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Die
Erfindung betrifft ein Ladeverfahren für zumindest einen
elektrischen Energiespeicher mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 696 14 475
T2 ist ein elektrisches Fahrzeug mit einer Batterieladevorrichtung
bekannt. Die Batterieladevorrichtung ist so ausgebildet, dass mehrere
Batterieeinheiten zeitlich versetzt zueinander geladen werden können.
Dabei werden die Batterieeinheiten durch einen gegebenenfalls mehrmals
durchlaufenen Ladezyklus aufgeladen, wobei ein Ladezyklus eine Abfolge
aus Laden, Kurzentladen und Ruhen der jeweiligen Batterieeinheit
darstellt. Durch ein solches impulsartiges Laden mit Ruhephasen
zwischen den Ladephasen und mit jeweils den Ladephasen nachfolgenden
Kurzentladungen ist ein schnelles Laden und der zugehörigen
Batterien ermöglicht, ohne dass dazu die Abmessung der
Batterieladevorrichtung vergrößert werden muss.
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Aus
der
EP 1 921 727 A2 ist
ein Verfahren zum Laden einer Hybridbatterie bekannt. Dabei weist die
Hybridbatterie zumindest zwei Batteriezellen auf, die jeweils in
zumindest zwei Schritten zeitlich versetzt zueinander geladen werden.
Dabei werden in einem ersten Schritt die zumindest zwei Batteriezellen
nacheinander auf einen teilgeladenen Zustand gebracht. Erst in einem
zweiten Schritt werden die Batteriezellen dann wiederum nacheinander
vollständig geladen. Durch diese Unterteilung des Ladeprozesses
in ein Teilladen der einzelnen Batteriezellen im ersten Schritt
und ein vollständiges Laden der einzelnen Batteriezellen
in einem zweiten Schritt ist es möglich, die mehrere Batteriezellen
umfassende Hybridbatterie durch Teilladen im ersten Schritt schneller
auf eine höhere Ladekapazität zu bringen, als durch
konventionelles, vollständiges Laden jeder einzelnen Batteriezelle
in einem einzigen Schritt.
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Eine
technische Weiterentwicklung der Hybridtechnik im Kraftfahrzeugbau
stellt ein Plug-In-Hybridfahrzeug dar, bei dem ein Kraftstoffverbrauch
dadurch gesenkt wird, dass ein elektrischer Antriebsenergiespeicher
nicht mehr ausschließlich durch einen Verbrennungsmotor
geladen wird, sondern auch zusätzlich durch andere externe
Stromquellen, wie z. B. durch das Hausstromnetz. Bei einem solchen
Konzept wird gesteigerter Wert auf eine Vergrößerung der
Akkukapazität gelegt, um auch größere
Strecken ohne Emissionen zurücklegen zu können.
Bei ausreichender Kapazität des elektrischen Antriebsenergiespeichers
können Kurzstrecken so ausschließlich im Elektrobetrieb
bewältigt werden, während der Verbrennungsmotor
lediglich für größere Strecken benötigt
wird.
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Nachteilig
bei solchen Fahrzeugen ist die hohe Aufladungszeit des elektrischen
Antriebsenergiespeichers aufgrund seiner gegenüber einem
herkömmlichen Hybridfahrzeug größeren
Dimensionierung. Weil z. B. das Hausstromnetz als externe Stromquelle
regional üblicherweise mit z. B. maximal 16 A abgesichert
ist und bei einer für Hausstromnetze üblichen
Wechselspannung von z. B. 230 V, ergibt sich daraus eine maximal
aus dem Hausstromnetz entnehmbare Leistung von ca. 3,7 kW. Da somit
die aus der externen Stromquelle entnehmbare Leistung begrenzt ist,
wird bei einem elektrischen Antriebsenergiespeicher mit einer erhöhten
Kapazität die Ladedauer ebenfalls zunehmen.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich nun mit dem Problem,
für ein Ladeverfahren zum Laden zumindest eines elektrischen
Energiespeichers eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform
anzubieten, die sich insbesondere durch eine kürzere Ladezeit
des elektrischen Antriebsenergiespeichers auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird
dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs
gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Ladeverfahren
zum Laden von Energiespeichern in einem wenigstens einen elektrischen
Antriebsmotor aufweisenden Kraftfahrzeug ein Laden zumindest eines
elektrischen Antriebsenergiespeichers mit einem Laden zumindest
eines elektrischen Bordnetzenergiespeichers so zu koordinieren, dass
in den Ladepausen des zumindest einen elektrischen Antriebsenergiespeichers
der zumindest eine Bordnetzenergiespeicher durch die externe Stromquelle
geladen wird. Dadurch kann in den Ladephasen des Antriebsenergiespeichers
die Stromzufuhr zum Bordnetz und/oder zum elektrischen Bordnetzenergiespeicher
verringert werden, da die Ladepausen des Antriebsenergiespeichers
ausreichen, um den Bordnetzenergiespeicher während dieser
Ladepausen zumindest teilweise zu laden. Aufgrund der Erhöhung
der Stromzufuhr während der Ladephasen des Antriebsenergiespeichers
kann dessen Ladezeit verringert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsformen kann während
der Ladephasen des zumindest einen Antriebsenergiespeichers durch
die externe Stromquelle auch zumindest eine minimale Stromversorgung
der Fahrzeugelektronik vorgenommen werden. Auch durch die Absenkung
der Stromversorgung der Fahrzeugelektronik auf einen minimal notwendigen Wert
verbleibt mehr Leistung als zum Laden des Antriebsenergiespeichers.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform kann bzw. muss, sobald
der wenigstens eine Antriebsenergiespeicher einen vorbestimmten
Ladezustand erreicht hat, die Leistung zum Laden des Antriebsenergiespeichers
reduziert werden und die verbleibende Restleistung der externen
Stromquelle zum Laden des Bordnetzenergiespeichers verwendet werden.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Die
einzige 1 zeigt einen Ladezustandsverlauf
eines Antriebsenergiespeichers in einem Ladeleistung/Ladezustand-Zeit-Diagramm.
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In 1 ist
zum besseren Verständnis eines Ladeverfahrens 1 eine
Ladezustandskurve 2 eines elektrischen Antriebsenergiespeichers
zusammen mit einer Ladeleistungskurve 3 eines elektrischen Bordnetzenergiespeichers
und mit einer Ladeleistungskurve 4 des elektrischen Antriebsenergiespeichers
in einem Ladeleistung/Ladezustand-Zeit-Diagramm 5 dargestellt.
In diesem Ladeleistung/Ladezustand-Zeit-Diagramm 5 wird
unter anderem das Laden zumindest eines elektrischen Energiespeichers eines
Kraftfahrzeuges während eines Ladens des Kraftfahrzeugs über
eine externe Stromquelle verdeutlicht. Gemäß 1 kann
die Ladezustandskurve 2 in unterschiedliche Teilbereiche
eingeteilt werden. In mehreren Volllast-Ladephasen 6, 6', 6'',
einem ersten Teilbereich, wird der Antriebsenergiespeicher von einem
Restladezustand von X%, z. B. nach einer Fahrt, auf einen höheren
Ladezustand von Y% gebracht. In diesen Volllast-Ladephasen 6, 6', 6'' wird die
maximale, der externen Stromquelle entnehmbare Leistung zum Laden
des elektrischen Antriebsenergiespeichers verwendet, abzüglich
einer minimal notwendigen Leistung zur Unterstützung eines
elektrischen Bordnetzes und abzüglich einer Verlustleistung
der Gesamtanordnung gemäß folgender Formel: PAES = PES – PEB – PVL mit
- PAES
- Ladeleistung des elektrischen
Antriebsenergiespeichers,
- PES
- Leistung der externen
Stromquelle,
- PEB
- Leistung des elektrischen
Bordnetzes,
- PVL
- Verlustleistung der
Gesamtanordnung.
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Dementsprechend
ist in den Volllast-Ladephasen 6, 6', 6'' die
Volllast-Ladeleistung 7, 7', 7'' des elektrischen
Antriebsenergiespeichers über den gesamten Ladeprozess
hinweg betrachtet maximal, während die Ladeleistung 8, 8', 8'' für
den elektrischen Bordnetzenergiespeicher einen minimalen Wert einnimmt.
Durch diese Volllast-Ladephasen 6, 6', 6'',
die in etwa gleiche Volllast-Ladeleistungen 7, 7', 7'' zum
Laden des elektrischen Antriebsenergiespeichers aufweisen, wird
der elektrische Antriebsenergiespeicher auf einen Ladezustand von
Y% aufgeladen. Vorzugsweise betragen diese Y% 70–90% der
Ladekapazität des elektrischen Antriebsenergiespeichers.
Bis zu diesem Ladezustand von Y% ist es möglich, den elektrischen
Antriebsenergiespeicher mit dieser maximalen Volllast-Ladeleistung 7, 7', 7'' zu
laden.
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Der
Bereich der Volllast-Ladephasen 6, 6', 6'' wird
durch Ladepausen 9 unterbrochen. Diese Ladepausen 9 sind
z. B. bei einem sehr effizienten, impulsartigen Laden notwendig, da
mittels der Ladepausen 9 der elektrische Antriebsenergiespeicher schneller
geladen werden kann. Diese Ladepausen 9 lassen sich nun
dazu nutzen, den elektrischen Bordnetzenergiespeicher zu laden.
Da in den Ladepausen nur eine, wenn überhaupt, sehr geringe
Leistung 10 für den elektrischen Antriebsenergiespeicher
verbraucht wird, steht nahezu die gesamte, aus dem Stromnetz nehmbare
Leistung, zum Laden des elektrischen Bordnetzenergiespeichers zur
Verfügung. Dementsprechend weist das Ladeleistung/Ladezustand-Zeit-Diagramm 5 in
den Bereichen der Ladepausen 9 eine hohe Ladeleistung 11 zum
Laden des elektrischen Bordnetzenergiespeichers auf.
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Nachdem
der elektrische Antriebsenergiespeicher auf einen Ladezustand von
Y% gebracht worden ist, kann die verbleibende Restladekapazität von
100-Y% nicht mit einer maximalen Volllast-Ladeleistung 7, 7', 7'' geladen
werden. Deshalb ist in mehreren Teillast-Ladephasen 12, 12', 12'',
einem zweiten Teilbereich des Ladeleistung/Ladezustand-Zeit-Diagramms 5,
nur noch eine Teillast-Ladeleistung 13, 13', 13'' zum
Laden des elektrischen Antriebsenergiespeichers notwendig. Des Weiteren werden
die Teillast-Ladephasen 12, 12', 12'' ebenfalls
von Ladepausen 9 unterbrochen und die Teillast-Ladeleistung 13, 13', 13'' sinkt
in den Teillast-Ladephasen 12, 12', 12'' mit
zunehmendem Ladezustand ab. Dementsprechend kann in dem zweiten
Teilbereich nicht nur in den Ladepausen 9, die zwischen
den Teillast-Ladephasen 12, 12', 12'' angeordnet
sind, der elektrische Bordnetzenergiespeicher geladen werden, sondern
es ist auch in den Teillast-Ladephasen 12, 12', 12'' möglich,
den elektrischen Bordnetzenergiespeicher zu laden. Dabei ist eine
Restleistung 14, 14', 14'' zum Laden
des elektrischen Bordnetzenergiespeichers gegenüber der
Ladeleistung 8, 8', 8'' zum Laden des
elektrischen Bordnetzenergiespeichers während der Volllast-Ladephasen 6, 6', 6'' zum
einen erhöht und zum anderen von Teillast-Ladephase 12, 12' zu
Teillast-Ladephase 12', 12'' ansteigend. Somit
ist es durch ein koordiniertes Laden des elektrischen Antriebsenergiespeichers und
des elektrischen Bordnetzenergiespeichers möglich, den
elektrischen Bordnetzenergiespeicher sowohl in den Ladepausen 9 des
elektrischen Antriebsenergiespeichers zu laden, wodurch auch während
der Ladepausen 9 die maximale zur Verfügung stehende
Leistung des Stromnetzes ausgenutzt werden kann, als auch in den
Teillast-Ladephasen 12, 12', 12'', da
aufgrund des Ladens des elektrischen Antriebsenergiespeichers mit
der verminderten Teillast-Ladeleistung 13, 13', 13'' die
zur Verfügung stehende Restleistung 14, 14', 14'' zum
Laden des elektrischen Bordnetzenergiespeichers herangezogen werden
kann. Durch eine solche Koordinierung des Ladens können
beide elektrischen Energiespeicher insgesamt schneller geladen und damit
die Reichweite einer E-Fahrt erhöht werden, während der
CO2-Ausstoß des Kraftfahrzeugs
dadurch verringerbar ist.
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Um
die Volllast-Ladeleistung 7, 7', 7'' weiter zu
erhöhen, ist es ebenfalls denkbar, während der Volllast-Ladephasen 6, 6', 6'' und/oder
auch während der Teillast-Ladephasen 12, 12', 12'' und/oder
während der Ladepausen 9 eine gezielte Ansteuerung und/oder
Abschaltung aller Nebenverbraucher vorzunehmen und dadurch die Ladezeit
des elektrischen Antriebsenergiespeichers weiter zu verringern.
Dementsprechend können nicht nur Bordnetzenergieverbraucher
gezielt angesteuert und/oder abgeschaltet werden, sondern auch Nebenverbraucher,
die ihre Energie aus dem elektrischen Antriebsenergiespeicher beziehen.
In Phasen 9, 13, 13', 13'',
in denen weniger Ladeleistung für den elektrischen Antriebsenergiespeicher
benötigt wird, kann die Leistung der Nebenverbraucher nach
Bedarf überhöht werden.
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Bevorzugt
ist der elektrische Antriebsenergiespeicher hochvoltig, z. B. auf
mehrere 100 V, ausgelegt und ist als Doppelschichtkondensator, als Kondensator,
als Akkumulator oder als eine Kombination daraus, ausgebildet. Der
elektrische Bordnetzenergiespeicher ist üblicherweise ein
Akkumulator und niedervoltig, insbesondere auf 12 V, ausgelegt, wobei
jedoch auch ein Doppelschichtkondensator oder ein Kondensator ggf.
als elektrischer Bordnetzenergiespeicher eingesetzt werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird während
des Ladens des zumindest einen Antriebsenergiespeichers durch die
externe Stromquelle, die zumindest minimal notwendige Stromversorgung
der Fahrzeugelektronik ebenfalls durch die externe Stromquelle vorgenommen.
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Durch
die maximal mögliche Aufladung des elektrischen Bordnetzenergiespeichers
zum Ende des Ladens des elektrischen Antriebsenergiespeichers hin,
kann eine Bordnetzspannung bei Fahrtbeginn nahezu ausschließlich
durch den elektrischen Bordnetzenergiespeicher versorgt werden.
Dadurch erhöht sich die Reichweite der elektrischen Fahrt,
da das Einschalten des Verbrennungsmotors verzögert wird,
weil die Bordnetzaggregate hauptsächlich aus dem elektrischen
Bordnetzenergiespeicher versorgt werden können.
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Die
Bedingungen während des Ladens aus der externen Stromquelle
eignen sich besonders gut, um eine Vermessung der elektrischen Energiespeicher
durchzuführen. Für eine optimale Nutzung des elektrischen
Antriebsenergiespeichers muss der Zustand desselben bestimmt werden.
Anhand der gewonnen Messdaten können Algorithmen in den
Steuergeräten die Betriebsstrategie optimieren, damit der elektrische
Antriebsenergiespeicher optimiert eingesetzt werden kann. Während
des Ladens kann somit z. B. die tatsächliche Energiespeicherkapazität
ermittelt werden, die tatsächliche SOC-OCV-Kurve (State of
Charge, Open Circuit Voltage) angepasst werden, sowie der Innenwiderstand
des elektrischen Antriebsenergiespeichers und das Polarisationsspannungsverhalten
bestimmt werden.
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Des
Weiteren ist ebenfalls die Vermessung des elektrischen Bordnetzenergiespeichers
während des Ladens durch eine externe Stromquelle möglich. Durch
eine solche Vermessung kann frühzeitig ein möglicher
Ausfall des elektrischen Bordnetzenergiespeichers erkannt und ggf.
eine Warnung an den Benutzer des Fahrzeugs ausgegeben werden. Des
Weiteren kann die Lebensdauer des elektrischen Bordnetzenergiespeichers
zur Erkennung z. B. einer Akkuschwäche durch dementsprechend
angepasste Ladezyklen verlängert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann der Start bzw. der
Verlauf eines Ladens durch eine externe Stromquelle teilweise vom
Benutzer vorgegeben werden und/oder das Laden durch die externe
Stromquelle wird von aktuellen Fahrzeugdaten beeinflusst. So wäre
es denkbar, dass der Benutzer des Fahrzeugs über Bedienelemente
des Fahrzeugs, wie z. B. ein Kombiinstrument, eine externe Ladestation
oder die Bedienelemente der Mittelkonsole, Eingaben vornehmen kann.
Des Weiteren können auch die Informationen verschiedener
Fahrzeugdaten und/oder Sensoren zur Auswertung und Optimierung des
Ladens durch eine externe Stromquelle herangezogen werden. Dabei
können z. B. die Temperatur, insbesondere eine Außentemperatur
und/oder eine Innentemperatur, eine Temperatur eines elektrischen
Energiespeichers, sowie der Ladezustand der Batterie (SOC), eine
Uhrzeit, eine Sonneneinstrahlung und Informationen des Regensensors
der Fensterscheiben Berücksichtigung finden. Im Falle des
Regensensors der Fensterscheiben ist eine Erkennung von Schneefall
bzw. vereisten Scheiben verwertbar. Dazu kann aufgrund z. B. der
Eingabe der Startzeit das Laden aus der externen Stromquelle zeitlich
optimal gestaltet werden und das Laden bzw. die Stützung
des elektrischen Bordnetzenergiespeichers energiesparend erfolgen.
Im Fall von vereisten Scheiben, wäre es denkbar, dass unter
Berücksichtigung der Startzeit kurz vor Beginn des Fahrzeugstarts
zumindest ein Teil der aus der externen Stromquelle verfügbaren Leistung
zum Auftauen der Scheiben verwendet wird. Dementsprechend ist ein
solcher Vorgang beim Laden der elektrischen Energiespeicher aus
der externen Stromquelle zu berücksichtigen.
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Ist
das Fahrzeug mit einem DC/DC-Wandler ausgestattet, so kann der DC/DC-Wandler
zum einen zur Stützung des niedervoltigen Bordnetzes verwendet
werden oder zur Aufladung des elektrischen Bordnetzenergiespeichers,
der ebenfalls niedervoltig ausgelegt sein kann. Im Falle eines Einsparens
des niedervoltigen Bordnetzenergiespeichers aufgrund der Verwendung
des DC/DC-Wandlers, ist es denkbar, dass anstatt des Ladens des
elektrischen Bordnetzenergiespeichers in den dementsprechenden Phasen 9, 13, 13', 13'',
die verbleibende und zur Verfügung stehende Ladeleistung
aus der externen Stromquelle anderweitig, z. B. zum Abtauen der Scheiben
oder zur Klimatisierung des Fahrzeugs, z. B. vor der Fahrt, verwendet
wird. Diese Verbrauchsprozesse, wie z. B. ein Abtauen der Scheiben,
eine Klimatisierung des Fahrzeuges oder ein Aufheizen der elektrischen
Energiespeicher bzw. der Katalysatoren können auch unter
Verwendung eines elektrischen Bordnetzenergiespeichers bei dem Laden
der elektrischen Energiespeicher berücksichtigt werden, in
Art eines Gesamtenergiekonzeptes während des Ladens an
einer externen Stromquelle.
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- 1
- Ladeverfahren
- 2
- Ladezustandskurve
- 3
- Ladeleistungskurve
- 4
- Ladeleistungskurve
- 5
- Ladeleistung/Ladezustand-Zeit-Diagramm
- 6,
6', 6''
- Volllast-Ladephase
- 7,
7', 7''
- Volllast-Ladeleistung
- 8,
8', 8''
- Ladeleistung
- 9
- Ladepause
- 10
- Leistung
- 11
- Ladeleistung
- 12,
12', 12''
- Teillast-Ladephase
- 13,
13', 13''
- Teillast-Ladeleistung
- 14,
14', 14''
- Restleistung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 69614475
T2 [0002]
- - EP 1921727 A2 [0003]