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DE102022212186A1 - Method for predicting expected load profiles to control the charging power of a battery - Google Patents

Method for predicting expected load profiles to control the charging power of a battery Download PDF

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DE102022212186A1
DE102022212186A1 DE102022212186.4A DE102022212186A DE102022212186A1 DE 102022212186 A1 DE102022212186 A1 DE 102022212186A1 DE 102022212186 A DE102022212186 A DE 102022212186A DE 102022212186 A1 DE102022212186 A1 DE 102022212186A1
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DE
Germany
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battery
charging
temperature
load profile
maximum permissible
Prior art date
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Pending
Application number
DE102022212186.4A
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German (de)
Inventor
Henrick Brandes
Ian Faye
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to PCT/EP2023/081632 priority patent/WO2024104970A1/en
Priority to CN202380079447.XA priority patent/CN120225392A/en
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und Betreiben einer Batterie (30) unter Berücksichtigung eines prädizierten Lastprofils (40) einer anschließenden Nutzung, eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens zum Laden und Betreiben einer Batterie (30) und eine Verwendung einer solchen Vorrichtung (20) gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

Figure DE102022212186A1_0000
The present invention relates to a method for charging and operating a battery (30) taking into account a predicted load profile (40) of a subsequent use, a device for carrying out such a method for charging and operating a battery (30) and a use of such a device (20) according to the preamble of the independent patent claims.
Figure DE102022212186A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und Betreiben einer Batterie unter Berücksichtigung eines prädizierten Lastprofils einer anschließenden Nutzung, eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens zum Laden und Betreiben einer Batterie und eine Verwendung einer solchen Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The present invention relates to a method for charging and operating a battery taking into account a predicted load profile of a subsequent use, a device for carrying out such a method for charging and operating a battery and a use of such a device according to the preamble of the independent patent claims.

Stand der TechnikState of the art

Zur Umsetzung der Elektromobilität werden wiederaufladbare Batterien zur mehrfachen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie verwendet. Dafür sind insbesondere Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Selbstentladung und relativ hohen Energiedichte besonders geeignet. Eine derartige Lithium-Ionen-Batterie weist typischerweise mehrere Batteriemodule auf, welche wiederum mehrere Batteriezellen umfassen. Aber auch andere wiederaufladbare Batterien kommen im Bereich der Elektromobilität zum Einsatz.To implement electromobility, rechargeable batteries are used to convert chemical energy into electrical energy several times. Lithium-ion batteries are particularly suitable for this due to their comparatively low self-discharge and relatively high energy density. Such a lithium-ion battery typically has several battery modules, which in turn contain several battery cells. But other rechargeable batteries are also used in the field of electromobility.

Aus dem Dokument DE 10 2017 210 303 B3 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei die Batterie in dessen Ladebetriebszustand mit einer Schnellladeeinrichtung geladen wird. Das Verfahren wird hierbei beendet, wenn eine maximal zulässige Ladetemperatur erreicht ist.From the document EN 10 2017 210 303 B3 A method for operating a battery in a motor vehicle is known, wherein the battery is charged in its charging mode using a quick-charging device. The method is terminated when a maximum permissible charging temperature is reached.

Dokument DE 10 2021 201 379 A1 offenbart ein Verfahren zur Routenplanung für ein Elektrokraftfahrzeug, bei welchem zur Erhöhung der Batteriereichweite und/oder der Batterielebensdauer Routeninformationen einbezogen werden. Dazu erhält eine Datenverarbeitungsvorrichtung eine Vielzahl von Routenvorschlägen von einem Navigationssystem und prognostiziert für jeden Routenvorschlag ein Lastprofil. Anhand der jeweiligen Lastprofile wird eine Regelungsstrategie für ein Temperaturmanagementsystem ermittelt, welche einen zeitlichen Temperaturverlauf der Batterie optimiert. Schließlich wird der Routenvorschlag auswählt, bei dem der Zeitraum in einem optimalen Temperaturbereich der Batterie und/oder eine Batteriereichweite maximal ist.document EN 10 2021 201 379 A1 discloses a method for route planning for an electric vehicle, in which route information is included to increase the battery range and/or the battery life. For this purpose, a data processing device receives a large number of route suggestions from a navigation system and predicts a load profile for each route suggestion. Based on the respective load profiles, a control strategy for a temperature management system is determined which optimizes a temporal temperature profile of the battery. Finally, the route suggestion is selected in which the period in an optimal temperature range of the battery and/or a battery range is maximum.

Aus Dokument DE 10 2009 046 568 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb bekannt, welches einsetzbar ist, um intelligente Regelungsstrategien für den elektrischen Antrieb und eine intelligente Temperaturregelung von Traktionsbatterien in Kraftfahrzeugen bereitzustellen. Das Verfahren umfasst ein Temperaturmanagement für den Energiespeicher, wobei anhand der Parameter der zurückzulegenden Fahrtstrecke Lastprofile ermittelt werden, die angeben, welche Antriebsenergie zu welchem Zeitpunkt bereitgestellt werden muss. Anhand der Lastprofile kann eine Temperaturregelung des Energiespeichers festgelegt werden.From document EN 10 2009 046 568 A1 A method for operating vehicles with electric drives is known, which can be used to provide intelligent control strategies for the electric drive and intelligent temperature control of traction batteries in motor vehicles. The method includes temperature management for the energy storage device, whereby load profiles are determined based on the parameters of the distance to be covered, which indicate which drive energy must be provided at which time. Temperature control of the energy storage device can be determined based on the load profiles.

Dokument DE 10 2017 127 029 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines elektrifizierten Fahrzeugs auf Grundlage einer Route, die für eine gewünschte Wärmeverwaltung einer Batterie ausgewählt ist. Ein Steuersystem analysiert den aktuellen Batteriewärmezustand in Bezug auf mögliche Fahrrouten und wählt eine Route aus, bei der eine minimale Heiz- oder Kühlrate erreicht werden kann.document EN 10 2017 127 029 A1 discloses a method for controlling an electrified vehicle based on a route selected for desired thermal management of a battery. A control system analyzes the current battery thermal state in relation to possible driving routes and selects a route where a minimum heating or cooling rate can be achieved.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren zum Laden und Betreiben einer Batterie unter Berücksichtigung eines prädizierten Lastprofils einer anschließenden Nutzung, eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens zum Laden und Betreiben einer Batterie und eine Verwendung einer solchen Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt.According to the present invention, a method for charging and operating a battery taking into account a predicted load profile of a subsequent use, a device for carrying out such a method for charging and operating a battery and a use of such a device with the characterizing features of the independent patent claims are provided.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Batterie in einem Ladevorgang geladen und anschließend betrieben, wobei durch Vorhersage eines Lastprofils einer anschließenden Nutzung 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.In the method according to the invention, the battery is charged in a charging process and then operated, wherein by predicting a load profile of a subsequent use, a maximum permissible predictive charging temperature of the battery during the charging process is specified as a function of a predefinable operating state of the battery following the charging process such that the maximum operating temperature of the battery during the subsequent predefinable operating state is less than or equal to a maximum permissible operating temperature of the battery.

Erfolgt das Laden einer Batterie, welche beispielsweise in einem Elektrofahrzeug eingesetzt wird, z. B. mit einer Ladesäule an einer Autobahn und es ist anhand des prädizierten Lastprofils der anschließenden Nutzung, hier der Weiterfahrt, abzusehen, dass die dem Ladevorgang nachfolgende Fahrt des Elektrofahrzeuges bspw. mit hoher Last und/oder Geschwindigkeit und/oder einer hohen Steigung 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- bzw. Lastprofils erfolgt.If a battery used in an electric vehicle is charged, e.g. with a charging station on a motorway, and it can be foreseen based on the predicted load profile of the subsequent use, in this case the onward journey, that the journey of the electric vehicle following the charging process will continue, e.g. with a high load and/or speed and/or a high gradient and the associated high thermal losses, in many cases, e.g. if the vehicle cabin also has to be air-conditioned, the cooling capacity of the electric vehicle is not sufficient to dissipate the thermal losses that occur due to the high load and/or speed. The result is that the electric vehicle is thermally throttled down. The method according to the invention is intended to prevent this by adjusting the maximum permissible charging temperature. taking into account the predicted subsequent driving or load profile.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the subclaims.

So ist es von Vorteil, bei der Vorhersage des Lastprofils einer anschließenden Nutzung eine Dauer der Nutzung und einen gestaffelten Energiebedarf der Nutzung zu prädizieren. Ebenso ist es vorteilhaft, bei der Vorhersage des Lastprofils einer anschließenden Nutzung aktuelle Rahmenbedingungen (z.B. Verkehrs- bzw. Wetterinformationen) für die Nutzung über eine Cloud bzw. Verbindung zur off-board Datenbearbeitungsumgebung zur Verfügung zu stellen. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, in der bei der Vorhersage des Lastprofils einer anschließenden Nutzung aktuelle Rahmenbedingungen für die Nutzung von anderen Nutzern, insbesondere über eine Cloud, zur Verfügung gestellt werden. Dies umfasst z. B. Daten von Fahrzeugen, die aufgrund der Steigung mit verlangsamter Geschwindigkeit einen Berg hinauffahren, oder die aufgrund von Wetterbedingungen wie Regen oder Nebel ihre Fahrtgeschwindigkeit drosseln. Im Rahmen dieser Erfindung ist unter dem Begriff „Cloud“ immer auch allgemein eine sonstige off-board Datenspeicherung und -bearbeitungsumgebung oder ein ähnliches Netzwerk oder System außerhalb des Fahrzeugs zu verstehen, womit Verbindung aufgenommen werden kann.It is therefore advantageous to predict a duration of use and a staggered energy requirement for use when predicting the load profile of subsequent use. It is also advantageous to make current framework conditions (e.g. traffic or weather information) available for use via a cloud or connection to the off-board data processing environment when predicting the load profile of subsequent use. An embodiment in which current framework conditions for use by other users are made available, in particular via a cloud, when predicting the load profile of subsequent use is particularly advantageous. This includes, for example, data from vehicles that drive up a hill at a slower speed due to the gradient, or that reduce their speed due to weather conditions such as rain or fog. In the context of this invention, the term "cloud" is always to be understood as generally another off-board data storage and processing environment or a similar network or system outside the vehicle with which a connection can be established.

Rahmenbedingungen können grundsätzlich alle Bedingungen sein, unter denen die Benutzung der Batterie erfolgt. Sie betreffen beispielsweise allgemeine äußere Bedingungen, wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit. Ebenso umfassen sie Bedingungen, die die geplante Nutzung selbst betreffen, wie die Vorrichtung, in der die Batterie zum Einsatz kommt, und auch deren vorliegende Limitierungen, etwa im Zusammenwirken mit weiteren Vorrichtungen, eventuelle Auslastungen und dergleichen. Die Bereitstellung entsprechender Daten erfolgt in der vorgeschlagenen Ausführungsform extern, also außerhalb der Vorrichtung in der die Batterie genutzt wird, insbesondere über eine Cloud. Dabei können auch andere Nutzer, etwa Vorrichtungen die für eine gleichartige Nutzung eingesetzt werden oder deren Anwender, Daten zu Rahmenbedingungen zur Verfügung stellen, beispielsweise über eine Cloud oder sonstige Netzwerke zur Datenverarbeitung außerhalb des Fahrzeugs.Framework conditions can in principle be all conditions under which the battery is used. They relate, for example, to general external conditions such as temperature or humidity. They also include conditions that relate to the planned use itself, such as the device in which the battery is used and its existing limitations, for example in interaction with other devices, possible utilization and the like. In the proposed embodiment, the corresponding data is provided externally, i.e. outside the device in which the battery is used, in particular via a cloud. Other users, such as devices that are used for a similar type of use or their users, can also provide data on framework conditions, for example via a cloud or other networks for data processing outside the vehicle.

Erfolgt das Laden einer Batterie, welche in einem elektrifizierten Fahrzeug eingesetzt wird, so wird das Lastprofil bspw. für eine anschließende Weiterfahrt prädiziert. Unter „elektrifizierten Fahrzeugen“ sind im Rahmen dieser Anmeldung solche Fahrzeuge zu verstehen, die zumindest teilweise elektrische angetrieben werden, zum Beispiel (Plug-in-)Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge. Die Dauer der Nutzung ergibt sich dabei aus der benötigten Fahrzeit, und der gestaffelte Energiebedarf aus der möglichen Geschwindigkeit (in Kombination mit weiteren relevanten Parametern) auf der Strecke bzw. einzelnen Streckenabschnitten, auch unter Berücksichtigung einer aktuellen Streckenbelastung. Solche Berechnungen sind etwa mit einem Programm für Eco-Routing möglich. „Eco-Routing“ bezeichnet das Ermitteln von Fahrtwegen, etwa durch Navigationssysteme, bei denen nicht nur Strecke und Fahrzeit berücksichtigt werden, sondern auch Kraftstoff-/ Energieverbrauch, wodurch besonders kraftstoff-/ energieeffiziente und damit umweltfreundliche Routen auswählbar sind. Systeme für Eco-Routing befinden sich meist außerhalb des Fahrzeugs, etwa in einer Cloud, und haben somit Zugriff auf aktuelle Bedingungen auf der geplanten Strecke, beispielsweise Wetter und Wind, aber auch bzgl. Streckensperrungen, Baustellen oder Streckenauslastung. Ebenso können sie Daten zum Fahrstil des Fahrers berücksichtigen. Diese Daten sind ebenfalls von den oben genannten Rahmenbedingungen umfasst. Mittels der Cloud können auch Informationen von anderen Fahrzeugen selbst, sowie ggf. von Gegebenheiten aus deren Umfeld, geteilt und zur Verfügung gestellt werden, die die vorliegende Strecke bereits gefahren sind oder gerade befahren.If a battery is charged that is used in an electrified vehicle, the load profile is predicted, for example, for a subsequent journey. In the context of this application, “electrified vehicles” are understood to mean vehicles that are at least partially electrically powered, for example (plug-in) hybrid vehicles and electric vehicles. The duration of use is determined by the required travel time, and the staggered energy requirement by the possible speed (in combination with other relevant parameters) on the route or individual sections of the route, also taking into account the current route load. Such calculations are possible with an eco-routing program, for example. “Eco-routing” refers to the determination of routes, for example using navigation systems, which take into account not only the route and travel time, but also fuel/energy consumption, which means that particularly fuel/energy efficient and therefore environmentally friendly routes can be selected. Eco-routing systems are usually located outside the vehicle, for example in a cloud, and thus have access to current conditions on the planned route, such as weather and wind, but also route closures, construction sites or route utilization. They can also take into account data on the driver's driving style. This data is also covered by the framework conditions mentioned above. The cloud can also be used to share and make available information from other vehicles themselves, as well as from conditions in their surroundings, which have already driven or are currently driving the route in question.

Einflussfaktoren, die den Energiebedarf beeinflussen und somit für das Vorhersagen des Lastprofils zu berücksichtigen sind, umfassen am Beispiel einer Batterie in einem Elektrofahrzeug unter anderem: i) die zu fahrende Geschwindigkeit entsprechend den Vorgaben bzw. entsprechend temporärer Begrenzungen bspw. in Baustellen oder die sich aufgrund der Auslastung von Verkehrswegen ergeben; ii) die Lage von bzw. die Distanz zu Ladestationen und deren Erreichbarkeit sowie Verfügbarkeit; iii) eine erhöhte Last des Fahrzeugs z. B. durch schwere Beladung, viele Insassen oder einen Anhänger; iv) die geografischen Gegebenheiten wie Steigungen oder Gefälle; v) Wetterbedingungen wie Gegenwind, Kälte, Hitze, Regen, Temperaturen, die den Betrieb einer Klimaanlage oder einer Heizung erfordern; vi) die Beschaffenheit der Fahrbahn, ebenso wie vereiste oder verschmutzte Fahrbahnen; vii) einzuhaltenden Zeitvorgaben für die Reiseplanung; viii) selbst festgestellte bzw. gewählte Vorgaben.Influencing factors that affect energy requirements and therefore need to be taken into account when predicting the load profile, using the example of a battery in an electric vehicle, include: i) the speed to be driven in accordance with the specifications or temporary restrictions, e.g. in construction sites or which arise due to the utilization of traffic routes; ii) the location of or distance to charging stations and their accessibility and availability; iii) an increased load on the vehicle, e.g. due to heavy loading, many passengers or a trailer; iv) geographical conditions such as inclines or declines; v) weather conditions such as headwinds, cold, heat, rain, temperatures that require the operation of air conditioning or heating; vi) the condition of the road surface, as well as icy or dirty roads; vii) time limits to be met for travel planning; viii) self-determined or selected specifications.

Das letztendliche Berechnungsmodell zur Vorhersage des Lastprofils ist spezifisch für die jeweilige Batterie und der Zustand sowie für die Vorrichtung, z. B. für das Fahrzeug, in der die Batterie eingesetzt wird, und ergibt sich aus numerischen Modellen gemäß dem Stand der Technik, welche Fachleuten bekannt sind.The final calculation model for predicting the load profile is specific to the particular battery and condition as well as to the device, e.g. the vehicle, in which the battery is used and results from state-of-the-art numerical models known to those skilled in the art.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Vorhersage des Lastprofils einer anschließenden Nutzung während des Ladevorgangs und im Betriebszustand eine kontinuierliche Überwachung der Durchführung erfolgt.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, when predicting the load profile of a subsequent use during the charging process and in the operating state, continuous monitoring of the implementation is carried out.

Dazu gehören bspw. die Überwachung bestimmter Zeiten oder des Temperaturprofils sowie des prädizierten Lastprofils im Gesamten. Erfolgt das Laden einer Batterie, welche in einem elektrifizierten Fahrzeug eingesetzt wird, so erfolgt die Überwachung meist im Fahrzeug, also on-board, mithilfe eines Fahrzeugsteuergeräts. Dieses verfügt in der Regel über die komplette Übersicht über die geplante Fahrt und die Reiseroute und kann die Nutzung der Batterie in Bezug auf das prädizierte Lastprofil überwachen. Dazu können etwa auch die Überwachung von Uhrzeiten, geplanten Lade-Stopps oder Geschwindigkeitsprofilen gehören. Ebenso kann eine Gewichtung von Vorhersageabschnitten erfolgen, indem je weiter die voraussichtliche Belastung in der Zukunft liegt, diese umso weniger stark beachtet wird, da entferntere Vorhersagen meist eine höhere Ungenauigkeit aufweisen.This includes, for example, monitoring specific times or the temperature profile as well as the predicted load profile as a whole. If a battery used in an electrified vehicle is charged, monitoring usually takes place in the vehicle, i.e. on-board, using a vehicle control unit. This usually has a complete overview of the planned journey and route and can monitor the use of the battery in relation to the predicted load profile. This can also include monitoring times, planned charging stops or speed profiles. Forecast sections can also be weighted so that the further in the future the expected load is, the less attention is paid to it, since more distant forecasts usually have a higher degree of inaccuracy.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einer Abweichung vom prädizierten Lastprofil über einem Schwellenwert iterativ eine neue Berechnung der Dauer der Nutzung und des gestaffelten Energiebedarfs der Nutzung eingeleitet. Der Schwellenwert der Abweichung, ab dem einen neue Berechnung eingeleitet wird, kann je nach Art und Umfang der Nutzung festgelegt sein. Die Neuberechnung kann zu jedem Zeitpunkt erfolgen, an dem eine Abweichung oder Ungenauigkeit des prädizierten Lastprofils erkannt wird.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, if there is a deviation from the predicted load profile above a threshold value, a new calculation of the duration of use and the staggered energy requirement of use is iteratively initiated. The threshold value of the deviation from which a new calculation is initiated can be set depending on the type and extent of use. The new calculation can be carried out at any time at which a deviation or inaccuracy of the predicted load profile is detected.

Im Falle des Ladens einer Batterie, welche in einem elektrifizierten Fahrzeug eingesetzt wird, kann der Schwellenwert etwa durch eine bestimmte Zeitabweichung oder ein verändertes Geschwindigkeitsprofil definiert werden. Ebenso könnte aber auch das Erreichen von Etappenzielen wie Ladestationen oder eine geänderte Wegführung durch kurzfristige Straßensperrungen und dergleichen berücksichtigt werden. Für die neue Berechnung kann dann bspw. eine erneute Routenplanung mit Eco-Routing durchgeführt und aktualisierte Rahmenbedingungen können ggf. berücksichtigt werden.In the case of charging a battery used in an electrified vehicle, the threshold value can be defined by a certain time deviation or a changed speed profile. However, the reaching of intermediate destinations such as charging stations or a changed route due to short-term road closures and the like could also be taken into account. For the new calculation, a new route planning can then be carried out using eco-routing, for example, and updated framework conditions can be taken into account if necessary.

Ebenso ist es von Vorteil, wenn die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie am Ende des Ladevorgangs nicht überschritten wird. Eine Überschreitung ohne eine anschließende temperaturbedingte Drosselung der Leistung wäre nur in dem Fall möglich, in dem der prädizierte Temperaturverlauf der Batterie nach dem Ladestopp hinreichend Kühlleistung ausweist, so dass die Schwelle für eine Drosselung unterschritten ist.It is also advantageous if the maximum permissible charging temperature of the battery is not exceeded at the end of the charging process. Exceeding this limit without a subsequent temperature-related throttling of the power would only be possible in the case in which the predicted temperature profile of the battery after the charging stop shows sufficient cooling performance so that the threshold for throttling is not exceeded.

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.During the charging process, the temperature of the battery rises due to thermal losses as a result of the internal resistance of the battery and especially at higher charging power. The temperature rise of the battery is permitted up to the maximum permissible operating temperature of the battery until the higher charging power is then regulated to prevent the maximum permissible operating temperature from being exceeded. The regulation of the higher charging power and the associated reduction in thermal losses is necessary because the performance of a cooling system intended for the battery reaches its limits, particularly when taking into account other drive components of an electric vehicle, for example, and sufficient heat can no longer be dissipated from the battery.

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.The temperature of the battery is then kept at approximately this maximum permissible operating temperature until the end of the charging process. When the charging process is finished, the temperature of the battery is still below or at the maximum permissible operating temperature. The battery is then operated at this temperature level, for example in the form of a subsequent journey of the electric vehicle. As a result of the relatively high battery temperature, the output power is then limited during the onward journey, for example, in order not to exceed the maximum permissible operating temperature during the journey. This limitation of the output power is necessary because the extraction of energy from the battery also causes losses in the battery and would heat it up further.

Für den Fall höherer Last, z. B. durch höhere Geschwindigkeiten, Steigungen, Anhängerbetrieb, mitunter starker Gegenwind 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 können 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. Erfindungsgemäß wird die maximal zulässige Ladetemperatur der Batterie am Ende des Ladevorgangs also bspw. entsprechend reduziert, wenn im Anschluss an den Ladevorgang ein hoher Leistungsbedarf mit entsprechender Temperaturentwicklung prädiziert ist.In the case of higher loads, e.g. due to higher speeds, gradients, trailer operation, sometimes strong headwinds or high outside temperatures, the problem often arises that the performance of the cooling system is no longer sufficient to dissipate long-term and permanent power losses, especially in combination with other cooling requirements, e.g. of the vehicle cabin or the occupants. In the cases mentioned above, only a limited amount of power is available from the battery after charging and represents a noticeable restriction of the performance of the electric vehicle for the driver. This can even become safety-relevant when overtaking, for example. To counteract this situation, the entire cooling system can be adapted and enlarged, which is associated with significant costs and results in a significant change to the air heat exchangers and air inlets or additional measures on the charging infrastructure side. On the vehicle side Measures, in turn, have a significant influence on the design of the vehicle front. These serious changes can be avoided with the method according to the invention by not exceeding the maximum permissible charging temperature of the battery at the end of the charging process and avoiding the situation of limited battery performance as far as possible. According to the invention, the maximum permissible charging temperature of the battery at the end of the charging process is reduced accordingly, for example, if a high power requirement with corresponding temperature development is predicted following the charging process.

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.Furthermore, it is advantageous if the maximum permissible charging temperature of the battery is determined depending on at least one state of health of the battery. Alternatively or additionally, it is advantageous if the maximum permissible charging temperature of the battery is determined depending on a state of charge of the battery.

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 gemäß prädiziertem Lastprofil 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.Furthermore, it is advantageous if the maximum permissible charging temperature of the battery is determined taking into account at least one existing charging power during the charging process. Alternatively or additionally, it is advantageous if the maximum permissible charging temperature of the battery is determined taking into account at least one charging power to be expected according to the predicted load profile or an expected charging power curve during the charging process. Furthermore, it is advantageous if the maximum permissible charging temperature of the battery is determined taking into account any existing heat development in the battery in the operating state. Alternatively or additionally, it is advantageous if the maximum permissible charging temperature of the battery is determined taking into account any expected heat development in the battery in the operating state.

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 und der auftretenden thermischen Verluste 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. Dies schließt die Fähigkeit der Kühleinrichtung ein, die nötige Kühllast für die an den Ladevorgang anschließende Nutzung zu leisten.It is also advantageous if the battery is cooled in the operating state with a cooling device, the maximum permissible charging temperature of the battery being determined taking into account the maximum available cooling capacity of the cooling device and the thermal losses that occur. Alternatively or additionally, it is advantageous if the battery is cooled in the operating state with the cooling device, the maximum permissible charging temperature of the battery being determined taking into account the expected maximum available cooling capacity of the cooling device. This includes the ability of the cooling device to provide the necessary cooling load for use following the charging process.

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 prädizierte, potentiell 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 im weiteren Verlauf nach dem Ladevorgang. Dadurch wird die gewünschte Leistungsfähigkeit der Batterie für den Betrieb nach dem Ladevorgang sichergestellt.These measures offer the advantage that a temperature reserve is maintained in the battery at the end of the charging process, so that in the subsequent operating state of the battery, the maximum permissible operating temperature of the battery is not likely to be exceeded by the predicted, potentially heavy load. This is done by taking into account the maximum available cooling capacity, the expected charging power curve and the expected heat development of the battery, taking into account all other heat sources of the vehicle that need to be cooled in the further course after the charging process. This ensures the desired performance of the battery for operation after the charging process.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Laden und Betreiben einer Batterie bereitgestellt.According to a further aspect of the present invention, an apparatus for performing a method for charging and operating a battery is provided.

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 vor und während des Ladevorgangs in Abhängigkeit von einem dem Ladevorgang nachfolgenden vorgebbaren Betriebszustand der Batterie mit prädiziertem Lastprofil zu ermitteln.The device according to the invention comprises a control unit for controlling a charging process of the battery and a simulation unit. According to the invention, the simulation unit is designed to determine a maximum permissible charging temperature of the battery before and during the charging process as a function of a predefinable operating state of the battery following the charging process with a predicted load profile.

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 mit prädiziertem Lastprofil zu ermitteln.It is therefore advantageous if the simulation unit is also designed to determine the maximum permissible charging temperature of the battery, taking into account any heat development in the battery in the operating state. Alternatively or additionally, it is advantageous if the simulation unit is also designed to determine the maximum permissible charging temperature of the battery, taking into account any heat development to be expected in the battery in the operating state with a predicted load profile.

In einem weiteren Aspekt der offenbarten Erfindung findet die erfindungsgemäße Vorrichtung Anwendung in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug. „Teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge“ umfassen im Rahmen dieser Anmeldung elektrifizierte Fahrzeuge, wie Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge, und können bspw. Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, landwirtschaftliche Fahrzeuge und Krafträder umfassen.In a further aspect of the disclosed invention, the device according to the invention is used in an at least partially electrically powered vehicle. In the context of this application, "partially electrically powered vehicles" include electrified vehicles, such as hybrid vehicles and electric vehicles, and can include, for example, passenger cars, trucks, agricultural vehicles and motorcycles.

In einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Verwendung der Vorrichtung in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug werden in dem durchgeführten Verfahren zum Laden und Betreiben einer Batterie zur Vorhersage des Lastprofils einer anschließenden Nutzung ein off-board Eco-Routing und/oder Eco-Charging und/oder Eco-Driving und ein on-board Steuergerät eingesetzt. Diese werden, wie oben beschrieben, bei der Ermittlung von Dauer und gestaffeltem Energiebedarf der Nutzung sowie zur kontinuierlichen Überwachung genutzt. Dadurch können sowohl externe Daten aus der Umgebung sowie interne Daten aus dem Fahrzeug für die Vorhersage des Lastprofils verwendet werden. Dabei kann es selbst während des Ladevorgangs aufgrund veränderter, relevanter Bedingungen bei der weiteren Nutzung (Weiterfahrt) zu einer Neuberechnung der Reiseplanung (inkl. Eco-Routing, Eco-Charging, Eco-Driving) kommen.In an advantageous embodiment of the use of the device according to the invention in an at least partially electrically powered vehicle, in the method carried out for charging and operating a battery in order to predict the load profile of subsequent use, an off-board eco-routing and/or eco-charging and/or eco-driving and an on-board control unit are used. These are used, as described above, to determine the duration and staggered energy requirements of use and for continuous monitoring. This means that both external data from the environment and internal data from the vehicle can be used to predict the load profile. Even during the charging process, the trip planning (including eco-routing, eco-charging, eco-driving) can be recalculated due to changed, relevant conditions during further use (continued journey).

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in den nachfolgenden Figurenbeschreibungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 einen beispielhaften Verlauf einer Lade- und Betriebstemperatur bei einem Verfahren zum Laden und Betreiben einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Laden und Betreiben einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 eine schematische Ansicht des Verfahrens zum Laden und Betreiben einer Batterie, einschließend die Vorhersage eines Lastprofils einer anschließenden Nutzung.
Advantageous embodiments of the present invention are shown in the drawings and explained in more detail in the following figure descriptions. They show:
  • 1 an exemplary profile of a charging and operating temperature in a method for charging and operating a battery according to an embodiment of the present invention;
  • 2 a sectional view of an apparatus for carrying out a method for charging and operating a battery according to an embodiment of the present invention; and
  • 3 a schematic view of the process for charging and operating a battery, including the prediction of a load profile of subsequent use.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, identical or similar elements are designated by identical reference numerals, whereby a repeated description of these elements is omitted in individual cases. The figures only represent the subject matter of the invention schematically.

In 1 ist ein beispielhafter Verlauf 10 einer Lade- und Betriebstemperatur T1, T2 über die Zeit t bei einem Verfahren zum Laden und Betreiben einer Batterie 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.In 1 an exemplary curve 10 of a charging and operating temperature T 1 , T 2 over time t in a method for charging and operating a battery 30 according to an embodiment of the present invention is shown.

Mit einem Startzeitpunkt t0 eines Ladevorgangs 12 wird die Batterie 30 auf einen Ladevorgang 12 vorbereitet, indem die Temperatur T der Batterie 30 beispielsweise auf eine anfängliche Ladetemperatur T0 reduziert wird. Der Ladevorgang 12 wird beispielsweise mithilfe einer Schnelladeeinrichtung durchgeführt. Während des Ladevorgangs 12 steigt die Ladetemperatur T1 beispielsweise aufgrund von thermischen Verlusten in der Batterie 30 bei höherer Ladeleistung an. Der Temperaturanstieg wird bis zu einer maximal zulässigen prädiktive Ladetemperatur T1,max der Batterie 30 zugelassen. Dabei wird die maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur T1,max der Batterie 30 am Ende des Ladevorgangs 12 zu einem ersten Zeitpunkt t1 beispielsweise erreicht oder nicht überschritten. Diese maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur T1,max gilt somit als Sollwert für den Ladevorgang 12.With a start time t 0 of a charging process 12, the battery 30 is prepared for a charging process 12 by reducing the temperature T of the battery 30, for example, to an initial charging temperature T 0. The charging process 12 is carried out, for example, using a rapid charging device. During the charging process 12, the charging temperature T 1 rises, for example, due to thermal losses in the battery 30 at higher charging power. The temperature rise is permitted up to a maximum permissible predictive charging temperature T 1,max of the battery 30. The maximum permissible predictive charging temperature T 1,max of the battery 30 is reached or not exceeded at the end of the charging process 12 at a first time t 1 , for example. This maximum permissible predictive charging temperature T 1,max is therefore considered the target value for the charging process 12.

Ab dem ersten Zeitpunkt t1 befindet sich die Batterie 30 in einem Betriebszustand 14. In diesem Betriebszustand 14 bis zu einem zweiten Zeitpunkt t2, der ein Ende bzw. eine längere Unterbrechung des Betriebs angibt, wird die Batterie 30 betrieben, beispielsweise wird sie zum Antreiben einer elektrischen Maschine in einem Elektrofahrzeug verwendet. Die Betriebstemperatur T2 der Batterie 30 steigt in dem Betriebszustand 14 z. B. bis zu einer maximalen Betriebstemperatur T2,max an. Der Temperaturanstieg erfolgt hierbei z. B. aufgrund von thermischen Verlusten infolge eines Innenwiderstands der Batterie 30. Die maximale Betriebstemperatur T2,max ist beispielsweise kleiner als eine maximal zulässige Betriebstemperatur Tmax der Batterie 30. Dabei ist die maximal zulässige Betriebstemperatur Tmax der Batterie 30 beispielsweise abhängig von einem Gesundheitszustand der Batterie 30. Die gemäß Lastprofil 40 prädizierte Temperatur T2,P zeigt im Diagramm den zuvor berechneten Temperaturverlauf für die geplante Nutzung der Batterie 30. Diese wird im Verfahren herangezogen, um die maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur T1,max zu ermitteln sowie die maximale Betriebstemperatur T2,max vorherzusagen. Im Falle des Ladens einer Batterie 30 in einem Elektrofahrzeug wird für das Laden und anschließende Betreiben der Batterie 30 ein Lastprofil 40 für die Nutzung, hier die Weiterfahrt, prädiziert. Dafür werden sowohl externe Daten 44, z. B. durch ein System für Eco-Routing 62, als auch interne Daten 42, etwa durch ein Fahrzeugsteuergerät 64, hinzugezogen. Diese Systeme können sich bezüglich des vorliegenden Energiebedarfs 52 austauschen und für die Vorhersage des Lastprofils 40 die berechnete Dauer der Nutzung 56 sowie einen gestaffelten bzw. aggregierten Energiebedarf der Nutzung 58 ebenso wie eine kontinuierliche Überwachung 54 der Durchführung zur Verfügung stellen.From the first point in time t 1 , the battery 30 is in an operating state 14. The battery 30 is operated in this operating state 14 up to a second point in time t 2 , which indicates an end or a longer interruption in operation; for example, it is used to drive an electrical machine in an electric vehicle. The operating temperature T 2 of the battery 30 increases in the operating state 14, e.g. up to a maximum operating temperature T 2,max . The temperature increase here occurs e.g. B. due to thermal losses as a result of an internal resistance of the battery 30. The maximum operating temperature T 2,max is, for example, lower than a maximum permissible operating temperature T max of the battery 30. The maximum permissible operating temperature T max of the battery 30 depends, for example, on the health of the battery 30. The temperature T 2,P predicted according to the load profile 40 shows in the diagram the previously calculated temperature profile for the planned use of the battery 30. This is used in the method to determine the maximum permissible predictive charging temperature T 1,max and to predict the maximum operating temperature T 2,max . In the case of charging a battery 30 in an electric vehicle, a load profile 40 for the use, in this case the onward journey, is predicted for charging and subsequently operating the battery 30. For this purpose, both external data 44, e.g. from an eco-routing system 62, and internal data 42, e.g. from a vehicle control unit 64, are used. These systems can exchange information regarding the existing energy demand 52 and provide the calculated duration of use 56 and a staggered or aggregated energy demand of the use 58 as well as continuous monitoring 54 of the implementation for the prediction of the load profile 40.

In 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 T1, T2 über der Zeit t gemäß 1 schematisch dargestellt.In 2 is a sectional view of a device 20 for carrying out a method for charging and operating a battery 30 with a curve 10 of a charging and operating temperature T 1 , T 2 over time t according to 1 shown schematically.

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.The device 20 is, for example, electronically coupled to the battery 30, which is charged, for example, with a charging device 32. The charging device 32 can, for example, be a charging station on a highway.

Die Vorrichtung 20 umfasst beispielsweise mindestens einen Temperatursensor 22 zum Erfassen zumindest einer in Echtzeit vorliegenden Temperatur T der Batterie 30, oder nutzt einen solchen z. B. aus dem Batteriemanagementsystem. Diese zumindest eine vorliegende Temperatur T kann beispielsweise eine repräsentative Ladetemperatur T1 der Batterie 30 während des Ladevorgangs 12 oder die Betriebstemperatur T2 der Batterie 30 in dem Betriebszustand 14 sein.The device 20 comprises, for example, at least one temperature sensor 22 for detecting at least one temperature T of the battery 30 present in real time, or uses such a sensor, for example from the battery management system. This at least one present temperature T can be, for example, a representative charging temperature T 1 of the battery 30 during the charging process 12 or the operating temperature T 2 of the battery 30 in the operating state 14.

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 Fahrzeugsteuergerät 64 vorgesehen ist, sodass ein unmittelbareres Prozessieren von Informationen, wie z. B. Kühlbedarf und Kühlfähigkeit, Außenbedingungen inkl. Außentemperatur, prädiziertes Fahr- bzw. Lastprofil 40 des Fahrzeuges, vorgenommen werden kann (siehe dazu auch die schematische Darstellung in 3). Dabei dient die Simulationseinheit 26 dazu, die maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur T1,max der Batterie 30 während des Ladevorgangs 12 unter Berücksichtigung z. B. eines Verlustkennlinienfeldes der Batterie 30 in dem Betriebszustand 14 gemäß des prädizierten Lastprofils 40 zu ermitteln. Ferner dient die Simulationseinheit 26 dazu, die maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur T1,max als Sollwert für den Ladevorgang 12 der Batterie 30 vorzugeben, ebenfalls unter Berücksichtigung des prädizierten Lastprofils 40 für eine an den Ladevorgang 12 anschließende Nutzung, wie eine Weiterfahrt des Elektrofahrzeugs. Der Betriebszustand 14 der Batterie 30 erfolgt beispielsweise nach dem Ladevorgang 12 der Batterie 30.The device 20 further comprises a control unit 24, which serves to start the charging process 12 of the battery 30 and to specify the duration and the course of the charging process 12 of the battery 30. The control unit 24 is electronically coupled, for example, to a simulation unit 26, which is provided in a preferably central vehicle control unit 64, so that a more direct processing of information, such as cooling requirements and cooling capacity, outside conditions including outside temperature, predicted driving or load profile 40 of the vehicle, can be carried out (see also the schematic representation in 3 ). The simulation unit 26 is used to determine the maximum permissible predictive charging temperature T 1,max of the battery 30 during the charging process 12, taking into account, for example, a loss characteristic field of the battery 30 in the operating state 14 according to the predicted load profile 40. The simulation unit 26 is also used to specify the maximum permissible predictive charging temperature T 1,max as a target value for the charging process 12 of the battery 30, also taking into account the predicted load profile 40 for use following the charging process 12, such as continuing to drive the electric vehicle. The operating state 14 of the battery 30 occurs, for example, after the charging process 12 of the battery 30.

Weiterhin umfasst die Vorrichtung 20 eine z. B. mit der Simulationseinheit 26 z. B. elektronisch gekoppelte Kühleinrichtung 28, welche dazu dient, die Batterie 30 mit einem Kühlmittel, wie z. B. Wasser, zu kühlen und somit die Temperatur T der Batterie 30 zum Startzeitpunkt t0 des Ladevorgangs 12 auf die anfängliche Ladetemperatur T0 zu reduzieren.Furthermore, the device 20 comprises a cooling device 28, which is coupled, for example, electronically to the simulation unit 26 and serves to cool the battery 30 with a coolant, such as water, and thus to reduce the temperature T of the battery 30 at the start time t 0 of the charging process 12 to the initial charging temperature T 0 .

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).The device 20 is used, for example, in an at least partially electrically powered vehicle, such as an electric vehicle (EV), a hybrid vehicle (HEV) or a plug-in hybrid vehicle (PHEV).

3 ist eine schematische Ansicht des Verfahrens zum Laden und Betreiben einer Batterie 30, einschließlich der Vorhersage eines Lastprofils 40 einer anschließenden Nutzung (siehe dazu auch Vorrichtung 20 im Detail in 2). Dabei wird das Zusammenspiel der verschiedenen Elemente dargestellt. Das Ausführungsbeispiel betrifft das Laden und Betreiben einer Batterie 30 in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug. 3 is a schematic view of the method for charging and operating a battery 30, including the prediction of a load profile 40 of subsequent use (see also device 20 in detail in 2 ). The interaction of the various elements is shown. The embodiment relates to the charging and operation of a battery 30 in an electrically powered vehicle.

Die für die Vorhersage des Lastprofils 40 nötigen Informationen werden einerseits aus internen Daten 42 und andererseits aus externen Daten 44 bereitgestellt. Dafür dient zum Bereitstellen der internen Daten 42 insbesondere das Fahrzeugsteuergerät 64, welches die komplette Übersicht über die geplante Fahrt hat und die Durchführung der Fahrt überwachen kann. Externe Daten 44, die dem Fahrzeugsteuergerät 64 nicht zur Verfügung stehen, werden beispielsweise durch ein System für Eco-Routing 62 zu Verfügung gestellt. Dazu zählen etwa aktuelle Streckenbelastungen, mögliche Geschwindigkeiten auf der Strecke, Streckensperrungen, Wetterbedingungen und dergleichen. Daraus ergeben sich z. B. für die Batterie 30 eine geplante Dauer der Nutzung 56 (Fahrzeit für die gewählte Route) und ein gestaffelter bzw. aggregierter Energiebedarf der Nutzung 58 (entsprechend verschiedenen Streckenabschnitten). Die jeweils aktuellen Rahmenbedingungen 50 bezieht das Eco-Routing 62 insbesondere aus einer Cloud 46, die auch mit weiteren Fahrzeugen verbunden sein kann, so dass ein Austausch von Informationen stattfindet mit Fahrzeugen, die die vorliegende Strecke bereits befahren sind bzw. gerade befahren. Sollte sich bei der Überwachung 54 der Durchführung durch das Fahrzeugsteuergerät 64 eine starke Abweichung zwischen dem prädizierten und dem tatsächlichen Lastprofil 40 herausstellen, kann eine erneute Berechnung anhand der externen Daten 44 initiiert werden.The information required to predict the load profile 40 is provided on the one hand from internal data 42 and on the other hand from external data 44. The vehicle control unit 64, which has a complete overview of the planned journey and can monitor the execution of the journey, is used in particular to provide the internal data 42. External data 44 that is not available to the vehicle control unit 64 is made available, for example, by an eco-routing system 62. This includes current route loads, possible speeds on the route, route closures, weather conditions and the like. This results in, for example, a planned duration of use 56 (travel time for the selected route) and a staggered or aggregated energy requirement for use 58 (corresponding to different route sections) for the battery 30. The eco-routing 62 obtains the current framework conditions 50 in particular from a cloud 46, which can also be connected to other vehicles, so that an exchange of information takes place with vehicles that have already traveled or are currently traveling the current route. If the monitoring 54 of the implementation by the vehicle control unit 64 reveals a strong deviation between the predicted and the actual load profile 40, a new calculation can be initiated based on the external data 44.

Die internen Daten 42 dienen außerdem dem Austausch mit einer Ladeeinrichtung 32 während des Ladevorgangs 12 sowie zur Steuerung des Ladevorgangs 12. Ebenso besteht ein Austausch von Betriebsinformationen 16 mit der Benutzeroberfläche 18, welche der Kommunikation mit dem Fahrzeugfahrer bzw. den Insassen dient, sowie mit der Vorrichtung 20 (gemäß 2) zur Durchführung des Verfahrens im Fahrzeug.The internal data 42 also serve for exchange with a charging device 32 during the charging process 12 and for controlling the charging process 12. There is also an exchange of operating information 16 with the user interface 18, which serves for communication with the vehicle driver or the occupants, as well as with the device 20 (according to 2 ) to carry out the procedure in the vehicle.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, a large number of modifications are possible within the scope specified by the claims, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102017210303 B3 [0003]DE 102017210303 B3 [0003]
  • DE 102021201379 A1 [0004]DE 102021201379 A1 [0004]
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  • DE 102017127029 A1 [0006]DE 102017127029 A1 [0006]

Claims (14)

Verfahren zum Laden und Betreiben einer Batterie (30), wobei die Batterie (30) in einem Ladevorgang (12) geladen und anschließend betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Vorhersage eines Lastprofils (40) einer anschließenden Nutzung eine maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur (T1,max) der Batterie (30) während des Ladevorgangs (12) in Abhängigkeit von einem dem Ladevorgang (12) nachfolgenden vorgebbaren Betriebszustand (14) der Batterie (30) derart vorgegeben wird, dass die maximale Betriebstemperatur (T2,max) der Batterie (30) während des nachfolgenden vorgebbaren Betriebszustandes (14) kleiner oder gleich einer maximal zulässigen Betriebstemperatur (Tmax) der Batterie (30) ist.Method for charging and operating a battery (30), wherein the battery (30) is charged in a charging process (12) and then operated, characterized in that by predicting a load profile (40) of a subsequent use, a maximum permissible predictive charging temperature (T 1,max ) of the battery (30) during the charging process (12) is predetermined as a function of a predefinable operating state (14) of the battery (30) following the charging process (12) such that the maximum operating temperature (T 2,max ) of the battery (30) during the subsequent predefinable operating state (14) is less than or equal to a maximum permissible operating temperature (T max ) of the battery (30). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorhersage des Lastprofils (40) einer anschließenden Nutzung eine Dauer der Nutzung (56) und ein gestaffelter Energiebedarf der Nutzung (58) ermittelt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that when predicting the load profile (40) of a subsequent use, a duration of use (56) and a staggered energy requirement of the use (58) are determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorhersage des Lastprofils (40) einer anschließenden Nutzung während des Ladevorgangs (12) und im Betriebszustand (14) eine kontinuierliche Überwachung (54) der Durchführung erfolgt.Method according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that when predicting the load profile (40) of a subsequent use during the charging process (12) and in the operating state (14), continuous monitoring (54) of the implementation takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorhersage des Lastprofils (40) einer anschließenden Nutzung aktuelle Rahmenbedingungen (50) für die Nutzung über eine Cloud (46) oder andere off-board Datenbearbeitungsumgebung zur Verfügung gestellt werden.Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that when predicting the load profile (40) of a subsequent use, current framework conditions (50) for use are made available via a cloud (46) or other off-board data processing environment. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorhersage des Lastprofils (40) einer anschließenden Nutzung aktuelle Rahmenbedingungen (50) für die Nutzung von anderen Nutzern, insbesondere über eine Cloud (46), zur Verfügung gestellt werden.Method according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that when predicting the load profile (40) of a subsequent use, current framework conditions (50) for the use of other users are made available, in particular via a cloud (46). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung vom prädizierten Lastprofil (40) über einem Schwellenwert eine neue Berechnung der Dauer der Nutzung (56) und des gestaffelten Energiebedarfs der Nutzung (58) eingeleitet wird.Method according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that if there is a deviation from the predicted load profile (40) above a threshold value, a new calculation of the duration of use (56) and the staggered energy requirement of use (58) is initiated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur (T1,max) der Batterie (30) am Ende des Ladevorgangs (12) nicht überschritten wird.Method according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the maximum permissible predictive charging temperature (T 1,max ) of the battery (30) is not exceeded at the end of the charging process (12). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur (T1,max) der Batterie (30) in Abhängigkeit von zumindest einem Gesundheitszustand und/oder einem Ladezustand der Batterie (30) bestimmt wird.Method according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the maximum permissible predictive charging temperature (T 1,max ) of the battery (30) is determined as a function of at least one state of health and/or a state of charge of the battery (30). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur (T1,max) der Batterie (30) unter Berücksichtigung zumindest einer vorliegenden und/oder zu erwartenden Ladeleistung während des Ladevorgangs (12) und einer gemäß prädiziertem Lastprofil (40) vorliegenden und/oder zu erwartenden Wärmeentwicklung in der Batterie (30) in dem Betriebszustand (14) bestimmt wird.Method according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the maximum permissible predictive charging temperature (T 1,max ) of the battery (30) is determined taking into account at least one existing and/or expected charging power during the charging process (12) and one existing and/or expected heat development in the battery (30) in the operating state (14) according to the predicted load profile (40). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (30) in dem Betriebszustand (14) mit einer Kühleinrichtung (28) gekühlt wird, wobei die maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur (T1,max) der Batterie (30) unter Berücksichtigung einer vorliegenden und/oder zu erwartenden maximal verfügbaren Kühlleistung der Kühleinrichtung (28) bestimmt wird.Method according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that the battery (30) is cooled in the operating state (14) with a cooling device (28), wherein the maximum permissible predictive charging temperature (T 1,max ) of the battery (30) is determined taking into account an existing and/or expected maximum available cooling capacity of the cooling device (28). Vorrichtung (20) zum Durchführen eines Verfahrens zum Laden und Betreiben einer Batterie (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend eine Steuereinheit (24) zum Steuern eines Ladevorgangs (12) der Batterie (30) und eine Simulationseinheit (26), dadurch gekennzeichnet, dass die Simulationseinheit (26) dazu auslegt ist, eine maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur (T1,max) der Batterie (30) während des Ladevorgangs (12) in Abhängigkeit von einem dem Ladevorgang (12) nachfolgenden vorgebbaren Betriebszustand (14) der Batterie (30) mit prädiziertem Lastprofil (40) zu ermitteln.Device (20) for carrying out a method for charging and operating a battery (30) according to one of the Claims 1 until 10 , comprising a control unit (24) for controlling a charging process (12) of the battery (30) and a simulation unit (26), characterized in that the simulation unit (26) is designed to determine a maximum permissible predictive charging temperature (T 1,max ) of the battery (30) during the charging process (12) as a function of a predefinable operating state (14) of the battery (30) with a predicted load profile (40) following the charging process (12). Vorrichtung (20) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulationseinheit (26) weiterhin dazu auslegt ist, die maximal zulässige prädiktive Ladetemperatur (T1,max) der Batterie (30) unter Berücksichtigung einer vorliegenden und/oder zu erwartenden Wärmeentwicklung in der Batterie (30) in dem Betriebszustand (14) mit prädiziertem Lastprofil (40) zu ermitteln.Device (20) according to Claim 11 , characterized in that the simulation unit (26) is further designed to determine the maximum permissible predictive charging temperature (T 1,max ) of the battery (30) taking into account an existing and/or expected heat development in the battery (30) in the operating state (14) with a predicted load profile (40). Verwendung einer Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 11 bis 12 in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug.Use of a device (20) according to one of the Claims 11 until 12 in a vehicle that is at least partially electrically powered. Verwendung gemäß Anspruch 13, wobei in dem durchgeführten Verfahren zum Laden und Betreiben einer Batterie (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Vorhersage des Lastprofils (40) einer anschließenden Nutzung externe Daten (44) über ein System für Eco-Routing (62) und interne Daten (42) eines Fahrzeugsteuergeräts (64) eingesetzt werden.Use according to Claim 13 , wherein in the method carried out for charging and operating a battery (30) according to one of the Claims 1 until 10 to predict the load profile (40) of a subsequent use of external data (44) via an eco-routing system (62) and internal data (42) of a vehicle control unit (64) are used.
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