DE102022115102A1

DE102022115102A1 - Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, elektronische Recheneinrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie

Info

Publication number: DE102022115102A1
Application number: DE102022115102.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas KELLNER; Lukas Wolf; Marko Graser; Simon Erhard; Christian Skrivanek
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-06-15
Filing date: 2022-06-15
Publication date: 2023-12-21
Also published as: WO2023241895A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, welche bei einem Betrieb des Kraftfahrzeugs bis zu einem vorgegebenen minimalen Ladezustand (16) entladen werden kann und in einem Ladevorgang bis zu einem vorgegebenen maximalen Ladezustand (18) aufgeladen werden kann, wobei bei dem Verfahren der minimale Ladezustand (16) angehoben wird und/oder der maximale Ladezustand (18) abgesenkt wird, wenn durch den Wert eines vorgegebenen Parameters, welcher eine veränderbare Eigenschaft der Traktionsbatterie beschreibt, ein Grenzwert erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, eine elektronische Recheneinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie.
Aus der US 8 063 609 B2 ist ein Verfahren zum Verlängern einer Lebensdauer einer Fahrzeugbatterie offenbart. Bei dem Verfahren ist es vorgesehen, dass eine Energieübertragungsrate in oder aus einem Fahrzeugenergiespeicher in Abhängigkeit von einer geschätzten Dauer einer zukünftigen möglichen Ladesituation angepasst wird.
Eine Lebensdauer einer Hochvoltbatterie und damit ihre volle Funktionsfähigkeit soll idealerweise so lange wie möglich, mindestens aber bis zum Ende einer Nutzungsdauer gewährleistet sein. Zu diesem Zweck sollten sowohl eine elektrochemische Alterung als auch eine mechanische Ausdehnung der Hochvoltbatterie unter Kontrolle gehalten werden. Übliche Lithium-Ionen-Batterien zeigen mit zunehmender Anzahl an Ladezyklen eine beschleunigte Alterung und mechanische Ausdehnung, wenn sie mit hohen Schwankungen des Ladezustands betrieben werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lösung zu schaffen, mittels welcher eine schnelle Alterung einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs besonders gut vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug. Die Traktionsbatterie ist dazu eingerichtet, elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs bereitzustellen, sodass das Kraftfahrzeug über den elektrischen Antriebsstrang elektrisch angetrieben werden kann. Bei der Traktionsbatterie handelt es sich insbesondere um einen Hochvoltspeicher. Die Traktionsbatterie kann bei einem Betrieb des Kraftfahrzeugs bis zu einem vorgegebenen minimalen Ladezustand entladen werden. Diese aus der Traktionsbatterie entladene elektrische Energie wird für den elektrischen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Weiterhin kann die Traktionsbatterie in einem Ladevorgang bis zu einem vorgegebenen maximalen Ladezustand aufgeladen werden. Der maximale Ladezustand charakterisiert somit einen Punkt, bis zu welchem die Traktionsbatterie im Rahmen eines Ladevorgangs mit elektrischer Energie geladen werden kann beziehungsweise geladen werden darf. Der Ladezustand der Traktionsbatterie kann auch als sogenannter State of Charge bezeichnet werden.
Bei dem Verfahren ist es vorgesehen, dass der minimale Ladezustand angehoben wird und/oder der maximale Ladezustand abgesenkt wird, wenn durch den Wert eines vorgegebenen Parameters ein Grenzwert erreicht wird, wobei der vorgegebene Parameter eine veränderbare Eigenschaft der Traktionsbatterie beschreibt. Dieser Wert des vorgegebenen Parameters der veränderbaren Eigenschaft der Traktionsbatterie verändert sich über eine Lebensdauer der Traktionsbatterie stetig in Richtung des Grenzwerts beziehungsweise ab dem Erreichen des Grenzwerts über den Grenzwert hinaus. Das bedeutet, dass sich der Wert des vorgegebenen Parameters, solange der Grenzwert noch nicht erreicht ist, zu keinem Zeitpunkt von dem Grenzwert wegbewegt. Durch das Absenken des maximalen Ladezustands beziehungsweise das Anheben des minimalen Ladezustands wird ein Ladezustandsbereich, in welchem die Traktionsbatterie genutzt werden darf, eingeengt. Hierdurch wird der Entladungsgrad der Traktionsbatterie pro Ladezyklus verkleinert. Infolgedessen kann eine höhere Lebensdauer in Bezug auf den erreichbaren Energiedurchsatz gegenüber einem Betrieb mit dem ursprünglichen Ladezustandsbereich erreicht werden. Hierbei können insbesondere der minimale Ladezustand derart angehoben werden und/oder der maximale Ladezustand derart abgesenkt werden, dass ein zulässiger resultierender Ladezustandsbereich in einem Optimalbereich liegt, in welchem eine Alterung der Traktionsbatterie besonders gering ist. Der Ladezustandsbereich erstreckt sich von dem vorgegebenen minimalen Ladezustand als untere Grenze bis zu dem vorgegebenen maximalen Ladezustand als obere Grenze. In diesem Ladezustandsbereich darf die Traktionsbatterie genutzt werden. Erreicht der Ladezustand der Traktionsbatterie den minimalen Ladezustand, dann ist die Traktionsbatterie zu laden. Erreicht der Ladezustand der Traktionsbatterie den vorgegebenen maximalen Ladezustand, dann ist ein Ladevorgang der Traktionsbatterie zu beenden. Bei dem Verfahren wird somit der nutzbare Ladezustandsbereich der Traktionsbatterie eingeschränkt, sobald der Wert der veränderbaren Eigenschaft der Traktionsbatterie den Grenzwert erreicht hat. Das bedeutet, dass anfänglich die Traktionsbatterie mit einem besonders großen Ladezustandsbereich betrieben werden kann und erst ab Erreichen des Grenzwerts durch den vorgegebenen Parameter der Ladezustandsbereich eingeschränkt wird. Hierdurch kann ein besonders hoher Energiedurchsatz über die Lebensdauer der Traktionsbatterie abgerufen werden und darüber hinaus die Traktionsbatterie über eine besonders lange Lebensdauer genutzt werden.
In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der minimale Ladezustand und/er der maximale Ladezustand für den Rest einer Lebensdauer der Traktionsbatterie angepasst werden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der minimale Ladezustand und/oder der maximale Ladezustand einmalig und dauerhaft für den Rest der Lebensdauer der Traktionsbatterie angepasst werden. Das bedeutet, dass der minimale Ladezustand und/oder der maximale Ladezustand angepasst werden, sobald der Wert des vorgegebenen Parameters den Grenzwert erreicht ist und anschließend der eingestellte minimale Ladezustand beziehungsweise der eingestellte maximale Ladezustand für den Rest der Lebensdauer der Traktionsbatterie konstant gehalten werden. Alternativ können der minimale Ladezustand und/oder der maximale Ladezustand mehrmals über die Lebensdauer der Traktionsbatterie angepasst werden, wobei es insbesondere vorgesehen ist, dass der nutzbare Ladezustandsbereich stetig verkleinert wird. Durch das Einschränken des Ladezustandsbereichs für den Rest der Lebensdauer der Traktionsbatterie wird ermöglicht, dass ein Alterungsprozess der Traktionsbatterie dauerhaft für den Rest der Lebensdauer der Traktionsbatterie gehemmt und somit gebremst wird.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass als Parameter ein Energiedurchsatz der Traktionsbatterie und/oder ein Alterungszustand herangezogen wird. Der Energiedurchsatz kann beschreiben, wie viel Energie über die Lebensdauer der Traktionsbatterie zugeführt und/oder entnommen worden ist. Dieser Energiedurchsatz steigt bei einem Betrieb der Traktionsbatterie stetig über deren Lebensdauer. Bei dem Alterungszustand handelt es sich um einen sogenannten State of Health (SOH) der Traktionsbatterie. Dieser Alterungszustand der Traktionsbatterie verschlechtert sich über die Lebensdauer der Traktionsbatterie. Sobald der für den Energiedurchsatz und/oder den Alterungszustand jeweils vorgegebene Grenzwert erreicht ist, werden der minimale Ladezustand und/oder der maximale Ladezustand angepasst, um einen Alterungsprozess der Traktionsbatterie zu verlangsamen. Hierdurch kann eine besonders lange Nutzungsdauer der Traktionsbatterie erreicht werden. Insbesondere kann der Grenzwert für den Parameter in einem Bereich vorgegeben werden, in welchem eine Entwicklung des Alterungszustands in Relation zu einem Energiedurchsatz der Traktionsbatterie sich über ein vorgegebenes Maß hinaus verschnellert. Das bedeutet, dass der Grenzwert in einem Bereich einer den Alterungszustand über dem Energiedurchsatz beschreibenden Kurve befindet, in welchem eine negative Steigung der Kurve über ein vorgegebenes Maß zunimmt und somit die Kurve einen starken Knick nach unten aufweist. Hierdurch kann eine sich über die Lebensdauer der Traktionsbatterie verschnellernde Alterung gebremst werden, wodurch wiederum eine besonders hohe Lebensdauer der Traktionsbatterie erreicht werden kann.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der minimale Ladezustand und/oder der maximale Ladezustand linear angepasst werden. Das bedeutet, dass das Anheben des minimalen Ladezustands beziehungsweise das Absenken des maximalen Ladezustands rampenförmig und somit kontinuierlich erfolgt. Ein plötzliches, starkes Anheben des minimalen Ladezustands beziehungsweise Absenken des maximalen Ladezustands kann dadurch vermieden werden. Für den Fahrer des Kraftfahrzeugs kann somit der Ladezustandsbereich besonders sanft angepasst werden, sodass der Fahrer das Anpassen des Ladezustandsbereichs idealerweise kaum bemerkt. Ein plötzliches starkes Anpassen des minimalen Ladezustands beziehungsweise des maximalen Ladezustands könnte durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs deutlich und gegebenenfalls als unangenehm wahrgenommen werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der minimale Ladezustand und/oder der maximale Ladezustand über eine vorgegebene Zeitspanne, insbesondere eine Zeitspanne von 3 bis 6 Monaten angepasst werden. Das bedeutet, dass der minimale Ladezustand beziehungsweise der maximale Ladezustand von einem vorgegebenen Ausgangswert über die vorgegebene Zeitspanne - insbesondere die Zeitspanne von 3 bis 6 Monaten - kontinuierlich, insbesondere linear, auf einen jeweiligen neuen, vorgegebenen Wert angepasst werden. Das Anpassen des minimalen Ladezustands beziehungsweise des maximalen Ladezustands über die vorgegebene Zeitspanne ermöglicht eine besonders sanfte Anpassung des Ladezustandsbereichs, sodass sich der Fahrer besonders gut an den neuen vorgegebenen Ladezustandsbereich gewöhnen kann. Die Zeitspanne kann alternativ beispielsweise 1 Jahr betragen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der minimale Ladezustand und/oder der maximale Ladezustand während eines Umsetzens eines vorgegebenen Energiedurchsatzes in der Traktionsbatterie und/oder während des Auftretens einer vorgegebenen Änderung des Alterungszustands angepasst werden. Das bedeutet, dass ab dem Zeitpunkt, ab welchem festgestellt wird, dass der minimale Ladezustand beziehungsweise der maximale Ladezustand anzupassen ist, ein zu durchlaufender Energiedurchsatz in der Traktionsbatterie gemessen wird und während des Durchlaufens des vorgegebenen Energiedurchsatzes in der Traktionsbatterie der minimale Ladezustand beziehungsweise der maximale Ladezustand stetig angepasst wird. Mit anderen Worten wird der minimale Ladezustand beziehungsweise der maximale Ladezustand gleichmäßig über einen Zeitraum, welcher benötigt wird, um den vorgegebenen Energiedurchsatz in der Traktionsbatterie umzusetzen, schrittweise oder kontinuierlich auf den jeweiligen neuen Wert angepasst. Je schneller somit der vorgegebene Energiedurchsatz in der Traktionsbatterie umgesetzt wird, desto schneller werden der minimale Ladezustand beziehungsweise der maximale Ladezustand angepasst. Alternativ oder zusätzlich kann die vorgegebene Änderung des Alterungszustands herangezogen werden als Vorgabe für den Zeitraum, über welchen der minimale Ladezustand beziehungsweise der maximale Ladezustand kontinuierlich an die jeweiligen neuen vorgegebenen Werte anzupassen sind. Beispielsweise kann vorgegeben sein, dass der minimale Ladezustand um 10 Prozentpunkte anzuheben ist, beziehungsweise der maximale Ladezustand um 10 Prozentpunkte abzusenken ist, während eines Zeitraums, in welchem der Alterungszustand der Traktionsbatterie sich um 5 Prozentpunkte verschlechtert. Hierbei können die Ladezustände beispielsweise direkt proportional zu der Änderung des Alterungszustands angepasst werden. Über den sich ändernden Alterungszustand der Traktionsbatterie wird somit der minimale Ladezustand beziehungsweise der maximale Ladezustand stetig angepasst. Der vorgegebene Energiedurchsatz beziehungsweise die vorgegebene Änderung des Alterungszustands können in Abhängigkeit von einem vorgegebenen, während der Änderung des minimalen Ladezustands beziehungsweise des maximalen Ladezustands zu durchlaufenden Äquivalent an gefahrenen Kilometern ermittelt werden. Das bedeutet, dass eine Anzahl an von dem Kraftfahrzeug theoretisch während der Anpassung abzufahrenden Kilometern vorgegeben wird, und der hierbei in der Traktionsbatterie auftretende Energiedurchsatz beziehungsweise die hierbei auftretende Änderung des Alterungszustands der Traktionsbatterie ermittelt wird. Der vorgegebene Energiedurchsatz beziehungsweise die vorgegebene Änderung des Alterungszustands können somit als sogenanntes Milage Equivalent ermittelt werden. Es wird somit eine besonders sanfte Anpassung des Ladezustandsbereichs in Abhängigkeit von einer Nutzung der Traktionsbatterie ermöglicht. Die Anpassung des minimalen bzw. des maximalen Ladezustands erfolgt somit über einen zeitlichen Bereich, der entweder durch einen gewissen Energiedurchsatz, einen gewissen Zeitraum oder einen gewissen Unterschied im SOH definiert ist.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektronische Recheneinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, einen Ladevorgang einer Traktionsbatterie zu steuern und einen minimalen Ladezustand und/oder einen maximalen Ladezustand der Traktionsbatterie in einem Verfahren, wie es bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden ist, anzupassen. Die elektronische Recheneinrichtung ist somit dazu eingerichtet, die Traktionsbatterie derart zu steuern, dass diese höchstens bis zum vorgegebenen maximalen Ladezustand geladen wird, beziehungsweise dass diese höchstens bis zu dem vorgegebenen minimalen Ladezustand entladen wird. Weiterhin kann die elektronische Recheneinrichtung diese Ladezustandsgrenzen anpassen, um die Alterungsentwicklung der Traktionsbatterie zu bremsen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie, welche dazu eingerichtet ist, in einem Verfahren, wie es bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden ist, betrieben zu werden. Die Traktionsbatterie ist dazu eingerichtet, elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs bereitzustellen, sodass das Kraftfahrzeug über den elektrischen Antriebsstrang mittels elektrischer Energie angetrieben werden kann. Das Verfahren ermöglicht eine besonders lange Lebensdauer der Traktionsbatterie und infolgedessen eine besonders lange Lebensdauer des Kraftfahrzeugs.
In einer möglichen Weiterbildung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet ist. Das bedeutet, dass das Kraftfahrzeug sowohl den elektrischen Antriebsstrang als auch einen auf einem Verbrennungsmotor basierenden Antriebsstrang aufweist. Situationen, in welchen das Kraftfahrzeug aufgrund des eingeschränkten Ladezustandsbereichs nicht über den elektrischen Antriebsstrang angetrieben werden kann, können mit dem Verbrennungsmotor ausgeglichen werden. Trotz des Erreichens des minimalen Ladezustands kann somit das Kraftfahrzeug mittels des Verbrennungsmotors angetrieben werden und weiter genutzt werden, bis eine Lademöglichkeit für das Kraftfahrzeug vorliegt. Durch das Verfahren können bei einem Hybridfahrzeug mit eingeschränktem Ladezustandsbereich zwar pro Fahrt weniger Kilometer elektrisch zurückgelegt werden, aber in Summe werden über die Lebensdauer des Kraftfahrzeugs durch die erhöhte Lebensdauer der Traktionsbatterie mehr elektrische Kilometer möglich.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug eine Anzeigeeinrichtung umfasst, welche dazu eingerichtet ist, den minimalen Ladezustand als 0 Prozent Ladezustand und den maximalen Ladezustand als 100 Prozent Ladezustand auszugeben. Das bedeutet, dass dem Fahrer des Kraftfahrzeugs lediglich der zur Verfügung stehende Ladezustandsbereich als Ladespanne von 0 Prozent bis 100 Prozent angezeigt wird. Hierbei bedeutet ein als 0 Prozent angezeigter Ladezustand, dass in der Traktionsbatterie der vorgegebene beziehungsweise der angepasste minimale Ladezustand vorliegt. Wird mittels der Anzeigeeinrichtung der Ladezustand von 100 Prozent angezeigt, dann bedeutet das, dass in der elektrischen Traktionsbatterie der vorgegebene beziehungsweise der angepasste maximale Ladezustand vorliegt. Mit anderen Worten kann der minimale Ladezustand beispielsweise real 20 Prozent betragen, mittels der Anzeigeeinrichtung jedoch als 0 Prozent angezeigt werden. Der maximale Ladezustand kann real 80 Prozent betragen, wird jedoch als 100 Prozent Ladezustand ausgegeben. Hierdurch kann vermieden werden, dass die elektrische Traktionsbatterie über den maximalen Ladezustand hinaus aufgeladen wird, beziehungsweise unter den minimalen Ladezustand entleert wird. Somit kann der Fahrer durch diese Anzeige der Anzeigeeinrichtung besonders einfach dazu gebracht werden, den vorgegebenen beziehungsweise angepassten Ladezustandsbereich der Traktionsbatterie einzuhalten. Hierdurch wird die besonders hohe Lebensdauer der Traktionsbatterie über besonders viele Ladezyklen erreicht.
Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektronischen Recheneinrichtung sowie des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs anzusehen und umgekehrt.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 einen Graphen mit einer Reichweitenkurve für eine elektrische Traktionsbatterie, bei welcher eine mittels eines elektrischen Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs erreichbare Reichweite über einer Anzahl an äquivalenten vollständigen Ladezyklen aufgetragen ist, wobei zu einem Zeitpunkt, zu welchem durch den Wert eines vorgegebenen Parameters, welcher eine veränderbare Eigenschaft der Traktionsbatterie beschreibt, ein Grenzwert erreicht wird, eine Funktion zur Reichweitenerweiterung des elektrischen Antriebsstrangs gestartet wird, im Rahmen von welcher ein zulässiger Ladezustandsbereich der Traktionsbatterie eingeschränkt wird; und
2 einen Graphen, in welchem der Ladezustandsbereich für das Äquivalent an vollständigen Ladezyklen aufgetragen ist und in welchem ab dem Starten der Funktion der zulässige Ladezustandsbereich kontinuierlich linear eingeschränkt und in diesem eingeschränkten Zustand bis zu einem Ende einer Lebensdauer der Traktionsbatterie gehalten wird.

Infolge einer Alterung einer Traktionsbatterie verkürzt sich über eine Lebensdauer der Traktionsbatterie eine Reichweite ER, welche mittels eines die Traktionsbatterie aufweisenden Kraftfahrzeugs rein mit elektrischer Energie erreicht werden kann.
In 1 ist ein Graph gezeigt, in welchem die Reichweite ER für ein Antreiben des Kraftfahrzeugs mittels eines elektrischen Antriebsstrangs mit Energie aus der elektrischen Traktionsbatterie in Kilometern über einem Äquivalent an vollständigen Ladezyklen LZ aufgetragen ist. Hierbei sind eine erste Kurve 10 und eine zweite Kurve 12 dargestellt. Die erste Kurve 10 stellt einen Betrieb der Traktionsbatterie dar, bei welchem ein zulässiger Ladezustandsbereich 20 der Traktionsbatterie über eine Lebensdauer der Traktionsbatterie unverändert ist. Die zweite Kurve 12 stellt einen Betrieb der Traktionsbatterie dar, bei welchem an einem mit einem Stern gekennzeichneten Startpunkt 14 ein zulässiger Ladezustandsbereich 20 der Traktionsbatterie angepasst wird. Mit anderen Worten wird an dem Startpunkt 14 eine Funktion gestartet, welche dazu dient, eine mittels des Antriebsstrangs für das Kraftfahrzeug zur Verfügung stehende Reichweite über die Lebensdauer der Traktionsbatterie zu erhöhen. Wie in 1 besonders gut erkannt werden kann, ist nach einem Break Even Point die zweite Kurve 12 oberhalb der ersten Kurve 10 angeordnet, was bedeutet, dass bei einer gewissen Anzahl an äquivalent durchlaufenen Ladezyklen LZ, die rein mit elektrischer Energie erreichbare Reichweite ER der Traktionsbatterie mit dem angepassten Ladezustandsbereich 20 größer ist als die der Traktionsbatterie mit dem unveränderten Ladezustandsbereich 20. Durch die Funktion kann somit bei einer hohen Anzahl an äquivalent durchlaufenen vollständigen Ladezyklen LZ eine besonders hohe, mit elektrischer Energie erreichbare Reichweite ER erzielt werden. Wie in 1 erkannt werden kann, sinkt die Reichweite ER bei der Traktionsbatterie mit der gestarteten Funktion bei einer höheren Anzahl an äquivalent durchlaufenen vollständigen Ladezyklen LZ auf 0 im Vergleich zu der Traktionsbatterie ohne gestartete Funktion. Somit kann die Traktionsbatterie mit der gestarteten Funktion länger genutzt werden und weist folglich eine höhere Lebensdauer auf.
An dem Startpunkt 14 wird ein Anheben eines vorgegebenen minimalen Ladezustands 16 der Traktionsbatterie und/oder ein Absenken eines vorgegebenen maximalen Ladezustands 18 der Traktionsbatterie gestartet. Hierdurch wird der maximal nutzbare Ladezustandsbereich 20 eingeschränkt. Dieser maximal zulässige Ladezustandsbereich 20 wird auch als Depth of Discharge bezeichnet.
In 2 ist ein Graph gezeigt, in welchem der Ladezustand SOC, welcher auch als State of Charge bezeichnet werden kann, über dem Äquivalent an vollständigen Ladezyklen LZ aufgetragen ist. Der Startpunkt 14, an welchem das Einschränken des zulässigen Ladezustandsbereichs gestartet wird, ist in 2 ebenfalls mit einem Stern gekennzeichnet. Im in 2 gezeigten Vorgang wird der minimale Ladezustand 16 ab dem Startpunkt 14 von einem zulässigen minimalen Ladezustand von 10 % auf einen zulässigen minimalen Ladezustand von 25 % linear und somit rampenförmig angehoben. Hierbei sind in 2 mit der ersten Kurve 10 und der zweiten Kurve 12 analog zu 1 die jeweiligen Betriebsarten dargestellt, bei welchen das Einschränken des zulässigen Ladezustandsbereichs 20 stattfindet, beziehungsweise nicht stattfindet. Bei der ersten Kurve 10 bleiben sowohl der vorgegebene minimale Ladezustand 16 als auch der vorgegebene maximale Ladezustand 18 über eine gesamte Lebensdauer der Traktionsbatterie unverändert. Bei der zweiten Kurve 12 bleibt der vorgegebene maximale Ladezustand 18 über die gesamte Lebensdauer der Traktionsbatterie bei 100 %, wohingegen der minimale Ladezustand 16 bis zum Startpunkt 14 mit 10 % Ladezustand vorgegeben ist und ab dem Startpunkt 14 linear auf einen Wert von 25 % eingestellt und bis zum Lebensende der Traktionsbatterie auf dem Wert von 25 % gehalten wird. Durch das Einschränken des zulässigen Ladezustandsbereichs 20 wird die Traktionsbatterie somit beim Betrieb des Kraftfahrzeugs nicht mehr unter den angepassten minimalen Ladezustand 16 von 25 % entladen, wodurch eine geringere Entladetiefe, welche auch als Dept of Discharge bezeichnet wird, erreicht wird. Durch diese geringere maximal mögliche Entladetiefe kann in der Traktionsbatterie ein elektrochemisches Altern sowie eine mechanische Expansion verringert werden. Hierdurch kann eine Lebensdauer der Traktionsbatterie betrachtet auf das Äquivalent an vollständigen Ladezyklen LZ verlängert werden, wie in 1 besonders gut erkannt werden kann.
Die zweite Kurve 12 erreicht die Reichweite ER von 0 km bei ca. 2900 äquivalenten vollständigen Ladezyklen, wohingegen die erste Kurve 10, bei welcher das Anpassen des zulässigen Ladezustandsbereichs 20 unterblieben ist, die mittels des elektrischen Antriebsstrangs erreichbare Reichweite ER von 0 km schon bei ca. 2600 äquivalenten vollständigen Ladezyklen LZ erreicht. Somit kann durch das Einsetzen der Funktion die Traktionsbatterie für 300 äquivalente vollständige Ladezyklen LZ mehr genutzt werden.
Wie in 1 weiterhin erkannt werden kann, wird die mittels des elektrischen Antriebsstrangs erreichbare Reichweite ER ab dem Startpunkt 14 durch das Einschränken des zulässigen Ladezustandsbereichs 20 zeitweise unter die Reichweite ER gesenkt, welche mit dem uneingeschränkten Ladezustandsbereich 20 erreicht werden kann. Dies kann an dem Absenken der zweiten Kurve 12 ab dem Startpunkt 14 unter die erste Kurve 10 erkannt werden. Über die Lebensdauer der Traktionsbatterie und somit mit steigender Anzahl an äquivalenten vollständigen Ladezyklen LZ schneidet die zweite Kurve 12 die erste Kurve 10 jedoch aufgrund der gebremsten Alterung der Traktionsbatterie infolge des eingeschränkten zulässigen Ladezustandsbereichs 20 in dem Break Even Point. Es tritt folglich ein Reichweitenverlust 22 kurz nach Starten der Einschränkung des zulässigen Ladezustandsbereichs 20 der zweiten Kurve 12 im Vergleich zur ersten Kurve 10 auf. Bei einer höheren Anzahl an äquivalenten vollständigen Ladezyklen LZ tritt jedoch ein Reichweitengewinn 24 der zweiten Kurve 12 im Vergleich zur ersten Kurve 10 und somit bei dem Betrieb mit dem eingeschränkten Ladezustandsbereich 20 aufgrund der gebremsten Alterung der Traktionsbatterie auf.
Der Reichweitenverlust 22 kann, sofern es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Hybridfahrzeug handelt, mit einem Verbrennungsmotor des Hybridfahrzeugs ausgeglichen werden. Das bedeutet, das das Hybridfahrzeug mit dem Verbrennungsmotor angetrieben wird, sobald die Traktionsbatterie bis zu dem angepassten minimalen Ladezustand 16 entladen worden ist. Somit ist ein Verfahren zum Betreiben der Traktionsbatterie, bei welchem der zulässige Ladezustandsbereich 20 ab dem Startpunkt 14 eingeschränkt wird, indem der minimale Ladezustand 16 angehoben wird und/oder der maximale Ladezustand 18 abgesenkt wird, bei einem Hybridfahrzeug besonders vorteilhaft. Dieses Verfahren kann auch bei einem reinen Elektrofahrzeug eingesetzt werden.
Wie sowohl in 1 als auch in 2 erkannt werden kann, wird der minimale Ladezustand 16 linear und somit rampenförmig ausgehend von dem Startpunkt 14 bis zu einem Rampenendpunkt 26 angehoben. Hierdurch kann zum einen ein für einen Fahrer besonders sanft erlebbares Einschränken des zulässigen Ladenzustandsbereichs 20 erfolgen und zum anderen der Reichweitenverlust 22 besonders geringgehalten werden. Alternativ zu dem rampenförmigen Anpassen des minimalen Ladezustands 16 und/oder des maximalen Ladezustands 18 können der minimale Ladezustand 16 und/oder der maximale Ladezustand 18 über eine vorgegebene Zeitspanne, insbesondere eine Zeitspanne von 3 bis 6 Monaten und/oder über ein vorgegebenes Kilometeräquivalent angepasst werden. Hierbei kann das Kilometeräquivalent, bei welchem es sich um ein Äquivalent für eine zurückgelegte Anzahl an Kilometern durch das Kraftfahrzeug handelt, in einen umgesetzten Energiedurchsatz in der Traktionsbatterie oder in eine vorgegebene zu durchlaufende Änderung des Alterungszustands der Traktionsbatterie, welche auch als State of Health bezeichnet wird, umgerechnet werden. Beispielseise kann vorgegeben sein, dass das Verstellen des minimalen Ladezustands 16 von dem Ausgangswert von 10 % auf den zu erreichenden Zielwert von 25 % gleichmäßig über ein Äquivalent von 1000 gefahrenen Kilometern erfolgen soll. Hierfür kann dieses Kilometeräquivalent in den entsprechenden hierbei umgesetzten Energiedurchsatz der Traktionsbatterie oder die hierbei auftretende Änderung des Alterungszustands der Traktionsbatterie umgerechnet werden. Wird somit ermittelt, dass die Traktionsbatterie ausgehend von dem Startpunkt 14 die ermittelte Änderung des Alterungszustands durchlaufen hat, dann wird festgestellt, dass das Kilometeräquivalent durchfahren worden ist. Wird festgestellt, dass in der Traktionsbatterie ausgehend von dem Startpunkt 14 der ermittelte Energiedurchsatz durchgelaufen ist, dann wird daraus geschlussfolgert, dass das vorgegebene Äquivalent an Kilometern durch das Kraftfahrzeug gefahren worden ist. Somit kann das Anpassen des zulässigen Ladezustandsbereichs 20 in Abhängigkeit von einer Nutzung der Traktionsbatterie erfolgen. Wird die Traktionsbatterie intensiver genutzt, dann erfolgt die Anpassung schneller, als wenn die Traktionsbatterie weniger intensiv genutzt wird.
Wird durch den Wert eines vorgegebenen Parameters, welcher eine veränderbare Eigenschaft der Traktionsbatterie beschreibt, ein Grenzwert erreicht, dann wird festgestellt, dass der Startpunkt 14 vorliegt, und infolgedessen das Anpassen des zulässigen Ladezustandsbereichs 20 gestartet. Als Parameter kann insbesondere der Energiedurchsatz der Traktionsbatterie und/oder der Alterungszustand herangezogen werden. Erreicht somit der in der Traktionsbatterie durchgesetzte Energiedurchsatz den für diesen Energiedurchsatz vorgegebenen Grenzwert, dann wird der Startpunkt 14 gesetzt und somit der minimale Ladezustand 16 angehoben und/oder der maximale Ladezustand 18 abgesenkt. Wird ein für einen Alterungszustand der Traktionsbatterie vorgegebener Grenzwert erreicht, dann wird der Startpunkt 14 gesetzt und infolgedessen der minimale Ladezustand 16 angehoben und/oder der maximale Ladezustand 18 abgesenkt. Somit wird durch den Energiedurchsatz der Traktionsbatterie beziehungsweise durch den Alterungszustand der Traktionsbatterie der Startpunkt 14 vorgegeben, zu welchem der minimale Ladezustand 16 angehoben wird und/oder der maximale Ladezustand 18 abgesenkt wird.
Der Alterungszustand, welcher auch als State of Health bezeichnet werden kann, kann in Abhängigkeit vom Energiedurchsatz der Traktionsbatterie und/oder jeweiliger Ladezustände der Traktionsbatterie über jeweilige Ladevorgänge ermittelt werden.
Um eine besonders hohe Lebensdauer der Traktionsbatterie erreichen zu können, ist es vorgesehen, dass der zulässige Ladezustandsbereich 20 in einen Bereich gelegt wird, in welchem eine Alterung der Traktionsbatterie minimal ist. Dafür kann der zulässige Ladezustandsbereich 20 beispielweise in einen Bereich von 20 % als minimalem Ladezustand 16 bis 70 % als maximalen Ladezustand 18 gelegt werden.
Um zu vermeiden, dass die Traktionsbatterie unter den minimalen Ladezustand 16 entladen wird, beziehungsweise über den maximalen Ladezustand 18 geladen wird, kann es vorgesehen sein, dass in dem Kraftfahrzeug der minimale Ladezustand als 0 % Ladezustand und der maximale Ladezustand als 100 % Ladezustand dargestellt werden. Hierdurch kann der Fahrer des Kraftfahrzeugs angeregt werden, eine Lademöglichkeit für das Kraftfahrzeug aufzusuchen, sobald sich der angezeigte Ladezustand den 0 % nähert und somit der reale Ladezustand der Traktionsbatterie sich dem minimalen Ladezustand 16 annähert. Hierdurch kann das Einhalten des zulässigen Ladezustandsbereichs 20 besonders zuverlässig erfolgen.
Das Verfahren ermöglicht eine besonders hohe mittels elektrischer Energie erreichbare Reichweite ER durch Reduktion des zulässigen Ladezustandsbereichs 20 der Traktionsbatterie. Ein Alterungsverhalten von üblichen Lithium-Ionen-Batterien zeigt eine beschleunigte Alterung bei großen genutzten Ladezustandsbereichen 20 bei einer hohen Anzahl an Ladezyklen. Bei einem eingeschränkten nutzbaren Ladezustandsbereich 20 kann im Vergleich zu einem nicht eingeschränkten Ladezustandsbereich 20 eine größere Anzahl an äquivalenten vollständigen Ladezyklen LZ erreicht werden, was in einer höheren Lebensdauer der Traktionsbatterie resultiert.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei niedrigem Ladezustand eine hohe mechanische Belastung der Traktionsbatterie auftritt, was mit der Zeit zu verstärkten Ablagerungen von Elektrolyten an einer Anode führt. Wird diese Ablagerungsschicht zu dick, dann erfolgt ein Abscheiden von Lithium, was zu einer beschleunigten Alterung bei einer sehr hohen Anzahl an Ladezyklen führt. Das beschriebene Verfahren zum Betreiben der Traktionsbatterie begrenzt die mechanische Belastung der Traktionsbatterie, wodurch eine Ablagerung von Lithiumabscheidungen verlangsamt werden kann.
Durch das Einschränken des zulässigen Ladezustandsbereichs 20 steht dem Fahrer, wie in 1 erkannt werden kann, vorübergehend eine geringere elektrische Reichweite ER zur Verfügung, wobei ab dem Break Even Point der Fahrer aufgrund des besseren Alterungszustands zusätzlich zur längeren Lebensdauer der Traktionsbatterie eine höhere Reichweite ER des elektrischen Antriebsstrangs hat. Das Verfahren ermöglicht somit eine langfristig positive Auswirkung auf die mittels des elektrischen Antriebsstrangs erzielbare Reichweite ER, da der Alterungsvorteil die Reduzierung des zulässigen Ladezustandsbereichs 20 überkompensiert.
Das Anpassen des zulässigen Ladezustandsbereichs 20 wird aktiviert, wenn der Wert des vorgegebenen Parameters der Traktionsbatterie den zeitunabhängigen Grenzwert erreicht. Somit ist der Startpunkt 14 abhängig von dem elektrischen Anteil sowie dem Stromverbrauch des Kraftfahrzeugs basierend auf dem Fahrverhalten des das Kraftfahrzeug steuernden Fahrers. Infolgedessen ist die jeweilige Laufleistung des Kraftfahrzeugs für den Startpunkt 14 für unterschiedliche Kraftfahrzeuge je nach Fahrverhalten des zugehörigen Fahrers unterschiedlich.
Insgesamt zeigt die Erfindung, wie eine elektrische Reichweitensparfunktion umgesetzt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: erste Kurve
12: zweite Kurve
14: Startpunkt
16: minimaler Ladezustand
18: maximaler Ladezustand
20: zulässiger Ladezustandsbereich
22: Reichweitenverlust
24: Reichweitengewinn
26: Rampenendpunkt
ER: Reichweite des elektrischen Antriebsstrangs
SOC: Ladezustand
LZ: Äquivalent an vollständigen Ladezyklen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8063609 B2 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, welche bei einem Betrieb des Kraftfahrzeugs bis zu einem vorgegebenen minimalen Ladezustand (16) entladen werden kann und in einem Ladevorgang bis zu einem vorgegebenen maximalen Ladezustand (18) aufgeladen werden kann, wobei bei dem Verfahren der minimale Ladezustand (16) angehoben wird und/oder der maximale Ladezustand (18) abgesenkt wird, wenn durch den Wert eines vorgegebenen Parameters, welcher eine veränderbare Eigenschaft der Traktionsbatterie beschreibt, ein Grenzwert erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Ladezustand (16) und/oder der maximale Ladezustand (18) für den Rest einer Lebensdauer der Traktionsbatterie angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter ein Energiedurchsatz der Traktionsbatterie und/oder ein Alterungszustand (SOH) herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Ladezustand (16) und/oder der maximale Ladezustand (18) linear angepasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Ladezustand (16) und/oder der maximale Ladezustand (18) über eine vorgegebene Zeitspanne, insbesondere eine Zeitspanne von 3 bis 6 Monaten angepasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Ladezustand (16) und/oder der maximale Ladezustand (18) während eines Umsetzens eines vorgegebenen Energiedurchsatzes in der Traktionsbatterie und/oder während des Auftretens einer vorgegebenen Änderung des Alterungszustands (SOH) angepasst werden.
Elektronische Recheneinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, einen Ladevorgang einer Traktionsbatterie zu steuern und einen minimalen Ladezustand (16) und/oder einen maximalen Ladezustand (18) der Traktionsbatterie in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche anzupassen.
Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie, welche dazu eingerichtet ist, in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 betrieben zu werden.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Anzeigeeinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, den minimalen Ladezustand (16) als 0 % Ladezustand und den maximalen Ladezustand (18) als 100 % Ladezustand auszugeben.