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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs.
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Fahrzeuge mit Elektroantrieb umfassen elektrische Speicher (z. B. Batterien), die über eine Ladevorrichtung des Fahrzeugs an eine Ladestation angeschlossen und aufgeladen werden können. Zum Aufladen der elektrischen Speicher solcher Elektro- und/oder Hybrid-Fahrzeuge existieren verschiedene konduktive, d. h. kabelgebundene, Ladetechnologien. Bei dem sogenannten AC-Laden oder Wechselstromladen befindet sich das Ladegerät, welches den Gleichstrom (auch als DC-Strom bezeichnet) zur Aufladung des elektrischen Speichers erzeugt, im Fahrzeug. Auf einem Ladekabel zwischen Ladestation oder AC-Netzanschluss und Fahrzeug wird ein AC-(Alternating Current) oder Wechselstrom übertragen. Bei dem sogenannten DC-Laden oder Gleichstromladen befindet sich das Ladegerät, welches den Gleichstrom zur Aufladung des elektrischen Speichers erzeugt, in der Ladestation. Auf dem Ladekabel wird somit ein DC-(Direct Current) oder Gleichstrom übertragen.
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Das Ladekabel der Ladestation wird typischerweise über ein Stecksystem (z. B. über ein Combo-Stecksystem gemäß Steckernorm: IEC 62196-3) mit dem Fahrzeug verbunden. Mit einem Combo-Stecksystem ist es möglich, an einer gemeinsamen Fahrzeugladedose sowohl einen AC-Stecker (zum AC-Laden) als auch einen DC-Stecker (zum DC-Laden) anzuschließen. Ein Fahrzeug, welches ein Combo-Stecksystem aufweist, kann sowohl an einer AC- als auch an einer DC-Ladestation aufgeladen werden, wobei das Fahrzeug typischerweise einen Fahrzeug-seitig verbauten gemeinsamen Ladeanschluss für AC-Laden und DC-Laden aufweist.
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Sowohl beim AC-Laden als auch beim DC-Laden sind jeweils unterschiedliche Ladeleistungen möglich. Durch eine Erhöhung der Ladeleistung wird typischerweise der Ladezeitraum zum Aufladen des elektrischen Speichers des Fahrzeugs reduziert. Andererseits kann eine Anpassung der Ladeleistung zu einer Veränderung der elektrischen Verlustleistungen während des Ladevorgangs führen.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, die elektrischen Verlustleistungen während eines Ladevorgangs eines elektrischen Speichers eines Fahrzeugs zu reduzieren (ggf. zu minimieren).
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Ladeleistung für einen Ladevorgang eines elektrischen Speichers eines Fahrzeugs beschrieben. Die Ladeleistung wird für den Ladevorgang von einer Ladestation bezogen und über eine Ladestrecke zu dem elektrischen Speicher geführt. Die Ladeleistung kann als AC Strom und/oder als DC Strom bezogen werden. Mit anderen Worten, der Ladevorgang kann AC-Laden und/oder DC-Laden umfassen.
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Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines funktionalen Zusammenhangs zwischen der Ladeleistung und einer Verlustleistung der Ladestrecke. Dabei kann die Ladestrecke unterschiedliche Komponenten umfassen. Insbesondere kann die Ladestrecke einen Anschluss der Ladestation an ein AC-Versorgungsnetz (z. B. an ein einphasiges oder ein mehrphasiges Versorgungsnetz) umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Ladestrecke einen AC/DC Wandler zur Bereitstellung eines DC-Ladestroms für den elektrischen Speicher umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Ladestrecke ein Ladekabel zwischen der Ladestation und einer Ladeschnittstelle (z. B. einer Ladebuchse) des Fahrzeugs umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Ladestrecke eine Verbindung (z. B. eine Streckverbindung) zwischen dem Ladekabel und der Ladeschnittstelle des Fahrzeugs umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Ladestrecke ein Bordnetz des Fahrzeugs umfassen. Die einzelnen Komponenten der Ladestrecke können individuelle Verlustleistungen aufweisen, die zu der gesamten Verlustleistung der Ladestrecke beitragen. Insbesondere kann die gesamte Verlustleistung der Ladestrecke der Summe der individuellen Verlustleistungen der einzelnen Komponenten der Ladestrecke entsprechen.
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Das Verfahren umfasst weiter das Bestimmen einer Ladeleistung für den Ladevorgang auf Basis des funktionalen Zusammenhangs. Insbesondere kann die Ladeleistung derart bestimmt werden, dass ein Verhältnis zwischen Verlustleistung und Ladeleistung reduziert (ggf. minimiert) wird. Anders ausgedrückt, die Ladeleistung kann derart bestimmt werden, dass ein Wirkungsgrad des Ladevorgangs erhöht (ggf. maximiert) wird. Zu diesem Zweck kann der funktionale Zusammenhang ausgewertet werden.
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Das Verfahren ermöglicht es somit, in effizienter Weise die relativen Verlustleistungen eines Ladevorgangs zu reduzieren. Insbesondere wird es durch Berücksichtigung des funktionalen Zusammenhangs ermöglicht, verfügbare Zeit innerhalb eines vorgegebenen Ladezeitraums dazu zu verwenden, die relativen Verlustleistungen zu reduzieren (z. B. durch eine Reduzierung der Ladeleistung).
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Der funktionale Zusammenhang kann eine analytische Funktion der Verlustleistung als Funktion der Ladeleistung mit ein oder mehreren Funktionsparametern umfassen. Die ein oder mehreren Funktionsparameter können ggf. von der Ladestation bereitgestellt werden. Alternativ oder ergänzend können die ein oder mehreren Funktionsparameter durch Messungen (insbesondere von einer Ladesteuereinheit des Fahrzeugs) ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann der funktionale Zusammenhang eine Kennlinie zwischen Verlustleistung und Ladeleistung umfassen. Die Kennlinie kann ggf. im Fahrzeug oder in der Ladestation gespeichert sein.
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Der funktionale Zusammenhang kann eine Vielzahl von Komponenten umfassen. Dabei kann der funktionale Zusammenhang ggf. separate Komponenten für die einzelnen Komponenten der Ladestrecke umfassen. Die Vielzahl von Komponenten kann eine konstante Komponente umfassen, die unabhängig von der Ladeleistung ist. Alternativ oder ergänzend kann der funktionale Zusammenhang eine proportionale Komponente umfassen, die proportional zu der Ladeleistung ist. Alternativ oder ergänzend kann der funktionale Zusammenhang eine quadratische Komponente umfassen, die proportional zu der quadratischen Ladeleistung ist. Desweiteren kann der funktionale Zusammenhang eine Kennlinie umfassen, insbesondere für Verlust-Komponenten, die sich nicht ohne weiteres in analytischer Form beschreiben lassen.
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Wie oben dargelegt, können Funktionsparameter des funktionalen Zusammenhangs auf Basis von Messwerten ermittelt werden. Das Ermitteln des funktionalen Zusammenhangs kann insbesondere das Ermitteln eines Messwertes für einen Widerstand der Ladestrecke umfassen. Dabei ist der Widerstand typischerweise ein Proportionalitätsfaktor für eine quadratische Komponente des funktionalen Zusammenhangs. Das Ermitteln des funktionalen Zusammenhangs kann weiter das Ermitteln eines Schätzwertes des Widerstands der Ladestrecke auf Basis einer Vielzahl von Messwerten des Widerstands der Ladestrecke umfassen. So kann ein präziser funktionaler Zusammenhang zwischen Verlustleistung und Ladeleistung ermittelt werden.
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Das Ermitteln des Messwertes kann das Ändern eines Ladestroms über die Ladestrecke um einen Deltastrom umfassen. Desweiteren kann eine, auf dem Deltastrom beruhende, Änderung eines Spannungsabfalls an einem Punkt entlang der Ladestrecke (z. B. an einem Ausgang der Ladestrecke) gemessen werden. Der Messwert des Widerstands kann dann auf Basis des Deltastroms und auf Basis der gemessenen Änderung des Spannungsabfalls ermittelt werden.
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Das Ermitteln des funktionalen Zusammenhangs kann das Senden des funktionalen Zusammenhangs von der Ladestation an das Fahrzeug und/oder umgekehrt umfassen. Beispielsweise kann die Ladestation einen gespeicherten funktionalen Zusammenhang (oder einzelne Komponenten daraus) an das Fahrzeug senden. Das Fahrzeug kann desweiteren einen funktionalen Zusammenhang durch Messung ermitteln. Durch einen Abgleich der beiden funktionalen Zusammenhänge können z. B. Fehler (z. B. relativ hohe Widerstände) entlang der Ladestrecke detektiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Ladesteuereinheit zur Steuerung eines Ladevorganges eines elektrischen Speichers eines Fahrzeugs beschrieben. Die Ladeleistung für den Ladevorgang wird dabei von einer Ladestation bezogen und über eine Ladestrecke zu dem elektrischen Speicher geführt. Die Ladesteuereinheit ist eingerichtet, einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Ladeleistung und einer Verlustleistung der Ladestrecke zu ermitteln. Die Ladesteuereinheit ist weiter eingerichtet, auf Basis des funktionalen Zusammenhangs, eine Ladeleistung für den Ladevorgang zu bestimmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug mit Elektroantrieb (z. B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Ladesteuereinheit umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Ladestation zum Laden eines Fahrzeugs beschrieben, wobei die Ladestation die in diesem Dokument beschriebene Ladesteuereinheit umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z. B. auf einem Steuergerät) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
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1 ein beispielhaftes Ladesystem für ein Fahrzeug;
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2 beispielhafte Komponenten einer Fahrzeug-seitigen Ladevorrichtung;
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3 und 4 beispielhafte Ersatzschaltbilder einer Ladestrecke;
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5a eine beispielhafte Änderung des Ladestroms und der Ladespannung;
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5b einen beispielhaften Verlauf von Messwerten und einem daraus resultierenden Schätzwert eines Innenwiderstands der Ladestrecke; und
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6 beispielhafte Komponenten der Verlustleistung einer Ladestrecke.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der technischen Aufgabe, die beim Laden eines Fahrzeugs entstehenden Energieverluste zu reduzieren. 1 zeigt ein Blockdiagram eines beispielhaften Ladesystems mit einer Ladestation 110 und einem Fahrzeug 100. Das Fahrzeug 100 umfasst einen elektrischen Speicher (nicht dargestellt), der mit elektrischer Energie aus der Ladestation 110 aufgeladen werden kann. Das Fahrzeug 100 umfasst eine Ladedose 101 (in diesem Dokument auch allgemeiner als Schnittstelle bezeichnet) an der ein entsprechender Stecker 111 eines Ladekabels 112 der Ladestation 110 angesteckt werden kann. Die Ladedose 101 und der Stecker 111 bilden ein Stecksystem.
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Wie in 1 dargestellt, ist die Ladedose 101 am Fahrzeug 100 angebracht. Der Ladestecker 111 (engl. Coupler) ist insbesondere beim DC-Laden fest mit der Ladestation 110 über das Ladekabel 112 verbunden. Es existieren verschiedene Steckervarianten gemäß der Steckernorm IEC 62196-3: Combo 1, Combo 2, DC-Typ 1, DC-Typ 2. Sowohl Combo-1 als auch Combo-2 sind über die gleiche Steckarchitektur mit dem Fahrzeug verbunden. Bei DC-Typ 1 und DC-Typ 2 werden teilweise dieselben Pins (d. h. dieselben elektrischen Kontaktteile) des Stecksystems für AC- und DC-Laden verwendet. Insbesondere werden bei DC-Typ 2 Stecksystemen die Kontaktteile für L2/DC– und L3/DC+ gemeinsam für AC-Laden und DC-Laden genutzt.
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2 zeigt ein Blockdiagram beispielhafter Komponenten eines Fahrzeugs 100 zum Laden eines elektrischen Speichers 308 des Fahrzeugs 100. Die Komponenten können Teil einer Ladevorrichtung des Fahrzeugs 100 sein. Das Fahrzeug 100 umfasst z. B. die Ladedose 101 (mit einer Vielzahl von Kontaktteilen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207), ein AC-Ladegerät 303 (einen Stromrichter umfassend), eine Kommunikationseinheit 301, eine Ladesteuereinheit 302, die HV-Batterie 308, ein oder mehrere DC-Schütze 305, 306, 307 und eine Spannungsmessung 304. Dabei werden in dem in 2 dargestellten Beispiel die Relais 305, 306 durch einen Aktuator (z. B. eine Spule) 307 betätigt. Das AC-Ladegerät 303 wird typischerweise nur für das AC-Laden verwendet. Das AC-Ladegerät 303 kann einphasig (1ph) betrieben werden (wie in 2 dargestellt) oder auch dreiphasig (3ph). Für den dreiphasigen Betrieb werden zusätzlich ein Kontaktteil für die zweite Phase L2 und ein Kontaktteil für die dritte Phase L3 mit dem AC-Ladegerät 303 verbunden (nicht dargestellt).
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Das Fahrzeug 100 umfasst typischerweise einen HV(Hochvolt)-Zwischenkreis an dem weitere HV-Verbraucher, wie z. B. der Elektromotor, eine elektrische Klimaanlage, ein 12 V DC/DC Wandler, etc., angeschlossen sind. Diese sind in 2 nicht dargestellt.
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Der elektrische Speicher 308, z. B. die HV-Batterie, wird während des Ladevorgangs geladen. Die ein oder mehreren DC-Schütze 305, 306, 307 stellen dabei sicher, dass keine gefährliche (Hochvolt) Spannung an der Ladedose 101 anliegt.
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Das Fahrzeug 100 kann ein AC-Ladegerät 303 (in diesem Dokument auch als Stromrichter oder Wandler bezeichnet) umfassen, das eingerichtet ist, einen einphasigen und/oder mehrphasigen AC-Strom in einen DC-Strom umzuwandeln. Der DC-Strom kann dann dazu verwendet werden, den elektrischen Speicher 308 zu laden. Das Fahrzeug 100 kann somit für AC-Laden eingerichtet sein.
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Alternativ oder ergänzend kann das Fahrzeug 100 für DC-Laden eingerichtet sein. Dazu kann der DC-Strom an mindestens zwei Kontaktteilen 206, 207 der Ladedose 101 aufgenommen werden und an den elektrischen Speicher 308 geführt werden. Der elektrische Speicher 308 ist somit eingerichtet, DC-Strom aus dem AC-Ladegerät 303 zu beziehen und/oder DC-Strom direkt von den Kontaktteilen 206, 207 der Ladedose 101 zu beziehen.
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Der Ablauf eines Ladevorgangs kann gemäß der in den Standards IEC 61815-24 bzw. J2847-2 beschriebenen Abläufe durchgeführt werden. Die Ladekommunikation kann nach dem Kommunikationsschema aus ISO 15118 bzw. DIN70121 durchgeführt werden. Insbesondere kann die Kommunikationseinheit 301 des Fahrzeugs 100 eingerichtet sein, mit der Ladestation 110 durch Übertragung von ein oder mehreren Kommunikationssignalen auf ein oder mehreren Signalleitungen des Ladekabels 112 zu kommunizieren. Die ein oder mehreren Signalleitungen können über die Kommunikations-Kontaktteile 201, 202 der Ladedose 101 mit der Kommunikationseinheit 301 des Fahrzeugs 100 verbunden sein.
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Die Ladesteuereinheit 302 kann eingerichtet sein, den Ladestrom bzw. die Ladeleistung zum Laden des elektrischen Speichers 308 anzupassen. Beispielsweise kann die Ladeleistung derart angepasst werden, dass der elektrische Speicher 308 nach Ablauf eines vordefinierten Ladezeitraums einen vordefinierten SOC (State of Charge) erreicht oder überschritten hat.
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Alternativ oder ergänzend kann die Ladesteuereinheit 302 eingerichtet sein, den Ladestrom derart anzupassen, dass eine Verlustleistung des Ladevorgangs reduziert (ggf. minimiert wird). Die Verlustleistung des Ladevorgangs hängt dabei typischerweise von einem Widerstand der Komponenten auf einer Ladestrecke zwischen Ladestation 110 und Ladegerät 303 ab. Insbesondere können Verluste in der Ladestation 110 (z. B. in einer Wallbox bzw. in einer In-Cable-Box) entstehen. Desweiteren können Verluste an der Steckverbindung 101, 111 und an dem Ladekabel 112 entstehen. Die effektiven Widerstände der Komponenten auf der Ladestrecke zwischen Ladestation 110 und Ladegerät 303 sind typischerweise nicht bekannt, und können daher bei der Festlegung der Ladeleistung bzw. des Ladestroms nicht berücksichtigt werden. Aus diesem Grund treten in den Zuleitungen 101, 111, 112 und/oder Wall-Boxen 110 unnötige Erwärmungen auf. Desweiteren ist in einem Fehlerfall keine Fehlerlokalisierung möglich.
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Die Ladesteuereinheit 302 kann daher eingerichtet sein, einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Verlustleistung auf der Ladestrecke und der Ladeleistung bzw. dem Ladestrom zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann ein Innenwiderstand der Komponenten für den Ladevorgang des elektrischen Speichers 308 bestimmt werden. Die 3 und 4 zeigen ein Ersatzschaltbild eines einphasigen AC-Ladevorgangs (3) und eines drei-phasigen AC-Ladevorgangs (4). Insbesondere werden in den 3 und 4 die verschiedenen Komponenten der Ladestrecke als Innenwiderstände R1 411 (für die erste Phase L1), R2 412 (für die zweite Phase L2), R3 413 (für die dritte Phase L3) und R0 410 (für den Neutral- bzw. Nullleiter N) betrachtet. Die Innenwiderstände 410, 411, 412, 413 umfassen z. B. den Leitungsabschnitt von dem als typischerweise sehr niederohmig angesehenen Verteileranschluß zum Ladeanschlußpunkt (Wall-Box bzw. Steckdose), den Innenwiderstand einer Wall-Box/In-Cable-Box, die Übergangswiderstande von Steckern und Kontakten 101, 111, die Ladeleitung 112, etc.
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Der Innenwiderstand einer Phase kann z. B. durch eine Veränderung des Ladestroms auf dieser Phase ermittelt werden. Dies ist in 5a veranschaulicht. In 5a wird zu einem bestimmten Zeitpunkt t eine Veränderung dI 501 des Ladestroms I1 bewirkt. Eine derartige Veränderung dI 501 kann z. B. durch die Ladesteuereinheit 302 veranlasst werden. Durch die Veränderung dI 501 des Ladestroms I1 ergibt sich an dem bestimmten Zeitpunkt t eine Veränderung dU 502 des Spannungsabfalls U1 an dem AC-Ladegerät 303. Bei unveränderter Versorgungsspannung U10 ergibt sich somit gemäß dem Ersatzschaltbild in 3 ein Messwert R ~1 für den Innenwiderstand R1 411 mit R ~1 = dU/dI
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Durch eine Vielzahl von Lastwechsel |dI| > 0 kann eine Vielzahl von Messwerten I ermittelt werden. 5b zeigt eine Reihe von Messwerten I 510. Durch Mittelungsverfahren und/oder durch Verwendung eines Kalman-Algorithmus kann aus der Vielzahl von Messwerten R ~1 ein Schätzwert R ~1 511 des Innenwiderstands R1 411 ermittelt werden. Wie aus 5b ersichtlich kann bereits mit ca. 20 Messungen der Innenwiderstand R1 411 mit einer geringen Abweichung von wenigen Prozent ermittelt werden. Die Genauigkeit der Bestimmung des Innenwiderstands R1 411 kann somit trotz relativ ungenauer Einzelmessungen über geeignete Algorithmen (z. B. Kalman-Filter) deutlich erhöht werden.
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In analoger Weise können auch für mehrphasige Ladevorrichtungen Schätzwerte 511 für die Innenwiderstände 410, 411, 412, 413 der Phasen und/oder des Nullleiters ermittelt werden. Beispielsweise können gleichzeitig die Phasenströme I1, I2, I3 derart verändert werden, dass die Bedingung I1 = I2 = I3 erfüllt ist (und somit kein Strom über den Nullleiter fließt). Desweiteren können die Änderungen der Spannungen U1, U2, U3 an den einzelnen Phasen ermittelt werden. Aus den jeweiligen Strom- und Spannungsänderungen können dann Messwerte 510 für die Innenwiderstände 411, 412, 413 der einzelnen Phasen ermittelt werden. Auf Basis der Vielzahl von Messwerten 510 für einen Innenwiderstand 411, 412, 413 können dann Schätzwerte 511 der einzelnen Innenwiderstände 411, 412, 413 ermittelt werden.
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Der Innenwiderstand 410 des Nullleiters kann z. B. derart ermittelt werden. Dass der Strom I1 in einer Phase verändert wird (dI1), während der Strom I2, I3 in den anderen Phasen konstant gehalten wird. Es kann dann die daraus resultierende Spannungsänderung dU1 ermittelt werden. Ein Messwert 510 für den Innenwiderstand R0 410 ergibt sich dann aus R ~0 = dU₁/dI₁ – R1. Dabei kann der bereits bekannte Schätzwert R ~1 511 des Innenwiderstands R1 411 verwendet werden.
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Nach Ermittlung der Schätzwerte 511 für die Innenwiderstände können die Phasenspannungen bzw. Quellenspannungen U10, U20 und U30 durch Messung des jeweiligen Phasenstroms I1, I2, I3 und der jeweiligen Eingangsspannungen U1, U2, U3 bestimmt werden.
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Allgemein können die Innenwiderstände auf Basis einer Matrixrechnung ermittelt werden, mit dI·R = dU. Dabei enthält der Vektor dI die Phasenstromänderungen dI1 bis dI3, die Matrix R insbesondere in der Diagonalen die zu bestimmenden Widerstände R0 bis R3 und Vektor dU die gemessenen Phasenspannungen.
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Die Ladesteuereinheit
302 kann weiter eingerichtet sein, die Ladeleistung P
1 bzw. den Ladestrom I
1 derart anzupassen, dass eine Ladeverlustleistung P
V reduziert (ggf. minimiert) wird. Gemäß
3 ergibt sich die Verlustleistung P
V als
PV = R1·I1 2 + PL, wobei P
L einer konstanten Ladeverlustleistung des Ladegeräts
303 entspricht. Der Wirkungsgrad η des Ladevorgangs ergibt sich somit als
wobei P
10 der Gesamtleistung entspricht, die von der Spannungsquelle bereitgestellt wird. Durch Ableitung des Wirkungsgrads η nach dem Ladestrom I
1, d. h. durch die Bedingung
dη/
dI₁ = 0, kann ein optimaler Ladestrom I
1 ermittelt werden, durch den ein maximaler Wirkungsgrad η des Ladevorgangs ermöglicht wird. Die Ladesteuereinheit
302 kann somit durch eine geeignete Wahl des Ladestrom I
1 die Verlustleistung P
V des Ladevorgangs reduzieren.
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In analoger Weise können auch bei einem mehrphasigen Ladevorgang die Ladeströme I1, I2, I3 der einzelnen Phasen angepasst werden. In einem ersten Fall kann ein Mittelwert der Innenwiderstände R1, R2, R3 betrachtet werden. Die Anpassung der gleichen Ladeströme I1, I2, I3 kann dann auf Basis des Mittelwerts der Innenwiderstände erfolgen. Alternativ können in Abhängigkeit von den einzelnen Innenwiderständen R1, R2, R3 ggf. ungleiche Ladeströme I1, I2, I3 ermittelt werden. Dazu werden die resultierenden Verlustleistungen auf den einzelnen Phasen und auf dem Nullleiter betrachtet.
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Nach Ermittlung der Innenwiderstände kann somit die gesamte Ladeeffizienz (vom Stromzähler, der sich in der Regel im Verteiler befindet, bis hin zu Verlusten des Fahrzeugs (Verluste des Ladegerät, des Bordnetz, der Kühlaggregate, etc.)) als Gesamtsystem optimiert werden. Das Verfahren kann auf einen mehrphasigen Ladeanschluß angewendet werden. Dazu werden alle Widerstände der Phasen- und des Nullleiters bestimmt. So können auch bei unsymmetrischen Leitungswiderständen die Phasenströme so angepasst werden, dass bei gleichbleibender Ladeleistung die Leitungsverluste reduziert (ggf. minimiert) werden. Dazu werden die einzelnen Phasenströme entsprechend variiert (ggf. auch erhöht). Hierbei kann beobachtet werden, dass durch die Optimierung die Verluste in einer Leitung mit erhöhtem Widerstand kaum ansteigen. Damit wird eine übermäßige Erwärmung der Leitung vermieden. Die Verlustreduzierung kann auch in Situationen mit Widerstands-Unterschieden in den einzelnen Phasen-Leitungen angewendet werden.
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Die Leistungsanpassung kann sequentiell erfolgen. In einem ersten Schritt kann die Berechnung der Verhältnisse der einzelnen Phasenströme I1, I2, I3 erfolgen. Dann kann eine Leistungsoptimierung im Zusammenhang mit den Fahrzeugverlusten erfolgen.
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Besteht eine Kommunikation zwischen der Ladestation 110 (z. B. der Wallbox) und dem Fahrzeug 100 kann eine koordinierte, zeitgleiche Messung von Strom und Spannungswerten sowohl im Fahrzeug 100, als auch in der Ladestation 110 vorgenommen werden. Die Messwerte können ausgetauscht und gemeinsam ausgewertet werden, um detailliertere Informationen über die Innenwiderstände zu ermitteln. Bei AC-Ladestationen 110, bei denen der AC-Strom direkt ohne Wandlung durch die Ladestation 110 geleitet wird, kann z. B. festgestellt werden, welcher Widerstand zwischen dem Versorgungsnetz und der Ladestation 110 vorliegt und welchen Widerstand das Ladekabel 112 aufweist. Diese Lokalisierung der Teilwiderstände entlang der Ladestrecke kann für Diagnosezwecke verwendet werden.
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Bei DC-Laden, bei dem der AC/DC-Wandler fahrzeugextern in der Ladestation 110 angeordnet ist, kann ebenfalls eine Gesamtoptimierung des Ladeablaufs erfolgen, um Ladeverluste zu minimieren. Dies ist beispielhaft in 6 dargestellt. 6 zeigt eine DC-Ladestation 110, die an das Versorgungsnetz angeschlossen ist. Das Versorgungsnetz liefert eine Gesamtleistung P0. Die Verluste PV1 621 des Netzanschlusses werden durch einen Widerstand 605 dargestellt. Zu der DC-Ladestation gelangt somit nur die Leistung P1 = P0 – PV1 Die DC-Ladestation 110 umfasst eine Steuereinheit 602, die mit der Ladesteuereinheit 302 des Fahrzeugs 100 den Ladevorgang koordiniert. Die DC-Ladestation 110 weist eine Verlustleistung PV2 622 auf, die insbesondere auf Wandlerverluste des AC/DC Wandlers der DC-Ladestation 110 zurückzuführen sind. Zum Ladekabel 112 gelangt somit nur die Leistung P2 = P1 – PV2 Die Verluste PV3 623 des Ladekabels 112 werden durch den Widerstand 612 dargestellt. Zum Fahrzeug 100 gelangt somit nur die Leistung P3 = P2 – PV3 Schließlich weist auch das Fahrzeug 100 (z. B. die Nebenverbraucher 601) Verluste PV4 624 auf, die z. B. auf Verluste des Bordnetzes, auf Verluste der Kühlung und/oder auf Verluste des Energiespeichers 308 (aufgrund des Innenwiderstands) zurückzuführen sind. In den Energiespeicher 308 gelangt somit nur die Leistung P4 = P3 – PV4
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Der Wirkungsgrad der Ladestrecke ergibt sich somit als
Für die einzelnen Verlustleistungen können Funktionen (z. B. in analytischer Form oder in Form einer Kennlinie) bereitgestellt werden, welche die Verlustleistungen als Funktion der jeweiligen Eingangsleistungen wiedergeben. Beispielsweise kann angenommen werden, dass P
V1 = aP
0 2 und dass P
V3 = bP
2 2. Für die Verlustleistung P
V2 kann eine Kennlinie als Funktion von P
1 bereitgestellt werden. Für die Verluste im Fahrzeug
100 kann beispielsweise die Funktion P
V4 = c + dP
3 + eP
3 2 bereitgestellt werden, wobei c eine konstante Verlustleistung des Bordnetzes wiedergibt, die unabhängig von der Ladeleistung ist, d eine Verlustleistung (z. B. der Kühlung) angibt, die proportional zur Ladeleistung ist, und wobei e eine Verlustleistung aufgrund eines Innenwiderstands (z. B. des Energiespeichers
308) wiedergibt, die proportional zu quadratischen Ladeleistung ist.
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In Summe kann so eine funktionaler Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad η und Ladeleistung P0 aufgestellt werden. Durch eine Auswertung des funktionalen Zusammenhangs (z. B. mittels eines Optimierungsverfahrens) kann die Ladeleistung P0 ermittelt werden, durch die der Wirkungsgrad η erhöht (ggf. maximiert) wird.
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Die einzelnen Verlustbeiträge lassen sich somit durch relativ einfache Beziehungen (Formeln oder Kennlinien) beschreiben. Der Gesamtwirkungsgrad η kann dann durch eine relativ komplexe Beziehung (z. B. durch eine Verkettung mehrerer Kennlinien und/oder Formeln) wiedergegeben werden. Zur Optimierung kann daher z. B. ein lineares Durchlaufenen des möglichen Leistungsbereiches durchgeführt werden. Ein solches Verfahren ist durchaus vertretbar, da die Ermittlung einer optimalen Ladeleistung typischerweise nicht zeitkritisch ist und da der Rechenaufwand typischerweise begrenzt ist.
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Im Laufe eines (typischerweise relativ lange andauernden) Ladevorgangs kann die Ermittlung einer verlustreduzierenden Ladeleistung zyklisch wiederholt werden. Insbesondere kann der funktionale Zusammenhang zwischen Ladeleistung und Verlustleistung wiederholt ermittelt werden (z. B. durch geeignete Messungen). So kann die Ladeleistung an sich ändernde Randbedingungen angepasst werden.
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Die Bestimmung der Leitungswiderstände kann dazu benutzt werden, nicht plausible Werte, oder unvorhergesehene Änderungen der Widerstände zu erkennen, um z. B. eine Diagnosemeldung zu generieren. So kann ggf. eine Reparatur angestoßen werden, oder es können Überlastungen auf der Ladestrecke vermieden werden.
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Bei vernetzten Ladestationen 110 kann der Widerstand der Leitung (d. h. der funktionale Zusammenhang einer Ladestrecke) abgespeichert und anderen Fahrzeugen 100 zur Verfügung gestellt werden. Die Fahrzeug 100 können dann „schwache” Ladestationen meiden, oder einen aktuell gemessenen Wert mit einem abgespeicherten Wert vergleichen. So können langfristige Änderungen der Eigenschaften einer Ladestation 110 frühzeitig erkannt werden.
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In diesem Dokument wurden Verfahren beschrieben, die durch Verwendung von relativ einfachen Messungen eine Optimierung der Ladeeffizienz ermöglichen. So können Kosten für das Laden von Fahrzeugen mit Elektroantrieb reduziert werden. Die Effizienzsteigerung kann auch in Systemen bestehend aus einer beliebigen Kombination von Ladestationen und Fahrzeugen durchgeführt werden. Desweiteren kann durch das Erfassen von statistischen Daten, ein Monitoring der Ladeinfrastruktur und ein zeitnahes Einleiten von Maßnahmen bereitgestellt werden. Außerdem kann eine Erwärmung einzelner Systemteile reduziert werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Steckernorm: IEC 62196-3 [0003]
- Steckernorm IEC 62196-3: Combo 1, Combo 2, DC-Typ 1, DC-Typ 2 [0030]
- Standards IEC 61815-24 bzw. J2847-2 [0036]
- ISO 15118 [0036]
- DIN70121 [0036]
