CN113291185A - 用于控制电气的蓄能器的充电过程的方法、充电设备和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在充电设备上控制电气的蓄能器的充电过程的方法，其中，所述充电设备具有调温系统，并且所述蓄能器具有调温系统，所述方法至少包括以下步骤：‑在所述充电设备和蓄能器之间传输电能，‑在所述充电设备的调温系统和所述蓄能器的调温系统之间传输热能，其特征在于，所述方法包括如下步骤：‑获得充电进度信息，‑根据充电进度信息，调节或控制所述充电设备和/或蓄能器的调温系统中的冷却介质的至少一个第一温度。本发明还涉及一种用于电气的蓄能器的充电设备以及一种由电气化的交通工具和充电设备构成的系统。

Description

用于控制电气的蓄能器的充电过程的方法、充电设备和系统
技术领域
本发明涉及一种用于在充电设备上控制电气的蓄能器的充电过程的方法、一种用于电气的蓄能器的充电设备以及一种由电气化的交通工具和充电设备构成的系统。
背景技术
电气化的交通工具具有蓄电池，用于提供用于交通工具的驱动装置的电能。在大多数情况下，蓄电池可以通过外部接口被充电。尤其在快速充电过程中比在行驶运行中出现蓄电池的更剧烈的升温。因此，在充电过程中比在行驶期间产生更高的冷却需求。在现有技术中规定，通过在充电过程中由充电设备额外地提供冷却功率来满足较高的冷却需求。
在此，专利文献DE 10 2012 213 855 A1公开了一种充电站和一种布置在交通工具中的蓄电池，其中，该交通工具可通过充电电缆和调温管路连接充电站。
此外，专利文献DE 11 2012 003 109 T5公开了一种用于给具有蓄电池的电动交通工具充电的方法。其中，充电包括尤其针对100至300kW之间的充电功率向电动交通工具输送冷却剂，以便在充电过程中冷却蓄电池。其中，快速充电站位于沿着公共道路的策略上有利的位置上。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是至少部分地改善已知的现有技术。
所述技术问题按照本发明通过一种用于在充电设备上控制电气的蓄能器的充电过程的方法解决。所述技术问题按照本发明还通过一种用于电气的蓄能器的充电设备以及一种由电气化的交通工具和充电设备构成的系统解决。在说明书中单独提及的特征能够以技术上有意义的方式相互结合并且可以通过说明书中的解释性事实和/或附图中的细节补充，其中示出本发明的其它实施变型。
根据本发明的方法涉及一种用于在充电设备上控制电气的蓄能器的充电过程的方法，其中，所述充电设备具有调温系统，并且所述蓄能器具有调温系统，所述方法至少包括以下步骤：
-在所述充电设备和蓄能器之间传输电能，
-在所述充电设备的调温系统和所述蓄能器的调温系统之间传输热能。
所述方法的特征在于，所述方法包括如下步骤：
-获得充电进度信息，
-根据充电进度信息，调节或控制所述充电设备和/或蓄能器的调温系统中的冷却介质的至少一个第一温度。
在此，充电过程应当理解为电能在充电设备和蓄能器之间传输。这包括借助充电设备侧的电能、例如来自配电网和/或发电机单元的电能对蓄能器进行充电。但这也包括蓄能器通过充电设备的放电、例如向配电网和/或另外的蓄能器放电。
充电设备优选是充电桩，该充电桩可以尤其借助充电电缆和充电插头向电气的蓄能器传输电能。目前，该充电桩与大多数的电气化的交通工具相兼容。但也可以是充电站，该充电站可以借助感应板向与蓄能器电连接的感应板传输能量。该充电站的优点是，充电过程可以无接触地进行，尤其不必插塞插头。
在一些实施方式中，充电设备从配电网获取用于给电气的蓄能器充电的电能。这实现了电能的较大的可用性。在另外的实施方式中，充电设备从另外的电气的蓄能器、例如布置在充电设备中的电气的蓄能器获取用于给电气的蓄能器充电的电能。在一些实施方式中还规定，充电设备从发电机单元、即例如从燃料电池和/或由内燃机驱动的发电机中获取电能。最后的实施方式的优点是，它们可以在任何地方建造并且不依赖于供电基础设施地被设立。
在此，在充电设备和蓄能器之间的电能传输借助相应的接口进行。用于传输充电设备的电能的接口能够与用于传输电气的蓄能器的电能的接口相连接。在此，连接不必强制性地是直接连接。还可以是间接的连接。例如，可连接的接口可以是电气化的交通工具的与待充电的蓄能器电连接的接口。重要的仅是，可连接的接口适合用于在充电设备和电气的蓄能器之间传输电能。在此，传输既可以传导式地、即例如借助电缆和/或汇流排进行，也可以感应式地进行。优选地，可插塞的传导式连接装置、例如插座被用作接口，具有插头的电缆可以插入插座中，该电缆又具有相对于待充电的蓄能器的电连接装置和/或能与待充电的蓄能器形成电连接。当然，电缆也可以与充电设备固定连接。在这种情况下，电缆在不与充电设备连接的端部上具有插头，该插头能够与待充电的蓄能器形成电连接。如果是电气化的交通工具的蓄能器，则该交通工具通常具有与该蓄能器电连接的插座。
在充电设备和蓄能器之间的热能传输同样借助相应的接口进行。用于传输充电设备的热能的接口同样能够与用于传输待充电的蓄能器的热能的接口连接。在此，该连接同样不必强制性地是直接的连接。该接口仅需要能够实现在充电设备和蓄能器之间的热能传输。在一些实施方式中，热能的传输借助导热的固体进行。但优选地，热能的传输借助流体、特别优选借助液体、例如水基冷却剂来传输。在一些实施方式中，使用在充电过程之外还用于调节蓄能器的温度的流体。如果例如是电气化的交通工具的牵引用蓄电池，该电气化的交通工具规定用于通过某种冷却剂来调节蓄电池的温度的调温系统，则同一冷却剂可以用于在充电设备和蓄电池之间传输热能。这有利地减少传输热能所需的部件的数量。热能的传输优选还借助热交换器进行。在这种情况下，对充电设备直接调温的调温剂、即例如冷却流体、尤其冷却液与对电气的蓄能器直接调温的调温剂在物质上通过热交换器隔开。由此，充电设备和蓄能器的调温剂可以彼此独立地选择。
在此，电气的蓄能器应当理解为任何适合用于存储电能的装置。这可以例如是电容器和/或优选是蓄电池、特别优选是锂离子蓄电池。此外优选是牵引用蓄电池、即提供用于驱动电气化的交通工具的电能的蓄电池。特别优选是具有至少100、200或400伏的标称电压的蓄电池。这类蓄电池的优点是，它们特别有效率地存储电能。在此，电气化的交通工具尤其是纯电动交通工具。但也可以是混合动力交通工具或氢动力交通工具。此外优选是陆上交通工具、特别优选是不在轨道上行驶的陆上交通工具。
充电设备还具有调温系统。调温系统包含充电设备的热管理所需的部件。调温系统用于在充电设备的热接口和另外的部件之间的尤其受控制和/或调节的热传递和/或流体传输。另外的部件优选是相对于外部空气和/或另外的冷却剂循环和/或制冷剂循环的热交换器。调温系统中的热传递优选借助调温剂要么在一个调温剂循环中进行，要么在通过热交换器和/或阀共同起作用的多个调温剂循环中进行。
蓄能器同样具有调温系统。该调温系统也包含其热管理所需的部件。调温系统用于在充电设备的热接口和另外的部件之间的尤其受控制和/或调节的热传递和/或流体传输。另外的部件优选是相对于外部空气和/或另外的冷却剂循环和/或制冷剂循环的热交换器。另外的部件尤其是交通工具的热管理所需的另外的部件，诸如制冷剂循环，制冷剂循环在一些实施方式中同时用于调节交通工具内部空间的温度。调温系统中的热传递优选借助调温剂、优选借助冷却剂要么在一个调温剂循环中进行，要么在通过热交换器共同起作用的多个调温剂循环中进行。
在此，优选考虑充电设备的调温系统和/或蓄能器的调温系统的另外的部件的效率对充电设备的调温系统和/或蓄能器的调温系统进行控制和/或调节。控制和/或调节可以另外和/或仅仅影响、尤其控制和/或调节经由用于传输电能的接口传输的充电功率。
在一些实施方式中，配属于充电设备的调温系统的相对于外部空气和/或相对于制冷剂循环的配属于充电设备的冷凝器的热交换器布置在充电设备上方、尤其垂直地和/或呈V形地布置。这是特别节省空间的实施方式。
如果另外的热交换器用于在充电设备和蓄能器之间的热传递并且充电设备和/或蓄能器的调温系统另外具有制冷剂循环，则在一些实施方式中，制冷剂循环也集成在另外的热交换器中，从而产生具有两个冷却剂循环和至少一个制冷剂循环的集成的热交换器。
在一些实施方式中，部件至少部分地布置在土壤中。在该实施方式中，冷却介质可以直接穿过土壤导引，这对效率有积极的影响。在这些实施方式中的一些实施方式中，热泵与土壤中的热交换器结合使用。
充电进度信息尤其包括
-当前的充电过程已经进行了多久，和/或
-当前的充电过程还将持续多久。在此，当前的充电过程还将持续多久可以尤其理解为，在哪个时间间隔之后和/或在将来的哪个时间点，当前充电过程完成或将预计完成。
充电进度信息优选实施为时间数据。但充电进度信息也可以表示为相对于完成的充电过程的比例、即例如百分比。在一些实施方式中，充电进度信息表示离散的充电阶段、即例如充电开始和充电结束。
充电进度信息还可以直接由配属于充电设备的计算单元确定。为此尤其评估蓄能器的状态量、诸如荷电状态和/或温度和/或最大允许的充电功率。在一些实施方式中，还评估外部的状态量、诸如外部温度和/或充电设备的可用的冷却功率。此外优选是使用者输入的、例如交通工具的使用者输入的充电开始时刻和/或充电结束时刻。
对冷却介质的至少一个第一温度的调节和/或控制尤其意味着，调节和/或控制在充电设备和/或蓄能器的调温系统中的某个确定的位置上的某种确定的冷却介质的温度的作为充电进度信息的函数的绝对水平或相对升高。在此，第一温度也可以理解为针对调温系统和/或充电设备的特征温度。此外，命名为第一温度不必以存在和/或考虑另外的温度为前提。所述函数优选实施为特性曲线，该特性曲线至少具有充电进度信息作为输入量和第一冷却介质的温度的绝对水平或相对升高作为输出量。
在一种优选的实施方式中规定，还根据外部温度信息，调节或控制所述第一温度。考虑外部温度提高系统的效率，因为调温系统的效率和冷却水中结冰的风险都与外部温度相关。
特别优选，当外部温度超过确定的温度阈值时，停止对所述第一温度的调节或控制。由此，所述方法特别简单地实施。
在所述方法的一组实施方式中，所述第一温度是所述充电设备的调温系统的供应流温度。供应流温度直接等于当冷却剂被输送到蓄能器的调温系统时冷却剂的温度。因此，供应流温度可以特别直接地影响对蓄电池的调温。
优选地，所述第一温度被降低。由于较大的冷却效果，较低的温度能够实现更高的充电功率和因此较短的充电过程。
在所述方法的一些实施方式中还规定，
-在充电过程开始时提高所述第一温度，和/或
-在充电过程结束时提高所述第一温度，和/或
-在充电过程开始和充电过程结束之间降低所述第一温度。
在此特别优选的是，所述第一温度分别被提高至少5K。
在一些设计方案中，所述方法还具有以下步骤：
-获得温度预设值，所述温度预设值由配属于电气的蓄能器的计算单元生成，并且
-还根据所述温度预设值，调节或控制所述第一温度。配属于电气的蓄能器的计算单元侧的温度预设值的优点是，其能够实现特别好的与蓄能器的技术特性相协调的调节。例如，温度预设值可以是充电设备的技术上最大允许的和/或技术上最小允许的和/或希望的供应流温度。
本发明还涉及一种用于电气的蓄能器的充电设备，所述充电设备具有：
-至少一个第一接口，用于传输电能；
-至少一个第二接口，用于传输热能；
-调温系统；
-计算单元，其设计用于实施前述类型的方法。
该计算单元例如是布置在充电设备上或充电设备中的控制器。但优选是虚拟的、基于云的计算单元，该计算单元通过无线电或电缆连接与充电设备接触。
本发明还涉及一种由电气化的交通工具和根据本发明的充电设备构成的系统，所述交通工具具有：
-至少一个蓄能器，
-用于传输电能的至少一个第一接口，所述第一接口能够与充电设备的第一接口耦连，
-用于传输热能的至少一个第二接口，所述第二接口能够与充电设备的第二接口耦连，
其中，所述交通工具的第二接口与蓄能器的调温系统热作用连接，并且所述蓄能器能够借助所述第一接口被充电。
热作用连接一般应当理解为，存在能够实现在调温系统和热接口之间的热能交换的设备和/或器件。这尤其意味着，热接口处的例如在一小时内至少1K的温度变化引起调温系统中的例如在一小时内至少1K的温度变化，并且反之，调温系统中的例如在一小时内至少1K的温度变化引起热接口处的例如在一小时内至少1K的温度变化。流体作用连接一般应当理解为，存在能够实现在调温系统和热接口之间的流体交换的设备和/或器件。
附图说明
本发明的另外的优点和有利的实施方式和扩展设计借助以下结合附图的说明示出。在附图中详细地：
图1示出根据本发明的充电设备的示例性的结构；
图2示出根据本发明的方法的示例性的流程图；
图3示出在实施方法的变型方案时第一温度的示例性的变化走向。
具体实施方式
参照附图示出本发明的实施方式。
图1示出根据本发明的充电设备20的示例性的结构。充电设备20通过电气接口40以及由冷却剂供应流80和冷却剂回流90构成的热接口与交通工具10连接。在此，借助冷却剂-冷却剂热交换器50在充电桩20的调温系统和交通工具10的调温系统之间传输热能。因此，在这些调温系统之间发生冷却剂交换。在热接口80、90中使用的冷却剂此处对应于在交通工具10的调温系统中使用的冷却剂。
在该实施例中，充电设备20还包括储热器30。该储热器集成在充电桩10的调温系统中。该储热器可以在充电过程之前被冷却或加热。随后，如此存储的热容量或冷容量可以在充电过程中补充地用于调节蓄能器的温度。
在此，充电桩10的调温系统包括冷却剂-冷却剂热交换器50、冷却剂-制冷剂热交换器60和冷却剂-空气热交换器70以及另外的用于将这些热交换器彼此连接和用于与交通工具10和储热器30连接需要的软管、管子、调节元件和连接元件。该调温系统设计为，使得在所有热交换器50、60、70之间的热能交换是可能的并且可以有针对性地调节。冷却剂-制冷剂热交换器60设计为通过制冷装置100传输热能并且可以用于调节储热器30的温度。
充电设备20还具有计算单元130，该计算单元设计用于实施根据本发明的方法和控制调温系统。该控制需要的传感装置和执行装置此处未示出。
图2示出根据本发明的方法的示例性的流程图。在第一步骤S10中，开始在充电设备和蓄能器之间的电能传输，在该情况下，该蓄能器设计为电气化的交通工具的牵引用蓄电池。通常，该步骤在将充电设备的电气接口与蓄能器的电气接口连接之后立即进行。优选的是，使用者将与充电设备连接的充电电缆的充电插头插入使用者的电气化的交通工具的充电插座中。接着在第二方法步骤S20中开始在充电设备和蓄能器之间的热能传输。这是方法步骤的优选顺序。但在所述方法的一些设计方案中，这些方法步骤也同时或以相反的顺序进行。此外，该顺序仅涉及传输过程的开始。当然，可以在充电设备和蓄能器之间同时传输电能和热能。在另外的步骤S30中，充电设备接收充电进度信息，在该情况下，该充电进度信息包括自充电过程开始起、即从实施步骤S10起经过了多少时间以及在预计的充电结束之前还剩余多少时间。这些信息优选作为例如以秒为单位的时间数据存在。例如因为使用者乘交通工具离开了充电设备，如果使用者没有输入什么时候结束充电过程，则剩余的充电时间取决于直至蓄能器完全充满还需要的能量以及充电设备或蓄能器的标称充电功率中的较小者。充电过程的起始时间由充电桩自己检测。
在另外的步骤S40中，根据充电进度信息如此调节充电设备的供应流温度，使得在充电过程开始时供应流温度为35℃。由此，蓄能器的温度先升高，从而其内阻降低并且高充电电流对蓄能器的老化的影响减小。此外，由此针对外部温度较低的情况以及在调温剂管路外出现泄漏的情况下降低调温剂管路中结冰的可能性。在蓄能器温度和调温系统中的调温剂温度超过某个阈值、例如30℃之后，冷却阶段开始。在该阶段，将供应流温度调节至略高于水的冻结阈值的5℃的较小值，从而例如在调温管路上冷凝的水不会冻结。由此特别有效率地排出在充电过程中产生的废热。在充电过程即将结束前、例如在结束前5分钟，将供应流温度重新提高至35℃。由此，蓄能器升温，这降低其内阻并且因此为随后的行驶运行减小能量损失。
图3示出在实施方法的变型方案时作为第一温度140、150的供应流温度的两个示例性的变化走向。在温度轴上给出以℃为单位的温度。
在实施该方法之前，供应流温度等于外部温度。在第一种情况140下，外部温度为45℃，在第二种情况150下，外部温度为-15℃。在第一种情况140下，在充电过程开始180时，将供应流温度直接降低。充电设备和蓄能器中的温度由于高的外部温度而非常高，因此在充电过程开始时不需要对蓄能器进行加热。同样由于高的外部温度，在充电设备和蓄能器的调温系统中和其上结冰的可能性非常小，因此可以将供应流温度调节得非常低，以便在充电过程中产生的热可以特别好地排出。在结束之前若干时间、例如大约5分钟，将供应流温度提高至35℃，以便将蓄能器的温度调节至对随后的行驶运行而言最佳的温度。
在第二种情况150下，在充电过程开始180时，首先将供应流温度提高至35℃，因为调温系统和蓄能器中的温度由于较低的外部温度而非常低，这带来已经提到的对蓄能器的充电而言的缺点。在第一调温阶段后，将温度最终调节至20℃的较低值。该温度还是能将在充电过程中产生的热排出，但防止调温系统内部和外部的结冰。如同在第一种情况140中那样，此处也在充电结束之前若干时间、例如大约4分钟，调节至较高的35℃的供应流温度，以便将蓄能器的温度调节至对随后的行驶运行而言最佳的温度。
附图标记列表
10 交通工具
20 充电桩
30 储热器
40 电气接口
50 冷却剂-冷却剂热交换器
60 冷却剂-制冷剂热交换器
70 冷却剂-空气热交换器
80 冷却剂供应流
90 冷却剂回流
100 制冷装置
110 制冷剂供应流
120 制冷剂回流
130 计算单元
140 第一温度变化走向
150 第二温度变化走向
160 温度轴
170 时间轴
180 充电开始
190 充电结束
S10 方法步骤1
S20 方法步骤2
S30 方法步骤3
S40 方法步骤4

Claims (10)

1.一种用于在充电设备(20)上控制电气的蓄能器的充电过程的方法，其中，所述充电设备(20)具有调温系统，并且所述蓄能器具有调温系统，所述方法至少包括以下步骤：
-在所述充电设备(20)和蓄能器之间传输电能(S10)，
-在所述充电设备(20)的调温系统和所述蓄能器的调温系统之间传输热能(S20)，
其特征在于，所述方法包括如下步骤：
-获得充电进度信息(S30)，
-根据充电进度信息，调节或控制所述充电设备(30)和/或蓄能器的调温系统中的冷却介质的至少一个第一温度(S40)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还根据外部温度信息，调节或控制所述第一温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当外部温度超过确定的温度阈值时，停止对所述第一温度的调节或控制。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一温度是所述充电设备的调温系统的供应流温度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一温度被降低。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-在充电过程开始时(180)提高所述第一温度，和/或
-在充电过程结束时(190)提高所述第一温度，和/或
-在充电过程开始和充电过程结束之间降低所述第一温度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一温度分别被提高至少5K。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
-获得温度预设值，所述温度预设值由配属于电气的蓄能器的计算单元(130)生成，
-还根据所述温度预设值，调节或控制所述第一温度。
9.一种用于电气的蓄能器的充电设备(20)，所述充电设备具有：
-至少一个第一接口(40)，用于传输电能；
-至少一个第二接口(50、60)，用于传输热能；
-调温系统；
-计算单元(130)，其设计用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
10.一种由电气化的交通工具(10)和根据权利要求9所述的充电设备(20)构成的系统，所述交通工具(10)具有：
-至少一个蓄能器，
-用于传输电能的至少一个第一接口(40)，所述第一接口能够与充电设备(20)的第一接口(40)耦连，
-用于传输热能的至少一个第二接口(50、60)，所述第二接口能够与充电设备(20)的第二接口(50、60)耦连，
其中，所述交通工具的第二接口(50、60)与蓄能器的调温系统热作用连接，并且所述蓄能器能够借助所述第一接口(40)被充电。
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