DE102014209249A1

DE102014209249A1 - Elektrisches Ladeverfahren für ein Fahrzeug und elektrische Fahrzeugladevorrichtung

Info

Publication number: DE102014209249A1
Application number: DE102014209249.3A
Authority: DE
Inventors: Mark Eifert; Peter Schmitz
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2015-11-19
Also published as: RU2015118128A; US20150329001A1; RU2015118128A3; CN105150866A; US9744857B2; CN105150866B; RU2666496C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines in einem Fahrzeug eingebauten elektrischen Hauptenergiespeichers mit einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, wobei eine von der externen Energiequelle bereitgestellte elektrische Spannung mittels eines Konverters (2) in eine Niedergleichspannung umgewandelt wird und die Niedergleichspannung Niederspannungsverbrauchern (5) des Fahrzeugs zugeführt wird, während der Hauptenergiespeicher durch die externe Energiequelle geladen wird. Erfindungsgemäß wird während des Ladens des Hauptenergiespeichers durch die externe Energiequelle ein Ladezustand eines Zusatzenergiespeichers (8), der elektrische Energie zur elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher (5) speichert, ermittelt und der Zusatzenergiespeicher (8) mittels einer elektronischen Steuereinrichtung (6) von der Niedergleichspannung und den Niederspannungsverbrauchern (5) elektrisch wirksam entkoppelt, falls der Ladezustand zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher (5) ausreichend ist, und der Zusatzenergiespeicher (8) mittels der elektronischen Steuereinrichtung (6) mit der Niedergleichspannung elektrisch wirksam gekoppelt, falls der Ladezustand zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher (5) nicht ausreichend ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Ladevorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Ladeverfahren für ein Fahrzeug, insbesondere für ein batterieelektrisches Fahrzeug bzw. Elektrofahrzeug oder ein Plug-In-Hybridelektrofahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine elektrische Ladevorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein batterieelektrisches Fahrzeug bzw. Elektrofahrzeug oder ein Plug-In-Hybridelektrofahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge und dergleichen sind als elektrisch angetriebene Fahrzeuge bekannt, die dazu ausgelegt sind, einen Elektromotor für den Antrieb des Fahrzeugs aus einem Hauptenergiespeicher, zum Beispiel einer Traktionsbatterie bzw. einem Traktionsakkumulator, zu speisen. Des Weiteren weisen derartige Fahrzeuge gewöhnlich ebenso einen Zusatzenergiespeicher, zum Beispiel eine Bleibatterie, auf, die Niederspannungsverbraucher im Fahrzeug, zum Beispiel diverse elektronische Steuereinrichtungen sowie Verbraucher, die Komfort- und Sicherheitsfunktionen bereitstellen, und dergleichen, mit elektrischer Energie versorgt.
Fahrzeugbleibatterien sind dazu ausgelegt, während des Fahrbetriebs geladen zu werden und elektrische Verbraucher mit Energie zu versorgen, während das Fahrzeug abgestellt bzw. geparkt ist. Wenn derartige Bleibatterien auch fortwährend geladen werden, während das Fahrzeug abgestellt ist, führt dies zu einem hohen Wasserverlust der Bleibatterie, der zu einem frühzeitigen Ausfall der Bleibatterie führen kann, falls der Wasserverlust nicht ausgeglichen wird. Darüber hinaus können lange Ladedauern eine Korrosion der Batterieplatten und/oder eine Entwicklung von internen Batteriekurzschlüssen begünstigen.
Heutige Elektrofahrzeuge oder Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge weisen gewöhnlich für die Niederspannungsenergieversorgung des Fahrzeugs, wobei als Niederspannung in derartigen Fahrzeugen eine Gleichspannung von etwa 12 V zu verstehen ist, eine Bleibatterie als Zusatzenergiespeicher auf, die elektrisch mit einem Gleichspannungswandler (DC-DC-Konverter) oder einem Gleichrichter (AC-DC-Konverter) verbunden ist. Da die Niederspannungsenergieversorgung für den Betrieb der unterschiedlichen elektronischen Steuereinrichtungen während des Ladens des Hauptenergiespeichers bzw. der Traktionsbatterie des Fahrzeugs benötigt wird, liegt an der Bleibatterie fortwährend eine Ladespannung an. Die Ladedauern können sieben Stunden täglich überschreiten und demzufolge wird die Bleibatterie wesentlich längeren täglichen Ladezeiten ausgesetzt, was zu einem frühzeitigen Betriebsausfall aufgrund des Wasserverlusts, Korrosion oder internen Batteriekurzschlüssen führen kann. Die Situation wird noch dadurch verschlimmert, dass das Laden der Traktionsbatterie beispielsweise an einer Ladesteckdose in der Regel unbeaufsichtigt und in einer geschlossenen Garage stattfinden kann und dass in ihrer Funktion nachlassende Bleibatterien dazu neigen, Wasserstoffgas in größeren Mengen zu produzieren als gewöhnlich und sich beim Laden zu erwärmen. Es ist daher wünschenswert, diese Nachteile zu beseitigen.
Aus der US 2012/0169281 A1 ist zum Beispiel eine elektrische Fahrzeugladevorrichtung bekannt, die einen in einem Fahrzeug eingebauten Hauptenergiespeicher mittels einer fahrzeugexternen Wechselspannungsquelle laden kann. Die Vorrichtung weist einen AC-DC-Konverter auf, der die fahrzeugexterne Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt und diese Verbrauchern im Fahrzeug zur Verfügung stellt, während der Hauptenergiespeicher durch die externe Wechselspannungsquelle geladen wird. Ferner ist ein Hilfsenergiespeicher vorgesehen, der die Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen kann. Während der Hauptenergiespeicher durch die externe Spannungsquelle geladen wird, verhindert eine in Reihe mit dem Hilfsenergiespeicher geschaltete Diode ein Aufladen des Hilfsenergiespeichers, um die Ladeeffizienz beim Laden des Hauptenergiespeichers zu erhöhen. Das Entladen des Hilfsenergiespeichers zur Versorgung der Verbraucher im Fahrzeug ist jedoch möglich. Während des Ladens des Hauptenergiespeichers wird das Entladen des Zusatzenergiespeichers jedoch unterbunden, indem eine Steuereinrichtung die Ausgangsspannung des AC-DC-Konverters derart steuert, dass die Diode gerade in einem Sperrzustand betrieben wird.
Ferner ist aus der US 8,186,466 B2 eine elektrische Schaltungsanordnung eines Hybridelektrofahrzeugs bekannt, bei dem eine Niederspannungsbatterie in einem Niederspannungsversorgungsnetz des Fahrzeugs mittels eines Schalters von einem Hochspannungsversorgungsnetz, das eine Hochspannungsbatterie zum Antrieb des Fahrzeugs umfasst, getrennt werden kann. Es wird vorgeschlagen, den Schalter zu schließen, um die Hochspannungsbatterie mittels der Niederspannungsbatterie zu laden.
Des Weiteren offenbart die US 2007/0210743 A1 eine elektrische Schaltungsanordnung für ein Hybridelektrofahrzeug, mit deren Hilfe der Ladezustand einer Niederspannungsbatterie durch Laden aus einer Hochspannungsbatterie aufrechterhalten werden kann.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Ladeverfahren sowie eine elektrische Ladevorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein batterieelektrisches Fahrzeug bzw. Elektrofahrzeug oder ein Plug-In-Hybridelektrofahrzeug, bereitzustellen, die einen Energiespeicher, wie zum Beispiel eine Bleibatterie, vor Schäden infolge dauerhaften Ladens schützen, wenn das Fahrzeug elektrisch mit einer fahrzeugexternen Energiequelle verbunden ist, die ein fahrzeuginternes elektrisches Versorgungsnetz mit Energie versorgt. Darüber hinaus soll sichergestellt werden, dass der Energiespeicher einen kritischen Ladezustand, bei dem seine ordnungsgemäße elektrische Funktion nicht mehr gewährleistet ist, nicht unterschreitet.
Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Ladeverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine elektrische Ladevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Laden eines in einem Fahrzeug, insbesondere einem batterieelektrischen Fahrzeug bzw. Elektrofahrzeug oder einem Plug-In-Hybridelektrofahrzeug, eingebauten elektrischen Hauptenergiespeichers, beispielsweise einer Traktionsbatterie, mit einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle unter anderem die Schritte:

– Umwandeln einer von der externen Energiequelle bereitgestellten elektrischen Spannung mittels eines Konverters, beispielsweise eines Gleichspannungswandlers oder eines Gleichrichters, in eine Niedergleichspannung, und
– Zuführen der Niedergleichspannung Niederspannungsverbrauchern des Fahrzeugs, während der Hauptenergiespeicher durch die externe Energiequelle geladen wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird während des Ladens des Hauptenergiespeichers durch die externe Energiequelle ein Ladezustand eines Zusatzenergiespeichers, beispielsweise einer Bleibatterie, der elektrische Energie zur elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher speichert, ermittelt. Falls der Ladezustand zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher ausreichend ist, wird der Zusatzenergiespeicher während des Ladens des Hauptenergiespeichers durch die externe Energiequelle mittels einer elektronischen Steuereinrichtung von der Niedergleichspannung und den Niederspannungsverbrauchern elektrisch wirksam entkoppelt, so dass der Zusatzenergiespeicher weder durch die Niedergleichspannung geladen, noch durch die Niederspannungsverbraucher entladen werden kann. Falls hingegen der Ladezustand zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher nicht ausreichend ist, wird der Zusatzenergiespeicher während des Ladens des Hauptenergiespeichers durch die externe Energiequelle mittels der elektronischen Steuereinrichtung mit der Niedergleichspannung elektrisch wirksam gekoppelt, so dass der Zusatzenergiespeicher durch die Niedergleichspannung geladen werden kann. Als Niedergleichspannung ist hierbei insbesondere eine in Fahrzeugen üblicherweise verwendete Gleichspannung zur elektrischen Versorgung von Niederspannungsverbrauchern, wie zum Beispiel diversen elektronischen Steuereinrichtungen sowie Verbrauchern, die Komfort- und Sicherheitsfunktionen bereitstellen, im Bereich von etwa 12 V zu verstehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt sicher, dass der Zusatzenergiespeicher, wie zum Beispiel eine Bleibatterie, vor Schäden infolge dauerhaften Ladens geschützt wird, wenn das Fahrzeug elektrisch mit einer fahrzeugexternen Energiequelle verbunden ist, die ein fahrzeuginternes elektrisches Versorgungsnetz mit Energie versorgt. Darüber hinaus verhindert das Verfahren, dass der Zusatzenergiespeicher einen kritischen Ladezustand, bei dem seine ordnungsgemäße elektrische Funktion zur elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher im Fahrzeug nicht mehr gewährleistet ist, nicht unterschreitet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung eingerichtet, zum elektrischen Entkoppeln des Zusatzenergiespeichers eine Nullstromregelung durchzuführen, bei der die Steuereinrichtung eine Ausgangsspannung des Konverters derart steuert, dass ein Stromfluss in den und aus dem Zusatzenergiespeicher null wird. Mit anderen Worten hebt die Steuereinrichtung die Ausgangsspannung an, sobald ein Stromfluss aus dem Zusatzenergiespeicher auftritt, das heißt, der Zusatzenergiespeicher entladen würde, und senkt die Ausgangsspannung ab, sobald ein Stromfluss in den Zusatzenergiespeicher auftritt, das heißt, der Zusatzenergiespeicher geladen würde. Auf diese Weise wird der Zusatzenergiespeicher „virtuell“ von den Niederspannungsverbrauchern des Fahrzeugs sowie von der Niedergleichspannung getrennt und somit elektrisch wirksam entkoppelt, während der Hauptenergiespeicher durch die externe Energiequelle geladen werden kann. Die Nullstromregelung kann beispielsweise mittels eines Standard-PI-Reglers oder einer herkömmlichen adaptiven Regelung realisiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, zum elektrischen Koppeln des Zusatzenergiespeichers eine Ausgangsspannung des Konverters derart zu steuern, dass ein Stromfluss in den Zusatzenergiespeicher erfolgt, das heißt, der Zusatzenergiespeicher geladen wird.
Beide vorstehend genannten Ausgestaltungen ermöglichen eine besonders kostengünstige Umsetzung des erfindungsgemäßen Lösungsgedankens, da das elektrische Entkoppeln und/oder Koppeln des Zusatzenergiespeichers von bzw. mit den Niederspannungsverbrauchern des Fahrzeugs und der Niedergleichspannung lediglich durch Anpassung der Ausgangsspannung des Konverters mittels der elektronischen Steuereinrichtung erfolgen kann.
Bevorzugt wird der Stromfluss in den und aus dem Zusatzenergiespeicher mittels eines mit diesem in Reihe geschalteten Stromsensors ermittelt und ein Ermittlungswert des Stromsensors der Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt, auf dessen Grundlage das Entkoppeln und Koppeln des Zusatzenergiespeichers von den Niederspannungsverbrauchern des Fahrzeugs und der Niedergleichspannung durchgeführt wird.
Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers ermittelt, indem ein Durchschnittswert der von der Steuereinrichtung gesteuerten Ausgangsspannung des Konverters während der Nullstromregelung mit einem vorbestimmten Leerlaufspannungsgrenzwert des Zusatzenergiespeichers verglichen wird. Der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher wird dann als nicht ausreichend bewertet, falls der Leerlaufspannungsgrenzwert unterschritten wird. Andernfalls wird der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers als ausreichend bewertet. In vorteilhafter Weise kann diese Ausgestaltung der Erfindung auf zusätzliche Messsensoren zur Ermittlung des Ladezustands des Zusatzenergiespeichers verzichten, was den Aufbau der elektrischen Fahrzeugladevorrichtung zur Durchführung des Ladeverfahrens vereinfacht und dessen Herstellungskosten reduziert.
Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung kann ebenso einen Ladezustandssensor, beispielsweise einen bevorzugt in der Pol-Nische des Zusatzenergiespeichers angeordneten herkömmlichen Batteriesensor, vorsehen, mit dem der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers ermittelt wird und ein Ermittlungswert des Ladezustandssensors, insbesondere ein Leerlaufspannungswert des Zusatzenergiespeichers, der Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt wird. Es wird dann der vom Ladezustandssensor dauernd ermittelte Spannungs- bzw. Ladezustand während der Entkopplung des Zusatzenergiespeichers von den Niederspannungsverbrauchern und der Niedergleichspannung mit einem vorbestimmten Leerlaufspannungsgrenzwert bzw. Ladezustandsgrenzwert des Zusatzenergiespeichers verglichen. Der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher wird dann als nicht ausreichend bewertet, wenn der entsprechende Grenzwert unterschritten wird. Andernfalls wird der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers als ausreichend bewertet.
Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Relais vor, das die elektrische Verbindung des Zusatzenergiespeichers mit den Niederspannungsverbrauchern des Fahrzeugs und der Niedergleichspannung herstellt bzw. trennt. Hierzu wird das Relais zum elektrischen Entkoppeln des Zusatzenergiespeichers von der Steuereinrichtung derart gesteuert, dass der Zusatzenergiespeicher durch Öffnen des Relais galvanisch von den Niederspannungsverbrauchern und der Niedergleichspannung getrennt wird und zum elektrischen Koppeln des Zusatzenergiespeichers durch Schließen des Relais mit der Niedergleichspannung verbunden wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Ladevorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere einem batterieelektrischen Fahrzeug bzw. Elektrofahrzeug oder einem Plug-In-Hybridelektrofahrzeug, zum Laden eines in dem Fahrzeug eingebauten elektrischen Hauptenergiespeichers, beispielsweise einer Traktionsbatterie, mit einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle bereitgestellt, die einen Konverter zur Spannungsumwandlung einer von der externen Energiequelle bereitgestellten Spannung in eine Niedergleichspannung und zur Zuführung der Niedergleichspannung Niederspannungsverbrauchern des Fahrzeugs während des Ladens des Hauptenergiespeichers durch die externe Energiequelle sowie einen elektrischen Zusatzenergiespeicher, beispielsweise eine Bleibatterie, zur Speicherung elektrischer Energie für die elektrische Versorgung der Niederspannungsverbraucher umfasst. Ferner umfasst die Ladevorrichtung eine elektronischen Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, den Zusatzenergiespeicher während des Ladens des Hauptenergiespeichers durch die externe Energiequelle von der Niedergleichspannung und den Niederspannungsverbrauchern elektrisch wirksam zu entkoppeln, falls ein Ladezustand des Zusatzenergiespeichers zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher ausreichend ist, und den Zusatzenergiespeicher während des Ladens des Hauptenergiespeichers durch die externe Energiequelle mit der Niedergleichspannung elektrisch wirksam zu koppeln, falls der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher nicht ausreichend ist. Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, ist unter einer Niedergleichspannung im Fahrzeugbereich insbesondere eine Gleichspannung im Bereich von etwa 12 V zu verstehen, wie sie in herkömmlicher Weise zur elektrischen Versorgung von Niederspannungsverbrauchern im Fahrzeug, zum Beispiel elektrischen Steuereinrichtungen sowie Verbrauchern, die Komfort- und Sicherheitsfunktionen bereitstellen, verwendet wird.
Mit der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung kann sichergestellt werden, dass der Zusatzenergiespeicher, wie zum Beispiel eine Bleibatterie, vor Schäden infolge dauerhaften Ladens geschützt wird, wenn das Fahrzeug elektrisch mit einer fahrzeugexternen Energiequelle verbunden ist, die ein fahrzeuginternes elektrisches Versorgungsnetz mit Energie versorgt. Darüber hinaus kann mit der Ladevorrichtung verhindert werden, dass der Zusatzenergiespeicher einen kritischen Ladezustand, bei dem seine ordnungsgemäße elektrische Funktion zur elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher im Fahrzeug nicht mehr gewährleistet ist, nicht unterschreitet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Stromsensor vorgesehen, der einen Stromfluss in den und aus dem Zusatzenergiespeicher ermittelt und der Steuereinrichtung einen Ermittlungswert zur Verfügung stellt. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, zum elektrischen Entkoppeln des Zusatzenergiespeichers basierend auf dem Ermittlungswert des Stromsensors eine Nullstromregelung durchzuführen. Bei dieser steuert die Steuereinrichtung eine Ausgangsspannung des Konverters derart, dass der Stromfluss in den und aus dem Zusatzenergiespeicher null wird, so dass der Zusatzenergiespeicher „virtuell“ von den Niederspannungsverbrauchern des Fahrzeugs sowie von der Niedergleichspannung getrennt und somit elektrisch wirksam entkoppelt wird, während der Hauptenergiespeicher durch die externe Energiequelle geladen werden kann. Die Nullstromregelung kann beispielsweise mittels eines Standard-PI-Reglers oder einer herkömmlichen adaptiven Regelung realisiert werden.
Ferner ist die Steuereinrichtung bei dieser Ausgestaltung eingerichtet, zum elektrischen Koppeln des Zusatzenergiespeichers basierend auf dem Ermittlungswert des Stromsensors die Ausgangsspannung des Konverters derart zu steuern, dass der Stromfluss in den Zusatzenergiespeicher erfolgt und der Zusatzenergiespeicher entsprechend geladen werden kann.
Alternativ zur Verwendung des Stromsensors sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ein Relais vor, mit dem der Zusatzenergiespeicher elektrisch mit den Niederspannungsverbrauchern und der Niedergleichspannung verbunden ist. Hierbei ist die Steuereinrichtung eingerichtet, zum elektrischen Entkoppeln des Zusatzenergiespeichers das Relais in einen geöffneten Zustand zu schalten, in dem der Zusatzenergiespeicher galvanisch von den Niederspannungsverbrauchern und der Niedergleichspannung getrennt ist und zum elektrischen Koppeln des Zusatzenergiespeichers das Relais in einen geschlossenen Zustand zu schalten, in dem der Zusatzenergiespeicher galvanisch mit der Niedergleichspannung verbunden ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sehen vor, dass der Zusatzenergiespeicher eine Bleibatterie ist, und/oder dass der Konverter ein Gleichspannungswandler oder ein Gleichrichter ist und/oder dass ein Ladezustandssensor, beispielsweise ein bevorzugt in der Pol-Nische des Zusatzenergiespeichers angeordneter herkömmlicher Batteriesensor, vorgesehen ist, mit dem der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers ermittelt wird und ein Ermittlungswert des Ladezustandssensors, insbesondere ein Leerlaufspannungswert des Zusatzenergiespeichers, der Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt wird, auf dessen Grundlage der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers als ausreichend oder nicht ausreichend bewertet wird, wie hierin bereits im Zusammenhang mit dem Ladeverfahren beschrieben wurde. Ein als Gleichspannungswandler ausgebildeter Konverter ist eingangsseitig bevorzugt mit einem fahrzeuginternen herkömmlichen Hochgleichspannungsnetz, das insbesondere der elektrischen Versorgung einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs dient, verbunden, wohingegen ein als Gleichrichter ausgebildeter Konverter eingangsseitig bevorzugt mit einem fahrzeugexternen herkömmlichen Wechselspannungsnetz verbunden ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Ladevorrichtung,
2 ein Flussdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Ladeverfahrens,
3 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Ladevorrichtung,
4 ein Flussdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Ladeverfahrens und
5 ein Flussdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Ladeverfahrens.
In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 stellt schematisch ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Ladevorrichtung 1 für ein Fahrzeug, insbesondere für ein batterieelektrisches Fahrzeug bzw. Elektrofahrzeug oder ein Plug-In-Hybridelektrofahrzeug, zum Laden eines in dem Fahrzeug eingebauten elektrischen Hauptenergiespeichers (nicht dargestellt), insbesondere einer Traktionsbatterie, mit einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle (ebenfalls nicht dargestellt) dar. Des Weiteren umfasst die in 1 dargestellte Ladevorrichtung 1 einen Konverter 2 zur Spannungsumwandlung einer von der externen Energiequelle bereitgestellten Spannung in eine Niedergleichspannung. Einer Eingangsseite 3 des Konverters 2 kann entweder unmittelbar die von der externen Energiequelle zur Verfügung gestellte Spannung, insbesondere eine Wechselspannung, zugeführt werden oder eine bereits fahrzeugintern aus der externen Energiequelle gewandelte Hochgleichspannung, die beispielsweise zum Laden des Hauptenergiespeichers, insbesondere der Traktionsbatterie des Fahrzeugs, verwendet wird. Im ersten Fall ist der Konverter bevorzugt als Gleichspannungswandler ausgebildet, der eine eingangsseitige Hochgleichspannung in die Niedergleichspannung an seiner Ausgangsseite 4 umwandelt. Im zweiten Fall ist der Konverter bevorzugt als Gleichrichter ausgebildet, der eine eingangsseitige Wechselspannung in die am Ausgang 4 des Konverters 2 anliegende Niedergleichspannung umwandelt. Als Niederspannung ist bei den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen insbesondere eine Gleichspannung von etwa 12 V zu verstehen.
Wie 1 weiter zu entnehmen ist, wird die von dem Konverter 2 zur Verfügung gestellte Niedergleichspannung Niederspannungsverbrauchern 5 des Fahrzeugs zugeführt. Als Niederspannungsverbraucher 5 sind beispielsweise diverse elektronische Steuereinrichtungen sowie Verbraucher, die Komfort- und Sicherheitsfunktionen des Fahrzeugs bereitstellen, und dergleichen zu verstehen. In 1 sind als Niederspannungsverbraucher 5 beispielhaft explizit eine elektronische Steuereinrichtung 6 sowie die übrigen Niederspannungsverbraucher 7 des Fahrzeugs dargestellt.
Während der Hauptenergiespeicher durch die externe Energiequelle geladen wird, liegt am Eingang 3 des Konverters 2 entweder unmittelbar die von der externen Energiequelle bereitgestellte (Wechsel-)Spannung oder die Hochgleichspannung des fahrzeuginternen Hochgleichspannungsversorgungsnetzes an, so dass die Niederspannungsverbraucher 5 während des Ladens des Hauptenergiespeichers über den Konverter 2 mit elektrischer Energie versorgt werden, wie in 1 zu erkennen ist.
Des Weiteren ist 1 ein elektrischer Zusatzenergiespeicher 8 zu entnehmen, welcher der Speicherung von elektrischer Energie für die elektrische Versorgung der Niederspannungsverbraucher 5 dient, sobald der Konverter 2 die Niederspannungsverbraucher nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt. Die Zusatzenergiespeicher 8 ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als herkömmliche Bleibatterie ausgebildet.
Die bereits erwähnte elektronische Steuereinrichtung 6 ist bei der in 1 dargestellten Ladevorrichtung 1 eingerichtet, den Zusatzenergiespeicher 8 während des Ladens des Hauptenergiespeichers durch die externe Energiequelle von der Niedergleichspannung und den Niederspannungsverbrauchern 5 elektrisch wirksam zu entkoppeln, falls ein Ladezustand des Zusatzenergiespeichers 8 zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher 5 ausreichend ist, und den Zusatzenergiespeicher 8 während des Ladens des Hauptenergiespeichers durch die externe Energiequelle mit der Niedergleichspannung elektrisch wirksam zu koppeln, falls der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers 8 zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher 5 nicht ausreichend ist.
Hierzu umfasst das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Ladevorrichtung 1 ferner ein Relais 9, das den Zusatzenergiespeicher 8 in seinem geschlossenen Zustand galvanisch mit der Niedergleichspannung und den Niederspannungsverbrauchern 5 verbindet und in seinem geöffneten Zustand von diesen galvanisch trennt. Das Relais 9 ist mittels einer Steuerleitung 10 elektrisch mit der Steuereinrichtung 6 verbunden, die wiederum eingerichtet ist, zum elektrischen Entkoppeln des Zusatzenergiespeichers 8 das Relais 9 in einen geöffneten Zustand zu schalten und zum elektrischen Koppeln des Zusatzenergiespeichers 8 das Relais 9 in einen geschlossenen Zustand zu schalten.
Zur Erfassung des Ladezustands des Zusatzenergiespeichers 8 kann ein in 1 nicht dargestellter Ladezustandssensor, insbesondere ein bevorzugt in der Pol-Nische einer Bleibatterie untergebrachter herkömmlicher Batteriesensor, verwendet werden. Dieser kann der Steuereinrichtung 6 einen Ermittlungswert zur Verfügung stellen, insbesondere einen Leerlaufspannungswert des Zusatzenergiespeichers 8, auf dessen Grundlage die Steuereinrichtung 6 einen für die ordnungsgemäße elektrische Versorgung der Niederspannungsverbraucher 5 ausreichenden oder nicht ausreichenden Ladezustand des Zusatzenergiespeichers 8 ermitteln kann.
Wie in 1 zu erkennen ist, ist für die Kopplung bzw. Entkopplung des Zusatzenergiespeichers 8 von der Niedergleichspannung und den Niederspannungsverbrauchern 5 ausschließlich das von der Steuereinrichtung 6 gesteuerte Relais 9 vorgesehen. Der Konverter 2 ist während des Ladens des Hauptenergiespeichers, das heißt, während das Fahrzeug mit der externen Energiequelle elektrisch verbunden ist, stets aktiviert, so dass eine elektrische Versorgung der Niederspannungsverbraucher 5 während dieser Zeit durch den Konverter 2 gegeben ist.
In 2 ist ein Flussdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Ladeverfahrens 11 dargestellt. In Schritt 12 wird das Ladeverfahren 11 gestartet, sobald das Fahrzeug elektrisch mit der fahrzeugexternen Energiequelle zum Laden des Hauptenergiespeichers des Fahrzeugs verbunden wird. Die Aktivierung des Ladeverfahrens 11 kann beispielsweise durch das Einstecken eines Steckers des Fahrzeugs in eine Steckdose der externen Energiequelle getriggert werden oder zum Beispiel durch die Aktivierung einer anderen Steuereinrichtung, die im Wesentlichen das Laden des Hauptenergiespeichers des Fahrzeugs steuert.
In Schritt 13 wird überprüft, ob das Fahrzeug elektrisch mit der fahrzeugexternen Energiequelle verbunden ist. Falls das Fahrzeug nicht mit der externen Energiequelle verbunden ist (Zweig B), wird der Zusatzenergiespeicher 8 mit den Niederspannungsverbrauchern 5 elektrisch wirksam gekoppelt, zum Beispiel das in 1 dargestellte Relais 9 in Schritt 14 infolge eines entsprechenden, über die Steuerleitung 10 übertragenen Steuersignals der Steuereinrichtung 6 geschlossen, so dass der Zusatzenergiespeicher 8 die Niederspannungsverbraucher 5 mit elektrischer Energie versorgen kann, wenn das Fahrzeug nicht mit der externen Energiequelle verbunden ist.
Falls in Schritt 13 festgestellt wird, dass das Fahrzeug mit der externen Energiequelle verbunden ist, fährt das Verfahren 11 mit dem Zweig A fort und überprüft in Schritt 15, ob der Konverter 2 aktiv ist, das heißt, die von der externen Energiequelle bereitgestellte Spannung in die Niedergleichspannung zur Versorgung der Niederspannungsverbraucher 5 während des Ladens des Hauptenergiespeichers wandelt. Falls der Konverter nicht aktiv ist (Zweig B), fährt das Verfahren 11 mit Schritt 14 fort, in dem der Zusatzenergiespeicher 8 elektrisch wirksam mit den Niederspannungsverbrauchern 5 gekoppelt wird.
Falls in Schritt 15 festgestellt wird, dass der Konverter 2 aktiv ist, fährt das Verfahren 11 mit Schritt 16 fort, in dem der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers 8 überprüft wird. Falls der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers 8 für eine ordnungsgemäße elektrische Versorgung der Niederspannungsverbraucher 5 nicht ausreichend ist (Zweig B), fährt das Verfahren 11 mit Schritt 14 fort, in dem der Zusatzenergiespeicher 8 elektrisch wirksam mit den Niederspannungsverbrauchern 5 gekoppelt wird. Da in diesem Fall der Konverter 2 aktiv ist und die Niederspannungsverbraucher 5 mit elektrischer Energie versorgt, bedeutet dies, dass der Zusatzenergiespeicher 8 elektrisch wirksam mit der am Ausgang 4 des Konverters 2 anliegenden Niedergleichspannung gekoppelt wird. Der Zusatzenergiespeicher 8 kann dementsprechend geladen werden.
Falls in Schritt 16 festgestellt wird, dass der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers 8 für eine ordnungsgemäße elektrische Versorgung der Niederspannungsverbraucher 5 ausreichend ist (Zweig A), fährt das Verfahren 11 mit Schritt 17 fort, in dem der Zusatzenergiespeicher 8 elektrisch wirksam von den Niederspannungsverbrauchern 5 und somit von der Niedergleichspannung des aktiven Konverters 2 entkoppelt wird. Für das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Ladevorrichtung 1 bedeutet dies, dass das Relais 9 durch ein entsprechendes, über die Steuerleitung 10 übertragenes Steuersignal der Steuereinrichtung 6 geöffnet wird.
Nach den Schritten 14 und 17 kehrt das in 2 dargestellte Verfahren 11 wieder zu Schritt 13 zurück.
In 3 ist ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Ladevorrichtung 18 dargestellt. Die Ladevorrichtung 18 unterscheidet sich im Wesentlichen von der in 1 dargestellten Ladevorrichtung 1 dadurch, dass anstelle des Relais 9 ein Stromsensor 19 in Reihe mit dem Zusatzenergiespeicher 8 geschaltet ist. Der Zusatzenergiespeicher 8 ist somit galvanisch stets mit der am Ausgang 4 des Konverters 2 anliegenden Niedergleichspannung und den Niederspannungsverbrauchern 5 des Fahrzeugs verbunden. Der Stromsensor 19 ist vorgesehen, einen Stromfluss in den und aus dem Zusatzenergiespeicher 8 zu ermitteln und der Steuereinrichtung 6 einen diesbezüglichen Ermittlungswert über die in 3 dargestellte untere Steuerleitung 10 zur Verfügung zu stellen. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Ladevorrichtung 18 ist die Steuereinrichtung 6 eingerichtet, zum elektrischen Entkoppeln des Zusatzenergiespeichers von der Niedergleichspannung und den Niederspannungsverbrauchern 5 basierend auf dem vom Stromsensor 19 bereitgestellten Ermittlungswert eine Nullstromregelung durchzuführen. Bei dieser steuert die Steuereinrichtung 6 die Ausgangsspannung des Konverters 2 derart, dass der Stromfluss in den und aus dem Zusatzenergiespeicher 8 null wird. Mit anderen Worten hebt die Steuereinrichtung 6 die Ausgangsspannung des Konverters 2 an, wenn ein von dem Stromsensor 19 festgestellter Stromfluss aus dem Zusatzenergiespeicher 8 zu den Niederspannungsverbrauchern 5 des Fahrzeugs festgestellt wird, das heißt der Zusatzenergiespeicher 8 entladen würde, und senkt die Ausgangsspannung des Konverters 2 ab, wenn ein Stromfluss in den Zusatzenergiespeicher 8 festgestellt wird, das heißt der Zusatzenergiespeicher 8 geladen würde. Die Ausgangsspannung des Konverters 2 wird bei der in 3 dargestellten Ladevorrichtung 18 von der Steuereinrichtung 6 über eine zweite, in 3 oben dargestellte Steuerleitung 10 am Konverter 2 eingestellt.
Die Steuereinrichtung 6 ist bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Ladevorrichtung 18 ferner eingerichtet, zum elektrischen Koppeln des Zusatzenergiespeichers 8 mit der am Ausgang 4 des Konverters 2 anliegenden Niedergleichspannung basierend auf dem vom Stromsensor 19 bereitgestellten Ermittlungswert die Ausgangsspannung des Konverters 2 derart zu steuern, dass der Stromfluss in den Zusatzenergiespeicher 8 erfolgt und somit der Zusatzenergiespeicher 8 geladen wird.
Die Nullstromregelung wird bevorzugt mit einem Standard-PI-Regler oder einer herkömmlichen adaptiven Regelung realisiert.
Zur Erfassung des Ladezustands des Zusatzenergiespeichers 8 kann ein in 3 nicht dargestellter Ladezustandssensor, insbesondere ein bevorzugt in der Pol-Nische einer Bleibatterie untergebrachter herkömmlicher Batteriesensor, verwendet werden. Dieser kann der Steuereinrichtung 6 einen Ermittlungswert zur Verfügung stellen, insbesondere einen Leerlaufspannungswert des Zusatzenergiespeichers 8, auf dessen Grundlage die Steuereinrichtung 6 einen für die ordnungsgemäße elektrische Versorgung der Niederspannungsverbraucher ausreichenden oder nicht ausreichenden Ladezustand des Zusatzenergiespeichers 8 ermitteln kann. Der Konverter 2 ist während des Ladens des Hauptenergiespeichers, das heißt, während das Fahrzeug mit der externen Energiequelle elektrisch verbunden ist, stets aktiviert, so dass eine elektrische Versorgung der Niederspannungsverbraucher während dieser Zeit stets über den Konverter 2 gegeben ist.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des Ladeverfahrens 11 ist ebenso mit der in 3 dargestellten Ladevorrichtung 18 ausführbar. Hierfür wird die von der Steuereinrichtung 6 ausgeführte Nullstromregelung in dem in 2 dargestellten Schritt 17 aktiviert und in dem Schritt 14 deaktiviert, in dem der Zusatzenergiespeicher 8 mit den Niederspannungsverbrauchern 5 des Fahrzeugs und damit auch mit der am Ausgang 4 des Konverters 2 anliegenden Niedergleichspannung elektrisch wirksam gekoppelt wird.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der zuvor beschriebenen Nullstromregelung besteht darin, dass die mittels der Steuereinrichtung 6 gesteuerte Ausgangsspannung des Konverters 2, das heißt die Spannung, die während der Nullstromregelung zwischen den Anschlüssen des Zusatzenergiespeichers 8 anliegt (Klemmenspannung), verwendet werden kann, um den Ladezustand des Zusatzenergiespeichers 8 zu beurteilen, da die Leerlaufspannung des Zusatzenergiespeichers 8 mit dem Ladezustand zusammenhängt. Auf einen eigens hierfür vorgesehenen Ladezustandssensor kann dann verzichtet werden.
4 stellt ein Flussdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Ladeverfahrens 20 dar. Die Schritte 12, 13 und 15 wurden bereits im Zusammenhang mit dem in 2 dargestellten Ladeverfahren 11 beschrieben. In Schritt 21 wird die zuvor beschriebene Nullstromregelung aktiviert, um den Zusatzenergiespeicher 8 von der Niedergleichspannung und den Niederspannungsverbrauchern 5 elektrisch wirksam zu entkoppeln. Anschließend wird in Schritt 22 ein Durchschnittswert der von der Steuereinrichtung 6 gesteuerten Ausgangsspannung des Konverters 2 während der Nullstromregelung bestimmt. Im Fall niedriger Lastströme des Zusatzenergiespeichers 8, was während der Nullstromregelung gegeben ist, kann angenommen werden, dass die Ausgangsspannung des Konverters 2 gleich der Klemmenspannung (= Leerlaufspannung während der Nullstromregelung) des Zusatzenergiespeichers 8 ist.
In Schritt 23 wird der zuvor ermittelte Ausgangsspannungsdurchschnittswert des Konverters 2 mit einem vorbestimmten Leerlaufspannungsgrenzwert des Zusatzenergiespeichers 8 verglichen. Ist der Ausgangsspannungsdurchschnittswert größer als der Leerlaufspannungsgrenzwert (Zweig B), reicht der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers 8 zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher 5 aus und das Verfahren 20 fährt mit dem anschließenden Schritt 15 fort, in dem erneut überprüft wird, ob der Konverter 2 aktiviert ist. Bei aktiviertem Konverter 2 (Zweig A) kehrt das Verfahren 20 zurück zu Schritt 21. Bei nicht aktiviertem Konverter 2 (Zweig B) kehrt das Verfahren zurück zu Schritt 13. In beiden Fällen werden die bereits beschriebenen jeweils nachfolgenden Schritte wiederholt ausgeführt.
Wird in Schritt 23 festgestellt, dass der Ausgangsspannungsdurchschnittswert nicht größer als der Leerlaufspannungsgrenzwert ist (Zweig A), reicht der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers 8 zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher 5 nicht aus, so dass das Verfahren 20 anschließend einen Ladevorgang 24 des Zusatzenergiespeichers 8 für eine kalibrierte Zeitdauer durchführt. Hierzu wird in Schritt 25 zunächst der augenblickliche Zeitwert gespeichert. Anschließend wird in Schritt 26 ein so genannter Z-Kurven-Ladevorgang des Zusatzenergiespeichers 8 gestartet. Die an den Zusatzenergiespeicher 8, in dem hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Bleibatterie, anzulegende Ladespannung hängt von der Temperatur ab, um jede Batteriezelle vollständig zu laden. Die in Abhängigkeit von der Temperatur anzulegende Ladespannung zum vollständigen Laden des Zusatzenergiespeichers 8 wird durch eine charakteristische Kurve definiert, die hierin als Z-Kurve bezeichnet wird. Das Anlegen der entsprechenden Ladespannung an den Zusatzenergiespeicher 8 erfolgt, wie bereits weiter oben erläutert, durch entsprechendes Steuern der Ausgangsspannung des Konverters 2 mittels der Steuereinrichtung 6.
Der Ladevorgang erfolgt für eine vorbestimmte Zeitdauer, deren Überschreiten in Schritt 27 überprüft wird. Solange die Ladezeitdauer nicht überschritten ist (Zweig B), wird der Ladevorgang 26 ausgeführt, solange in Schritt 15 festgestellt wird, dass der Konverter 2 aktiviert ist (Zweig A des Schritts 15). Wird in Schritt 27 festgestellt, dass die Ladezeitdauer überschritten ist (Zweig A des Schritts 27) oder wird in Schritt 15 festgestellt, dass der Konverter 2 deaktiviert ist, kehrt das Verfahren zu Schritt 13 zurück, von wo aus die sich an Schritt 13 anschließenden Schritte wiederholt ausgeführt werden.
Falls der Zusatzenergiespeicher 8 nach der vorbestimmten Ladezeitdauer immer noch keinen ausreichenden Ladezustand aufweist und das Fahrzeug weiterhin mit der externen Energiequelle verbunden und der Konverter 2 aktiviert ist, kann ein erneuter Ladevorgang 24 initiiert werden, so dass der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers 8 derart adaptiv gesteuert wird, dass er wenigstens einen derartigen minimalen Ladezustand aufweist, der eine ordnungsgemäße elektrische Versorgung der Niederspannungsverbraucher 5 des Fahrzeugs sicherstellt.
5 stellt ein Flussdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Ladeverfahrens 28 dar. Bei diesem Ladeverfahren 28 ist zusätzlich zum in 4 dargestellten Ladeverfahren 20 eine Feststellung interner Kurzschlüsse des Zusatzenergiespeichers 8, insbesondere einer Bleibatterie, mit Hilfe des bereits im Zusammenhang mit 4 erläuterten Durchschnittswerts der Ausgangsspannung des Konverters 2 möglich, während die Nullstromregelung ausgeführt wird.
Nachdem das Fahrzeug mit der externen Energiequelle verbunden wurde (Schritt 13, Zweig A) und der Konverter 2 aktiviert wurde (Schritt 15, Zweig A), wird zunächst in Schritt 29 der augenblickliche Zeitwert als Anfangszeitwert gespeichert, anschließend in Schritt 21 die Nullstromregelung aktiviert und schließlich in Schritt 30 ein Anfangswert der durchschnittlichen Ausgangsspannung des Konverters 2 gespeichert, welcher der Klemmenspannung des Zusatzenergiespeichers 8 während der Nullstromregelung entspricht.
Wenn der Ausgangsspannungsdurchschnittswert des Konverters 2 unter den vorbestimmten Leerlaufspannungsgrenzwert fällt, was einen unzureichenden Ladezustand des Zusatzenergiespeichers 8 anzeigt (Schritt 23, Zweig A), wird in Schritt 25 der augenblickliche Zeitwert gespeichert und anschließend in Schritt 31 ein zeitlicher Spannungsgradient berechnet und mit einem vorbestimmten, kalibrierten Gradientengrenzwert verglichen. Der zeitliche Spannungsgradient berechnet sich aus der Differenz aus dem in Schritt 30 ermittelten Anfangswert der durchschnittlichen Ausgangsspannung des Konverters 2 und dem augenblicklichen Ausgangsspannungsdurchschnittswert des Konverters 2 geteilt durch die Differenz aus dem in Schritt 25 ermittelten augenblicklichen Zeitwert und dem in Schritt 29 ermittelten Anfangszeitwert. Dieser Quotient repräsentiert demnach die zeitliche Abnahme des durchschnittlichen Ausgangsspannungswerts des Konverters 2 in V/s während der Nullstromregelung seit dem Start der Nullstromregelung (erstmalige Ausführung des Schritts 21).
Wenn der in Schritt 31 berechnete zeitliche Spannungsgradient den Gradientengrenzwert überschreitet (Zweig A), wird angenommen, dass ein interner Kurzschluss im Zusatzenergiespeicher 8 vorliegt. In Schritt 32 wird dieser Kurzschlusszustand gespeichert. Der gespeicherte Kurzschlusszustand kann beispielsweise zur optischen und/oder akustischen Anzeige eines Signals an einem Armaturenbrett des Fahrzeugs verwendet werden und/oder einem Wartungspersonal des Fahrzeugs zum Auslesen aus einem nichtflüchtigen Speicher bereitgestellt werden um anzuzeigen, dass der Zusatzenergiespeicher 8 überprüft und möglicherweise ausgetauscht werden soll.
Nachdem in Schritt 31 der zeitliche Spannungsgradient berechnet worden ist, wird in Schritt 24 der bereits im Zusammenhang mit der 4 beschriebene Ladevorgang 24 des Zusatzenergiespeichers 8 ausgeführt, da in Schritt 23 festgestellt wurde, dass die durchschnittliche Ausgangsspannung des Konverters 2 unter den vorbestimmten Leerlaufspannungsgrenzwert des Zusatzenergiespeichers 8 gesunken ist (Zweig A).
Das erfindungsgemäße elektrische Ladeverfahren sowie die erfindungsgemäße elektrische Ladevorrichtung wurden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Das Ladeverfahren sowie die Ladevorrichtung sind jedoch nicht auf die hierin beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen. Insbesondere sind das Ladeverfahren sowie die Ladevorrichtung ebenso auf andere Fahrzeuge als die hierin bisher erwähnten batterieelektrischen Fahrzeuge bzw. Elektrofahrzeuge oder Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, anwendbar, wie zum Beispiel Flugzeuge oder Schiffe, bei denen ein dauerhaftes Laden eines Energiespeichers, wie beispielsweise einer Batterie, zu Schäden an dem Energiespeicher führen kann, wenn das Fahrzeug elektrisch mit einer fahrzeugexternen Energiequelle verbunden ist und das fahrzeuginterne elektrische Versorgungsnetz von dieser Energiequelle elektrisch versorgt wird. Dies kann zum Beispiel bei einem an einem Flugsteig oder in einem Hangar stehenden Flugzeug oder bei einem über einen längeren Zeitraum an einer Hafenanlage liegenden Schiff der Fall sein.
Darüber hinaus sind das erfindungsgemäße Ladeverfahren sowie die erfindungsgemäße Ladevorrichtung nicht auf die Verwendung mit Bleibatterien als Zusatzenergiespeicher beschränkt, sondern umfassen jede Art von Energiespeicher, der infolge dauerhaften Ladens Schaden nehmen kann.
In bevorzugter Ausführung werden das erfindungsgemäße elektrische Ladeverfahren sowie die elektrische Ladevorrichtung in einem Fahrzeug, insbesondere einem batterieelektrischen Fahrzeug bzw. Elektrofahrzeug oder einem Plug-In-Hybridelektrofahrzeug, zum Schutz einer als Zusatzenergiespeicher in dem Fahrzeug vorhandenen Bleibatterie vor dauerhaftem Laden verwendet, wenn das Fahrzeug mit einer fahrzeugexternen Energiequelle zur elektrischen Versorgung eines fahrzeuginternen elektrischen Versorgungsnetzes elektrisch verbunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Elektrische Ladevorrichtung
2: Konverter
3: Eingangsseite von 2
4: Ausgangsseite von 2
5: Niederspannungsverbraucher
6: Elektronische Steuereinrichtung
7: Übrige Niederspannungsverbraucher
8: Zusatzenergiespeicher
9: Relais
10: Elektrische Steuerleitung
11: Ladeverfahren
12: Aktivierung von 11
13: Fahrzeug mit externer Energiequelle verbunden?
14: Elektrisch wirksames Koppeln von 8 mit 5
15: Konverter aktiv?
16: Ladezustand von Zusatzenergiespeicher ausreichend?
17: Elektrisch wirksames Entkoppeln von 8 von 5
18: Ladevorrichtung
19: Stromsensor
20: Ladeverfahren
21: Aktivierung der Nullstromregelung
22: Ermittlung des Ausgangsspannungsdurchschnittswerts von 2
23: Ausgangsspannungsdurchschnittswerts < Leerlaufspannungsgrenzwert
24: Ladevorgang
25: Speichern des augenblicklichen Zeitwerts
26: Aktivierung des Z-Kurven-Ladevorgangs
27: Ladezeitdauer überschritten?
28: Ladeverfahren
29: Speichern des Anfangszeitwerts
30: Speichern des Anfangsausgangsspannungsdurchschnittswerts von 2
31: Zeitlicher Spannungsgradient > Gradientengrenzwert?
32: Speichern des Kurzschlusszustands
A: Ja
B: Nein

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2012/0169281 A1 [0005]
US 8186466 B2 [0006]
US 2007/0210743 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Laden eines in einem Fahrzeug eingebauten elektrischen Hauptenergiespeichers mit einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, wobei eine von der externen Energiequelle bereitgestellte elektrische Spannung mittels eines Konverters (2) in eine Niedergleichspannung umgewandelt wird und die Niedergleichspannung Niederspannungsverbrauchern (5) des Fahrzeugs zugeführt wird, während der Hauptenergiespeicher durch die externe Energiequelle geladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ladens des Hauptenergiespeichers durch die externe Energiequelle ein Ladezustand eines Zusatzenergiespeichers (8), der elektrische Energie zur elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher (5) speichert, ermittelt wird und der Zusatzenergiespeicher (8) mittels einer elektronischen Steuereinrichtung (6) von der Niedergleichspannung und den Niederspannungsverbrauchern (5) elektrisch wirksam entkoppelt wird, falls der Ladezustand zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher (5) ausreichend ist, und der Zusatzenergiespeicher (8) mittels der elektronischen Steuereinrichtung (6) mit der Niedergleichspannung elektrisch wirksam gekoppelt wird, falls der Ladezustand zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher (5) nicht ausreichend ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, zum elektrischen Entkoppeln des Zusatzenergiespeichers (8) eine Nullstromregelung durchzuführen, bei der die Steuereinrichtung (6) eine Ausgangsspannung des Konverters (2) derart steuert, dass ein Stromfluss in den und aus dem Zusatzenergiespeicher (8) null wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, zum elektrischen Koppeln des Zusatzenergiespeichers (8) eine Ausgangsspannung des Konverters (2) derart zu steuern, dass ein Stromfluss in den Zusatzenergiespeicher (8) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss in den und aus dem Zusatzenergiespeicher (8) mittels eines mit diesem in Reihe geschalteten Stromsensors (19) ermittelt wird und ein Ermittlungswert des Stromsensors (19) der Steuereinrichtung (6) zur Verfügung gestellt wird, auf dessen Grundlage das Entkoppeln und Koppeln des Zusatzenergiespeichers (8) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers (8) ermittelt wird, indem ein Durchschnittswert der von der Steuereinrichtung (6) gesteuerten Ausgangsspannung des Konverters (2) während der Nullstromregelung mit einem vorbestimmten Leerlaufspannungsgrenzwert des Zusatzenergiespeichers (8) verglichen wird, wobei der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers (8) zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher (5) als nicht ausreichend bewertet wird, falls der Leerlaufspannungsgrenzwert unterschritten wird, und andernfalls als ausreichend bewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers (8) mittels eines Ladezustandssensors ermittelt wird und ein Ermittlungswert des Ladezustandssensors der Steuereinrichtung (6) zur Verfügung gestellt wird, wobei ein Ermittlungsdurchschnittswert des Ladezustandssensors während der Entkopplung des Zusatzenergiespeichers (8) von den Niederspannungsverbrauchern und der Niedergleichspannung mit einem vorbestimmten Leerlaufspannungsgrenzwert des Zusatzenergiespeichers (8) verglichen wird und der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers (8) zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher (5) als nicht ausreichend bewertet wird, falls der Leerlaufspannungsgrenzwert unterschritten wird, und andernfalls als ausreichend bewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrischen Entkoppeln des Zusatzenergiespeichers (8) ein Relais (9) von der Steuereinrichtung (6) derart gesteuert wird, dass der Zusatzenergiespeicher (8) durch Öffnen des Relais (9) galvanisch von den Niederspannungsverbrauchern (5) und der Niedergleichspannung getrennt wird, und zum elektrischen Koppeln des Zusatzenergiespeichers (8) durch Schließen des Relais (9) mit der Niedergleichspannung verbunden wird.
Elektrische Ladevorrichtung für ein Fahrzeug zum Laden eines in dem Fahrzeug eingebauten elektrischen Hauptenergiespeichers mit einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, umfassend – einen Konverter (2) zur Spannungsumwandlung einer von der externen Energiequelle bereitgestellten Spannung in eine Niedergleichspannung und zur Zuführung der Niedergleichspannung Niederspannungsverbrauchern (5) des Fahrzeugs, während der Hauptenergiespeicher durch die externe Energiequelle geladen wird, – einen elektrischen Zusatzenergiespeicher (8) zur Speicherung elektrischer Energie für die elektrische Versorgung der Niederspannungsverbraucher (5), gekennzeichnet durch eine elektronischen Steuereinrichtung (6), die eingerichtet ist, den Zusatzenergiespeicher (8) während des Ladens des Hauptenergiespeichers durch die externe Energiequelle von der Niedergleichspannung und den Niederspannungsverbrauchern (5) elektrisch wirksam zu entkoppeln, falls ein Ladezustand des Zusatzenergiespeichers (8) zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher (5) ausreichend ist, und den Zusatzenergiespeicher (8) während des Ladens des Hauptenergiespeichers durch die externe Energiequelle mit der Niedergleichspannung elektrisch wirksam zu koppeln, falls der Ladezustand des Zusatzenergiespeichers (8) zur ordnungsgemäßen elektrischen Versorgung der Niederspannungsverbraucher (5) nicht ausreichend ist.
Ladevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromsensor (19) vorgesehen ist, der einen Stromfluss in den und aus dem Zusatzenergiespeicher (8) ermittelt und der Steuereinrichtung (6) einen Ermittlungswert zur Verfügung stellt, wobei die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, zum elektrischen Entkoppeln des Zusatzenergiespeichers (8) basierend auf dem Ermittlungswert eine Nullstromregelung durchzuführen, bei der die Steuereinrichtung (6) eine Ausgangsspannung des Konverters (2) derart steuert, dass der Stromfluss in den und aus dem Zusatzenergiespeicher (8) null wird, und die Steuereinrichtung (6) ferner eingerichtet ist, zum elektrischen Koppeln des Zusatzenergiespeichers (8) basierend auf dem Ermittlungswert die Ausgangsspannung des Konverters (2) derart zu steuern, dass der Stromfluss in den Zusatzenergiespeicher (8) erfolgt.
Ladevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Relais (9) vorgesehen ist, mit dem der Zusatzenergiespeicher (8) elektrisch mit den Niederspannungsverbrauchern (5) und der Niedergleichspannung verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (6) eingerichtet ist, zum elektrischen Entkoppeln des Zusatzenergiespeichers (8) das Relais (9) in einen geöffneten Zustand zu schalten, in dem der Zusatzenergiespeicher galvanisch von den Niederspannungsverbrauchern (5) und der Niedergleichspannung getrennt ist, und zum elektrischen Koppeln des Zusatzenergiespeichers (8) das Relais (9) in einen geschlossenen Zustand zu schalten, in dem der Zusatzenergiespeicher (8) galvanisch mit der Niedergleichspannung verbunden ist.