzw. Verbrauchsmöglichkeiten sind ebenso denkbar.

Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Batterie gezielt in State-of-Charge-Bereiche gebracht wird, die eine State-of-Charge- Bestimmung und/oder eine Kapazitätsbestimmung ermöglichen und/oder verbessern. Dabei kann dem Fahrer beispielsweise auch eine Nutzung der Batterie vorgeschlagen werden, die sowohl batterieschonend im Hinblick auf die Lebensdauer als auch optimal im Hinblick auf den Betrieb ausgelegt ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann es vorsehen, dass ein vorteilhafter Ladestrom und/oder eine Verringerung oder Erhöhung des Ladestroms in vorteilhafte State-of-Charge-Bereiche erfolgt. Auch dadurch kann die Lebensdauer sowie der Betrieb der Batterie optimiert werden.

Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ermittelte Werte der State-of-Charge-Bestimmung und/oder der Kapazitätsbestimmung dem Fahrer angezeigt werden. Dies kann über ein Display im Fahrzeug und/oder mithilfe einer App auf einem Smartphone erfolgen.

Insgesamt ist es daher vorteilhaft möglich, den Fahrer bzw. einen anderen Insassen des Fahrzeugs gezielt und nach Bedarf zu motivieren, eine zum stabilen und optimalen Betrieb der Batterie nötige Benutzung sicherzustellen. Mit der vorgeschlagenen verbesserten SOC-Bestimmung sowie Kapazitätsbestimmung kann eine verbesserte Reichweitenprognose und/oder eine verbesserte Ladeleistungsfreigabe ermöglicht werden. Dadurch kann die Batterielebensdauer positiv beeinflusst werden. Das Verfahren erlaubt dem Fahrer daher eine gezielte Beeinflussung des Kalibrierzustands der Batterie. Das Verfahren kann ebenso dazu genutzt werden, einen Restwert der Batterie, welcher beispielsweise direkt abhängig von einer Restkapazität ist, mit einem gezielten Vorgang zu einem gegebenen Zeitpunkt zu ermitteln und beispielsweise beliebig anzuzeigen.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens;

Fig. 2 eine weitere mögliche Ausführungsform des Verfahrens.

In der Darstellung der Fig. 1 ist eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens 1 schematisch dargestellt. In Schritt 2 kann beispielsweise festgestellt werden, dass der SOC der Batterie schlecht kalibriert ist. Dies kann dem Fahrer angezeigt werden, beispielsweise auf einem Display im Fahrzeug, auf einem Smartphone oder einer anderen mobilen Einheit. In Schritt 3 kann dem Fahrer ein Hinweis dazu gegeben werden, einen bestimmten SOC gezielt einzustellen. Dies kann durch eine Aufforderung, wie beispielsweise „Bitte laden Sie das Fahrzeug auf 30 % SOC“ erfolgen. Hierbei kann jede beliebige Prozentangabe angegeben werden. Ebenso kann ein Hinweis darauf gegeben werden, das Fahrzeug auf einen gewissen SOC zu entladen. So kann ein Hinweis beispielsweise auch lauten: „Bitte Batterie voll Laden und Fahrzeug 2 Stunden stehen lassen“. In einer weiteren Empfehlung zur Batteriekalibrierung kann ein Hinweis bzw. eine Aufforderung angezeigt werden, wie „Bitte Fahrzeug unter 30 % SOC und über 10 °C abstellen. Ladekabel anschließen sowie Batteriekalibrierung aktivieren. Die Ladezeit verlängert sich um 3 Stunden“. Dies sind lediglich Beispiele, wobei jede mögliche Zeitangabe sowie Temperaturangabe möglich ist. In Schritt 4 kann der SOC der Batterie neu kalibriert werden. Auch dies kann dem Fahrer entsprechend angezeigt werden.

Eine weitere Ausführungsvariante des Verfahrens 1 ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Hier kann in Schritt 5 beispielsweise dem Fahrer angezeigt werden, dass die Kapazität der Batterie schlecht kalibriert ist. Auch dies kann über ein Display erfolgen, wie weiter oben beschrieben. In Schritt 6 kann eine Aufforderung an den Fahrer abgegeben werden, einen bestimmten SOC gezielt einzustellen und eine Kalibrierung zu erlauben. In Schritt 7 kann eine Ladeprozedur bzw. Entladeprozedur gezielt Zustände ansteuern, um die Kapazität zu kalibrieren.

Mit den beschriebenen Verfahren 1 kann daher die Batteriekalibrierung durch aktives Eingreifen des Kunden bzw. des Fahrers gesteuert werden.

Selbstverständlich lassen sich die beschriebenen Ausführungsvarianten des Verfahrens 1 in den Figuren 1 und 2 auch untereinander kombinieren, sodass verschiedene Möglichkeiten entstehen. So kann beispielsweise in lediglich einem Schritt ein Ladezustand sowie eine Kapazität bewertet werden.