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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs mit mindestens einem elektrischen Antrieb an einer Ladestation.
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Stand der Technik
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In der Entwicklung moderner Kraftfahrzeuge spielt eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs des Kraftfahrzeugs eine immer wichtigere Rolle. Mögliche Maßnahmen, um den Verbrauch eines Kraftfahrzeugs zu senken, sind, den Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Antrieb in einem Hybridfahrzeug zu kombinieren oder durch einen reinen Elektroantrieb zu ersetzen. Der elektrische Antrieb in Hybridfahrzeugen umfasst üblicherweise einen Elektromotor, welcher auch als Generator betrieben werden kann, einen Energiespeicher, aus welchem der Elektroantrieb versorgt wird, und eine Steuerelektronik.
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Plug-In-Hybridfahrzeuge bieten darüber hinaus die Möglichkeit, den Energiespeicher über eine externe Energiequelle zu laden. Dabei kann die externe Energiequelle beispielsweise eine Ladestation sein, welche über das öffentliche Stromversorgungsnetz gespeist wird.
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Reine Elektrofahrzeuge verfügen, im Gegensatz zu Hybridfahrzeugen, nicht über einen Verbrennungsmotor, welcher das Kraftfahrzeug antreiben kann, sondern ausschließlich über einen Elektroantrieb. Daher ist bei diesen Kraftfahrzeugen eine Aufladung der besagten Energiespeicher über eine externe Energiequelle notwendig. Der Energiespeicher ist dabei heute üblicherweise als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet und wird im Folgenden auch als Traktionsbatterie bezeichnet.
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Es sind verschiedene Verfahren zum Laden von Energiespeichern, bzw. Akkumulatoren, bekannt. Beispielsweise können Akkumulatoren mit einer konstanten Spannung oder mit einem konstanten Strom geladen werden. Ein Laden mit einem zu hohen Ladestrom oder mit einer zu hohen Ladespannung kann jedoch den Akkumulator zerstören. Ein Laden mit einem zu geringen Ladestrom oder mit einer zu geringen Ladespannung erhöht die benötigte Ladedauer.
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Zum Laden von Lithium-Ionen-Akkumulatoren wird in der Regel ein Ladeverfahren eingesetzt, bei welchem ein konstanter Strom mit einer konstanten Spannung kombiniert ist. Dabei wird der Lithium-Ionen-Akkumulator zunächst mit einem konstanten Ladestrom geladen. Bei Erreichen einer vorgegebenen Spannung, welche als Ladeschlussspannung bezeichnet wird, erfolgt die weitere Ladung des Lithium-Ionen-Akkumulators mit der konstanten Ladeschlussspannung, wobei der Ladestrom sinkt.
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Die Werte für den konstanten Ladestrom sowie für die Ladeschlussspannung und für den Zeitpunkt der Umschaltung von der Ladung mit konstantem Ladestrom zu der Ladung mit konstanter Spannung sind dabei von der Ausführung, insbesondere von der Kapazität, des Lithium-Ionen-Akkumulators abhängig.
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Zum Aufladen einer Traktionsbatterie, insbesondere eines Lithium-Ionen-Akkumulators, an einer Ladestation verfügen bekannte Hybridfahrzeuge sowie Elektrofahrzeuge in der Regel über eine spezielle Ladevorrichtung. Die Ladevorrichtung umfasst eine Ladesteckdose, welche mittels eines mehradrigen Ladekabels mit einer externen Ladestation verbindbar ist.
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Aufgabe der Ladevorrichtung ist unter anderem die Steuerung der externen Ladestation. Die Ladevorrichtung des Elektrofahrzeugs kommuniziert während des Ladevorgangs ständig mit der Ladestation und übermittelt dabei insbesondere die zum jeweiligen Zeitpunkt benötigten Werte für den Ladestrom sowie für die Ladespannung.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs mit mindestens einem elektrischen Antrieb an einer Ladestation vorgeschlagen, wobei während einer Kommunikationsphase eine Kommunikation zwischen einer Ladevorrichtung des Elektrofahrzeugs und der Ladestation über einen Phasenleiter und über einen Neutralleiter stattfindet, und wobei in einer an die Kommunikationsphase anschließenden Ladephase ein Ladestrom durch den Phasenleiter und den Neutralleiter fließt.
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Der Ladestrom kann dabei ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom sein. Im Fall von Gleichstrom können der Phasenleiter und der Neutralleiter auch als Pluskabel und Minuskabel bezeichnet werden.
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Der Phasenleiter und der Neutralleiter werden also nacheinander zur Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung und der Ladestation und zum Laden der Traktionsbatterie benutzt. Die Ladephase beginnt also zeitlich erst nach Beenden der Kommunikationsphase.
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Der Phasenleiter und der Neutralleiter sind dabei in einem mehradrigen Ladekabel angeordnet, mittels welchem die Ladevorrichtung mit der Ladestation verbunden ist.
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Vorzugsweise findet die Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung und der Ladestation mittels einer standardisierten Busprotokolls statt.
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Besonders bevorzugt findet die Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung und der Ladestation mittels CAN-Bus statt.
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In der Ladephase liegt zwischen dem Phasenleiter und dem Neutralleiter eine Ladespannung an, welche auch an der Traktionsbatterie anliegt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden während der Kommunikationsphase Parameter einer für die Traktionsbatterie spezifischen Ladekennlinie von der Ladevorrichtung an die Ladestation übertragen.
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Ein übertragener Parameter beschreibt beispielsweise einen Startladestrom, und ein weiterer übertragener Parameter beschreibt beispielsweise eine Ladeschlussspannung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laden einer Traktionsbatterie findet dabei insbesondere vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), oder in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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Vorteile der Erfindung
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Kommunikation zwischen einer Ladevorrichtung eines Elektrofahrzeugs und einer Ladestation ohne zusätzliche Datenleitung erfolgen. Auch eine verhältnismäßig aufwendige Kommunikation mittels Powerline Communication (PLC) während eines Ladevorgangs ist nicht erforderlich. Der für die Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung des Elektrofahrzeugs und der Ladestation erforderliche Aufwand ist somit verringert. Auch werden keine komplexen Kommunikationsprotokolle benötigt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs, das mittels eines Ladekabels an eine Ladestation angeschlossen ist,
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2 eine schematische Darstellung des Ladekabels aus 1 und
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3 einen typischen Zeitverlauf bei einem Aufladen einer Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, welches im Folgenden als Elektrofahrzeug 10 (Electric Vehicle, EV) bezeichnet wird, weist eine Ladevorrichtung 20 auf. Mittels der Ladevorrichtung 20 ist eine Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 an einer externen Ladestation 4 aufladbar. Das Elektrofahrzeug 10 umfasst ferner ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung und Regelung der Energieflüsse der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10.
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Vorliegend handelt es sich bei der Ladestation 4 um eine Gleichspannungsladestation. Es könnte sich aber auch um eine Wechselspannungsladestation handeln. Es ist auch denkbar, dass das Elektrofahrzeug 10 einen sogenannten "Onboard"-Lader aufweist. Der sogenannten "Onboard"-Lader ist in diesem Fall mit einer als AC-Wallbox bezeichneten Wechselspannungsquelle verbunden.
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Bei der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 handelt es sich vorliegend um einen Lithium-Ionen-Akkumulator, welcher mehrere Batteriezellen aufweist. Der Lithium-Ionen-Akkumulator ist dabei nur ein mögliches Beispiel für die Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10. Auch eine Batterie mit einer anderen Zellchemie der Batteriezellen ist denkbar.
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Während eines Ladevorgangs der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 fließt ein Ladestrom I von der Ladestation 4 in die Traktionsbatterie 14, und an der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 liegt eine Ladespannung an. Für den Ladestrom I sowie für die Ladespannung sind jeweils Grenzwerte vorgegeben, die von der Ausführung, insbesondere von der Kapazität, der Anzahl der Batteriezellen sowie von der Zellchemie der als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgeführten Traktionsbatterie 14 abhängig sind. Eine Überschreitung dieser Grenzwerte für den Ladestrom I sowie für die Ladespannung während des Ladevorgangs kann eine Schädigung oder Zerstörung der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 verursachen.
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Eine optimale Aufladung der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 wird erreicht, wenn der Ladevorgang entsprechend einer für die Traktionsbatterie 14 spezifischen Kennlinie erfolgt. Unter der optimalen Aufladung ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 zu annähernd 100% ihrer gewünschten Kapazität aufgeladen wird, und dass die benötigte Zeitdauer für den Ladevorgang minimal ist. Bei einer optimalen Aufladung der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 bleiben dabei der Ladestrom I sowie die Ladespannung stets unterhalb der vorgegebenen Grenzwerte, wodurch eine Schädigung oder Zerstörung der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 vermieden ist.
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Eine typische Ladekennlinie der als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgeführten Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 ist in 3 enthalten. Dabei sind auf der Ordinate die Werte für die Ladespannung, welche während des Ladevorgangs einer Kabelspannung U entspricht, und für den Ladestrom I aufgetragen. Auf der Abszisse sind Werte für die Zeit T aufgetragen.
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Zunächst wird die an der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 anliegende Ladespannung gemessen. Sofern an der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 eine Ladespannung anliegt, welche kleiner als eine vorgegebene Grenzspannung U0 ist, so erfolgt während einer Vorladephase T0 zunächst eine Vorladung mit einem relativ geringen Vorladestrom I0. Die Grenzspannung U0 entspricht dabei einer Zellspannung von etwa 3 V pro Batteriezelle. Wenn die an der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 anliegende Ladespannung größer oder gleich der vorgegebenen Grenzspannung U0 ist, so kann die Vorladephase T0 auch entfallen.
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Wenn die an der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 anliegende Ladespannung größer oder gleich der vorgegebenen Grenzspannung U0 ist, wird in einer ersten Ladephase T1 die Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 mit einem konstanten Startladestrom I1 geladen, welcher gleich oder geringfügig kleiner als ein zulässiger Maximalladestrom ist. Dabei liegt an der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 eine Startladespannung U1 an. Während der ersten Ladephase T1 steigt die Startladespannung U1 an der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 an.
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Wenn die Ladespannung an der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 auf eine Ladeschlussspannung U2 angestiegen ist, welche gleich oder geringfügig kleiner als die maximal zulässige Ladespannung ist, ist die erste Ladephase T1 beendet. In einer zweiten Ladephase T2 wird die Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 mit der konstanten Ladeschlussspannung U2 weiter geladen. Dabei fließt ein Zwischenladestrom I2. Während der zweiten Ladephase T2 sinkt der Zwischenladestrom I2.
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Wenn der Ladestrom I auf einen minimalen Abschaltstrom I3 abgesunken ist, welcher im vorliegenden Beispiel bei 5% des zulässigen Maximalladestroms liegt, ist die zweite Ladephase T2 beendet. Die Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 ist dann annähernd vollständig, also zu annähernd 100% ihrer gewünschten Kapazität, geladen, und der Ladevorgang kann beendet werden.
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Die Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 umfasst eine Ladesteckdose, welche in Form einer mehrpoligen Buchse ausgeführt ist. Zum Laden der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 wird die Ladesteckdose mittels eines mehradrigen Ladekabels 6 mit der Ladestation 4 verbunden. Das Ladekabel 6 weist dabei einen Verbindungsstecker auf, der in die Ladesteckdose der Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 eingesteckt wird.
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Das Ladekabel 6 umfasst vorliegend fünf Leiter, welche als Phasenleiter 31, Neutralleiter 35, Pilotkontaktleiter 38, Proximitykontaktleiter 39 und Masseleiter 36 bezeichnet werden. Im vorliegenden Fall liegt eine Gleichspannung zwischen dem Phasenleiter 31 und dem Neutralleiter 35 an, welche auch als Pluskabel und Minuskabel bezeichnet werden können, und es fließt ein Gleichstrom durch den Phasenleiter 31 und den Neutralleiter 35. Wenn die Ladestation 4 eine Wechselspannungsladestation ist, liegt eine Wechselspannung zwischen dem Phasenleiter 31 und dem Neutralleiter 35 an, und es fließt ein Wechselstrom durch den Phasenleiter 31 und den Neutralleiter 35.
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Während eines Ladevorgangs fließt der Ladestrom I durch den Phasenleiter 31 und den Neutralleiter 35, und die Ladespannung an der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 liegt auch zwischen dem Phasenleiter 31 und dem Neutralleiter 35 an. Die zwischen dem Phasenleiter 31 und dem Neutralleiter 35 anliegende Spannung wird als Kabelspannung U bezeichnet. Der Masseleiter 36 ist elektrisch auf Erdpotential gelegt. Der Pilotkontaktleiter 38 und der Proximitykontaktleiter 39 dienen dabei als Steuerleitungen für die Ladestation 4 sowie für die Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10.
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Nach Einstecken des Verbindungssteckers in die Ladesteckdose erkennt die Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 mittels über den Pilotkontaktleiter 38 sowie über den Proximitykontaktleiter 39 übertragender Signale, dass eine Verbindung zu einer Ladestation 4 vorhanden ist. Ebenso erkennt die Ladestation 4 mittels über den Pilotkontaktleiter 38 sowie über den Proximitykontaktleiter 39 übertragender Signale, dass eine Verbindung zu einer Ladevorrichtung 20 eines Elektrofahrzeugs 10 vorhanden ist.
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Der Ladevorgang hat dabei noch nicht begonnen, und der Phasenleiter 31 des Ladekabels 6 ist noch von der Traktionsbatterie 14 getrennt. Die zwischen dem Phasenleiter 31 und dem Neutralleiter 35 anliegende Kabelspannung U unterscheidet sich von der Ladespannung an der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10.
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Während einer Kommunikationsphase Tx erfolgt dann eine Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 und der Ladestation 4. Dabei werden insbesondere Parameter der für die Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 spezifischen Ladekennlinie von der Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 an die Ladestation 4 übertragen.
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Bei den von der Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 an die Ladestation 4 übertragenen Parametern handelt es sich vorliegend insbesondere um Werte für den Startladestrom I1, für die Ladeschlussspannung U2, sowie für den Abschaltstrom I3 der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10. Aber auch weitere Parameter, beispielsweise der aktuelle Ladezustand der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 zu Beginn des anstehenden Ladevorgangs, können von der Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 an die Ladestation 4 übertragen werden.
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Die Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 und der Ladestation 4 findet über den Phasenleiter 31 und über den Neutralleiter 35 des Ladekabels 6 statt. Ein separates Datenkabel zur Datenübertragung ist somit nicht erforderlich. Die besagten Parameter werden dabei als Digitalwerte von der Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 an die Ladestation 4 übertragen.
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Die Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 und der Ladestation 4 erfolgt über ein standardisiertes Busprotokoll, vorliegend CAN-Bus (Controller Area Network). Auch andere Busprotokolle, beispielsweise LIN-Bus oder TCP/IP, sind denkbar.
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Der Phasenleiter 31 und der Neutralleiter 35 des Ladekabels 6 stellen während der Kommunikationsphase Tx die Datenleitungen einer CAN-Bus Struktur dar. Ein CAN Software Protokoll ist auf Leistungshardware sowie Leistungskabeln nutzbar.
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Nicht dargestellte Abschlusswiderstände von beispielsweise 120 Ohm dienen der Terminierung des CAN-Busses. Die Abschlusswiderstände sind beispielsweise in Reihe mit je einem Kondensator eingebaut, welcher Entkopplung während des Ladevorgangs bewirkt.
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Während der Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 und der Ladestation 4 mittels CAN-Bus schwankt die zwischen dem Phasenleiter 31 und dem Neutralleiter 35 des Ladekabels 6 anliegende Kabelspannung U zwischen einem HIGH-Pegel von 3,5 V und einem LOW-Pegel von 1,5 V. Die zwischen dem Phasenleiter 31 und dem Neutralleiter 35 des Ladekabels 6 anliegende Kabelspannung U schwankt somit um eine Ruhespannung Ux von vorliegend 2,5 V, welche in der Darstellung nach 3 gezeigt ist.
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Die Parameter, die von der Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 an die Ladestation 4 übertragen werden, sind in dem Batteriemanagementsystem des Elektrofahrzeugs 10 gespeichert. Die besagten Parameter werden dabei bei der Produktion des Elektrofahrzeugs 10, sowie gegebenenfalls beim Auswechseln der Traktionsbatterie 14, in dem Batteriemanagementsystem des Elektrofahrzeugs 10 gespeichert.
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Nach erfolgter Kommunikation und Übertragung der besagten Parameter von der Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 an die Ladestation 4 wird die Kommunikationsphase Tx beendet. Danach wird der Phasenleiter 31 elektrisch mit der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 verbunden. Damit entspricht die Ladespannung an der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 der Kabelspannung U zwischen dem Phasenleiter 31 und dem Neutralleiter 35 des Ladekabels 6.
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Während des anschließenden Ladevorgangs der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10, also während der Vorladephase T0, während der ersten Ladephase T1, sowie während der zweiten Ladephase T2 findet keine weitere Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung 20 des Elektrofahrzeugs 10 und der Ladestation 4 statt. Es ist somit keine Kommunikation während der Ladephasen T0, T1, T2 der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10, beispielsweise mittels Powerline Communication (PLC), erforderlich.
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In dem in 3 dargestellten Fall ist die Kabelspannung U am Ende der Kommunikationsphase Tx, die der Ladespannung an der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 entspricht, kleiner als die vorgegebene Grenzspannung U0. Daher erfolgt während der Vorladephase T0 des Ladevorgangs zunächst eine Vorladung mit dem relativ geringen Vorladestrom I0.
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Sobald die Kabelspannung U, die der an der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 anliegende Ladespannung entspricht, größer oder gleich der vorgegebenen Grenzspannung U0 ist, beginnt die erste Ladephase T1 des Ladevorgangs. Während der ersten Ladephase T1 lädt die Ladestation 4 die Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 mit dem konstanten Startladestrom I1. Während der ersten Ladephase T1 misst die Ladestation 4 die Kabelspannung U. Die Kabelspannung U steigt während der ersten Ladephase T1 an.
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Bei Erreichen der Ladeschlussspannung U2 beginnt die zweite Ladephase T2 des Ladevorgangs. Während der zweiten Ladephase T2 lädt die Ladestation 4 die Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 mit der konstanten Ladeschlussspannung U2 weiter. Während der zweiten Ladephase T2 misst die Ladestation 4 den zu der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 fließenden Ladestrom I. Der Ladestrom I sinkt während der zweiten Ladephase T2.
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Bei Erreichen des Abschaltstroms I3 ist die zweite Ladephase T2 beendet. Die Ladestation 4 schaltet den Ladestrom I ab. Auch der Phasenleiter 31 wird elektrisch von der Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 getrennt. Der Ladevorgang ist beendet und die Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 10 ist geladen.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervor gehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen des fachmännischen Handelns liegen.
