CN110573371A - 用于对蓄能器充电的设备、系统和方法以及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对电化学蓄能器充电的设备、方法和系统以及机动车。用于对电化学蓄能器充电的设备的充电装置具有第一电路，该第一电路与电化学蓄能器电耦合或可电耦合。用于对电化学蓄能器加热的加热装置具有与第一电路分离的第二电路，第二电路具有可通过外部交变磁场感应加热的感应加热元件，该感应加热元件与电化学蓄能器热耦合或可热耦合。

Description

用于对蓄能器充电的设备、系统和方法以及车辆
技术领域
本发明涉及一种用于对电化学蓄能器、尤其是车辆电池充电的设备、系统和方法以及具有这种系统的车辆。
背景技术
为了给电动车辆、尤其是电动轿车供应所需的能量，通常在车辆中设置电化学蓄能器。存在不同的充电标准用于给蓄能器再充电。车辆通常可连接到公共电网或使用专用充电站，其根据标准提供交流电、三相交流电或直流电用于充电。作为有线能量传输系统的替代方案，无线能量系统正在开发中，其能对蓄能器进行特别便捷且简单的充电。
为了能实现蓄能器的高效及保护性的充电，通常从蓄能器提取电量并在充电过程中将其用于加热蓄能器。为此例如可将欧姆加热元件集成到蓄能器中或设置在蓄能器区域中，通过该欧姆加热元件可将蓄能器加热到预定或所需的温度。
发明内容
本发明的任务在于，进一步改进电化学蓄能器的充电过程，尤其是在增加蓄能器使用寿命的同时能实现蓄能器的高功耗。
所述任务通过根据独立权利要求的、用于对电化学蓄能器充电的设备、系统和方法以及具有这种系统的车辆来解决。
根据本发明的用于对电化学蓄能器、尤其是车辆电池充电的设备包括充电装置和加热装置。充电装置构造用于对电化学蓄能器充电并且具有第一电路，该第一电路与电化学蓄能器电耦合或可电耦合。加热装置构造用于对电化学蓄能器加热并且具有与第一电路分离的第二电路，第二电路具有可通过外部交变磁场感应加热的感应加热元件，该感应加热元件与电化学蓄能器热耦合或可热耦合。
根据本发明的用于对电化学蓄能器充电的系统包括电化学蓄能器、尤其是车辆电池以及根据本发明的用于对电化学蓄能器充电的设备。
根据本发明的车辆、尤其是机动车具有根据本发明的用于对电化学蓄能器充电的系统。
根据本发明的用于对电化学蓄能器、尤其是车辆电池充电的方法包括下述步骤：产生外部交变磁场；通过与电化学蓄能器热耦合的感应加热元件来加热电化学蓄能器，该感应加热元件通过外部交变磁场感应加热；并且通过将第一电路电耦合到电化学蓄能器上而给电化学蓄能器充电，所述第一电路与具有感应加热元件的第二电路分开。
本发明的一个方面基于下述方法：在充电之前和/或在充电期间通过感应加热元件对电化学蓄能器进行加热，其中，设有用于充电的第一电路和用于加热的第二电路，第二电路与第一电路尤其是在空间上和/或电气上分离并且因此可独立控制。由此可独立于充电过程来控制加热过程并且例如使加热过程适配于蓄能器的充电状态和/或温度或适配于环境温度。
由于感应加热元件通过外部交变磁场感应加热，因此可从外部、即蓄能器所在的车辆外部控制或影响蓄能器的加热过程。在此，加热功率尤其是可从外部提供并且不必从蓄能器本身提取，从而减轻了蓄能器的负荷并可延长其使用寿命。
总体上本发明能实现改进的、尤其是高效且保护蓄能器的蓄能器充电。
优选一旦车辆定位、尤其是停放在充电站区域中或停车位上、如在车库中，就开始对感应加热元件或蓄能器进行感应加热。由此在实际充电过程开始、如通过将充电电缆连接到充电装置之前，蓄能器就已经能达到、尤其是超过蓄能器中所含电解质的熔点的温度。
在一种优选实施方式中，第一电路具有感应元件，在其中可通过外部交变磁场感应出用于对电化学蓄能器充电的电流。优选感应元件构造为线圈，该线圈可被外部交变磁场的磁通量穿透。由此外部交变磁场的能量可有利地用于在充电过程之前或在充电过程期间加热电化学蓄能器以及对电化学蓄能器进行充电。
在另一种优选实施方式中，感应元件具有第一线圈，该第一线圈构造用于在外部交变磁场的一次谐波(基频)中吸收外部交变磁场的能量。在此，在交变磁场的一次谐波中的吸收能实现特别有效地传输用于对蓄能器充电的能量。
在另一种优选实施方式中，感应加热元件具有高电阻的第二线圈，该第二线圈构造用于在外部交变磁场的一次谐波(基频)和/或更高次谐波中吸收外部交变磁场的能量。优选第二线圈在此由具有高电阻、尤其是电阻率为0.1Ωmm2/m或更高、优选为0.4Ωmm2/m或更高、尤其是1Ωmm2/m或更高的材料制成。优选第二线圈在此由一种或多种包含镍、锰、铜和/或铬和/或过渡金属化合物的合金制成。由此可实现，第二线圈在吸收外部交变磁场的能量时强烈地加热。这允许有效且可靠地加热蓄能器。
通过将第二线圈构造用于在外部交变磁场的高次谐波中吸收外部交变磁场的能量，可独立于在一次谐波中耦合到第一电路的第一线圈中的能量来调节由第二线圈吸收的能量的量。尤其是大部分、特别是超过一半的外部交变磁场的能量可用于给蓄能器充电，而小部分、尤其是不到一半的外部交变磁场的能量可用于加热蓄能器。由此可避免蓄能器的过度加热并且可有效地对蓄能器充电。
在另一种优选实施方式中，加热装置具有设置在感应加热元件区域中的管路，该管路构造用于将可通过加热的感应加热元件加热的介质输送到电化学蓄能器。由此可使感应加热元件与电化学蓄能器可靠地热耦合。在此尤其是不强制需要将蓄能器设置在第二电路或感应加热元件的区域中，从而显著简化了根据本发明的设备在车辆中的集成。优选在该实施方式中可在蓄能器不运行的情况下对蓄能器加热，由此可通过所谓停车电压来避免加热期间的功率损失。
优选管路在此尤其是螺旋形地围绕、尤其是缠绕感应加热元件设置。但作为替代方案，感应加热元件也可尤其是螺旋形地围绕、尤其是缠绕管路设置。在两种情况下，可加热介质均得以有效地加热和/或不可用损耗热量的辐射得以减少。
在另一种优选实施方式中，管路集成到、尤其是嵌入感应加热元件中，从而可显著提高系统的重力性能。
此外，作为可加热介质优选使用蓄能器冷却系统的冷却剂，其用于在运行期间、即在从蓄能器提取电能时冷却蓄能器。优选，设置在感应加热元件区域中的管路是蓄能器冷却系统的一部分。
在另一种优选实施方式中，根据本发明的设备包括控制装置，该控制装置构造用于这样控制第一电路的用于中断或闭合第一电路的第一开关元件和/或用于中断或闭合第二电路的第二开关元件，使得在第一控制模式中对电化学蓄能器加热、尤其是仅加热，在第二控制模式中对电化学蓄能器充电，尤其是仅充电，并且在第三控制模式中同时对电化学蓄能器加热和充电。由此，外部交变磁场的能量可有针对性并且有效地用于对蓄能器加热和/或充电。此外，电化学蓄能器的加热例如可根据蓄能器的充电状态动态地调整和控制。
在另一种优选实施方式中，根据本发明的设备包括温度传感器单元，该温度传感器单元构造用于检测电化学蓄能器的温度。优选控制装置在此构造用于，在检测到的温度达到或超过预定温度阈值时从第一控制模式切换到第二控制模式。替代或附加地，控制装置构造用于，在检测到的温度低于预定温度阈值时从第二控制模式切换到第一控制模式。通过这两种实施方式能够可靠避免在低温下、尤其是在低于蓄能器电解质熔点的情况下对蓄能器充电。因此可对蓄能器进行保护性且有效的充电。
在另一种优选实施方式中，第二电路具有温度相关的电阻，该电阻在达到或超过预定温度阈值时调节、尤其是限制感应加热元件或第二电路的加热。
在另一种优选实施方式中，根据本发明的系统具有用于产生外部交变磁场的励磁线圈装置。优选励磁线圈装置在此构造用于产生具有稳定的预定基频、即所谓的一次谐波的外部交变磁场。由此可简单地将第一电路或第二电路的第一线圈和/或第二线圈置入外部交变磁场中，使得能够可靠地感应出用于对蓄能器充电的电流或实现感应加热元件的感应加热。
附图说明
本发明的其它特征、优点和应用可能性由下述结合附图的说明给出，在附图中对于本发明的相同或相应元件始终使用相同的附图标记。至少部分示意性地显示的附图如下：
图1示出用于对电化学蓄能器充电的系统的一种示例；和
图2示出加热装置和蓄能器的一种示例。
具体实施方式
图1示出用于借助用于对电化学蓄能器2充电的设备1对电化学蓄能器2充电的系统100的一种示例，该设备包括具有感应元件5的充电装置11和具有感应加热元件6的加热装置12。
所述系统100还包括励磁线圈装置3，该励磁线圈装置产生外部交变磁场4，该外部交变磁场在图中通过箭头示意性示出，其磁通量穿透感应元件5的第一线圈5'和感应加热元件6的第二线圈6'。在此，外部交变磁场4的极性随预定的基频、即所谓的一次谐波变化。基频优选为40至130kHz、优选为60至110kHz、尤其是大致为85kHz。因此，外部交变磁场4在第一线圈5'和第二线圈6'中分别感应出电流。
励磁线圈装置3和/或第一线圈5'和/或第二线圈6'优选彼此同轴地定向。
第一线圈5'是第一电路7的一部分，第一电路与电化学蓄能器2电耦合。在第一线圈5'中感应出的电流必要时在整流之后用于对电化学蓄能器2充电。
在第二线圈6'或感应加热元件6中感应出的电流导致感应加热元件6的加热。第二线圈6'或感应加热元件6是在电气和/或空间上与第一电路7分离的第二电路8的一部分并且与电化学蓄能器2热耦合。如图1所示，热耦合例如通过将电化学蓄能器2设置在尤其是紧邻感应加热元件6的区域中来实现。
第二线圈6'优选是高电阻线圈，其具有高电阻并且优选由加热导体合金或电阻合金尤其是根据DIN 17471制成。
第一电路7具有用于闭合或中断第一电路7的第一开关元件7'。同样地，第二电路8具有用于闭合或中断第二电路8的第二开关元件8'。
第一和第二开关元件7'、8'可通过控制装置9来控制，该控制装置优选具有三种不同的控制模式。在第一控制模式中第一开关元件7'中断第一电路7并且第二开关元件8'闭合第二电路8，使得仅在感应加热元件6中感应出电流。由此感应加热元件6加热，而蓄能器未被充电。由此交变磁场4的全部吸收能量基本上用于加热蓄能器2。
在第二控制模式中，开关元件7'闭合第一电路7并且第二开关元件8'中断第二电路8，使得仅在感应元件5中感应出电流。由此交变磁场4的全部吸收能量基本上用于给蓄能器2充电。
在第三控制模式中，开关元件7'闭合第一电路7并且第二开关元件8'闭合第二电路8，使得不仅在感应元件5中而且也在感应加热元件6中分别感应出电流。交变磁场4的能量在此既被感应元件5又被感应加热元件6吸收并且一方面用于给蓄能器2充电并且另一方面同时用于加热蓄能器2。
优选第一线圈5'和第二线圈6'均构造用于在交变磁场4的一次谐波中吸收交变磁场4的能量。在此，第一线圈5'和第二线圈6'分别达到约98％的吸收率。因此，在第三控制模式中第一和第二线圈5'、6'吸收大致相等的交变磁场4能量部分、尤其是大致48％。
但作为替代方案，第二线圈6'也可构造用于在交变磁场4的二次谐波或更高次谐波中吸收交变磁场4的能量。由此，第二线圈6'的吸收率减小到大致45％。因此，在第三控制模式中，第一线圈5'比第二线圈6'吸收更多的交变磁场4能量部分。因此，可调节第一线圈5'和第二线圈6'的吸收比和因此充电或加热比并且使充电过程特别有效。
在蓄能器2区域中优选设置温度传感器单元10，该温度传感器单元构造用于检测蓄能器2的温度。控制装置9可根据检测到的温度来打开或闭合开关元件7'、8'，即闭合或中断第一和/或第二电路7、8。尤其是控制装置9可根据确定的温度切换到第一、第二或第三控制模式中或者说根据确定的温度在第一、第二或第三控制模式中运行。
如果配备有蓄能器2和用于对蓄能器2充电的设备1的车辆位于寒冷环境中，以致蓄能器2的温度低于温度阈值、如蓄能器2的电解质熔点，则控制装置9可在第一控制模式中首先对蓄能器2加热。当蓄能器2的温度最终达到或超过温度阈值时，控制装置9可切换到第二控制模式中并且对蓄能器2充电。如果温度在充电期间再次下降，则又从第二控制模式切换回第一控制模式。由此确保蓄能器2受保护且有效地充电。
图2示例性示出具有感应加热元件6的加热装置12，该感应加热元件与蓄能器2热耦合。
感应加热元件6具有第二线圈6'、尤其是高电阻线圈，其用于吸收外部交变磁场(未示出)的能量并同时变热。在该示例中感应加热元件6与蓄能器2的热耦合通过管路13实现，该管路构造用于将可加热介质(如冷却剂)从第二线圈6'传输到蓄能器2。
管路13在此在感应加热元件6区域中缠绕在第二线圈6'上，从而借助感应加热在第二线圈6'中产生的热量能够被可加热介质在穿流感应加热元件6区域中的管路时吸收和存储。加热的介质可在蓄能器2区域中将存储的热量再次释放到蓄能器2上。
图2所示的、蓄能器2、管路13和感应加热元件6的布置是特别有利的，因为蓄能器2和感应加热元件6不需要彼此紧密地定位以实现可靠的热耦合。这大幅简化了蓄能器2和加热装置12在车辆中的集成。
附图标记列表
1 用于对电化学蓄能器充电的设备
2 电化学蓄能器
3 励磁线圈装置
4 交变磁场
5 感应元件
5' 第一线圈
6 感应加热元件
6' 第二线圈
7 第一电路
8 第二电路
9 控制装置
10 温度传感器单元
11 充电装置
12 加热装置
13 管路
100 用于对电化学蓄能器充电的系统

Claims (11)

1.用于对电化学蓄能器(2)、尤其是车辆电池充电的设备(1)，包括充电装置(11)和加热装置(12)，所述充电装置构造用于对电化学蓄能器(2)充电并且具有第一电路(7)，该第一电路与电化学蓄能器(2)电耦合，并且所述加热装置构造用于对电化学蓄能器(2)加热并且具有与第一电路(7)分离的第二电路(8)，第二电路具有可通过外部交变磁场(4)感应加热的感应加热元件(6)，该感应加热元件与电化学蓄能器(2)热耦合。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述第一电路(7)具有感应元件(5)，在感应元件中能通过外部交变磁场(4)感应出用于对电化学蓄能器(2)充电的电流。
3.根据权利要求2所述的设备(1)，其中，所述感应元件(5)具有第一线圈(5')，该第一线圈构造用于在外部交变磁场(4)的一次谐波(基频)中吸收外部交变磁场(4)的能量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述感应加热元件(6)具有高电阻的第二线圈(6')，该第二线圈构造用于在外部交变磁场(4)的一次谐波(基频)和/或更高次谐波中吸收外部交变磁场(4)的能量。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述加热装置(12)具有设置在感应加热元件(6)区域中的管路(13)，该管路构造用于将可通过加热的感应加热元件(6)加热的介质输送到电化学蓄能器(2)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，包括控制装置(9)，该控制装置构造用于这样控制第一电路(7)的用于中断或闭合第一电路(7)的第一开关元件(7')和/或用于中断或闭合第二电路(8)的第二开关元件(8')，使得在第一控制模式中对电化学蓄能器(2)加热，在第二控制模式中对电化学蓄能器(2)充电，并且在第三控制模式中同时对电化学蓄能器(2)加热和充电。
7.根据权利要求6所述的设备(1)，包括温度传感器单元(10)，该温度传感器单元构造用于检测电化学蓄能器(2)的温度，所述控制装置(9)构造用于在检测到的温度达到或超过预定温度阈值时从第一控制模式切换到第二控制模式，和/或在检测到的温度低于预定温度阈值时从第二控制模式切换到第一控制模式。
8.用于对电化学蓄能器(2)充电的系统(100)，包括：
电化学蓄能器(2)、尤其是车辆电池，和
根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)。
9.根据权利要求8所述的系统(100)，包括用于产生外部交变磁场(4)的励磁线圈装置(3)。
10.车辆、尤其是机动车，包括根据权利要求8所述的用于对电化学蓄能器(2)充电的系统(100)。
11.用于对电化学蓄能器(2)、尤其是车辆电池充电的方法，包括下述步骤：
产生外部交变磁场(4)；
通过与电化学蓄能器(2)热耦合的感应加热元件(6)来加热电化学蓄能器(2)，该感应加热元件通过外部交变磁场(4)感应加热；并且
通过将第一电路(7)电耦合到电化学蓄能器(2)上而给电化学蓄能器(2)充电，所述第一电路与具有感应加热元件(6)的第二电路(8)分开。
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