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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Fahrzeugtechnik. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere eine Batterie in einem Fahrzeug. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Ladevorrichtung und ein Batteriemanagementsystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers.
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Die derzeit in der Automobilindustrie verwendeten Energiespeicher für Elektrofahrzeuge beruhen überwiegend auf der Li-Ionen Technologie. Die Ladezeit der Fahrzeuge ist dabei durch eine maximale Ladestromhöhe begrenzt.
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Aus der Druckschrift
US 2014/0002031 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Schnellladen bekannt, das auf einer Verschiebung der maximalen Ladestromhöhen als Stromgrenzen an die physikalische Grenze beruht.
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Die Grenze ist in diesem Fall durch die Schädigungsreaktion „Li-Plating” festgelegt, bei der Li-Ionen als metallisches Lithium abgeschieden und damit irreversibel der Verwendung als Ladungsträger entzogen werden. Dieser Mechanismus wird durch die temperaturabhängige Diffusion von Li-Ionen im Anodenmaterial dominiert, so dass die zulässigen Ladeströme bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise unter 0° Celsius, deutlich geringer sind als bei hohen Temperaturen, beispielsweise 25° Celsius. Dies hat zur Folge, dass die Ladezeiten bei tiefen Temperaturen zeitlich sehr lang sein können.
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Die Verlustleistung ist Ploss = R·I2, wobei R den Innenwiderstand der Batterie und I den Ladestrom bezeichnen. Diese Verlustleistung kann jedoch zu einer Erwärmung der Batterie während des Ladevorgangs führen, so dass dann höhere Ladeströme möglich sind, die wiederum zu mehr Verlustleistung und weiterer Erwärmung führen. Es kommt zu einer positiven Rückkopplung, die die Ladezeit herabsetzt. Ist allerdings die Verlustleistung derart gering, dass die entstehende Wärme an die Umgebung abfließt, oder allgemein für eine signifikante Erwärmung zu gering ist, so dass die Batterie sich nicht erwärmt, ist man bei der jeweiligen Temperatur „gefangen” und die Ladezeit verkürzt sich nicht. Dies kann auch bewirken, dass die Batterie bei sehr niedrigen Temperaturen überhaupt nicht geladen werden kann.
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Um der Herausforderung der Ladezeiten bei tiefen Temperaturen zu begegnen, werden teilweise Heizelemente verbaut, die ein Anheben der Temperatur ermöglichen. Dies ist jedoch mit zusätzlichem Aufwand und Kosten verbunden.
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Es ergibt sich die technische Aufgabe, Möglichkeiten für ein verbessertes Schnellladen eines elektrischen Energiespeichers bereitzustellen, insbesondere für ein verbessertes Schnellladen einer Batterie eines Fahrzeugs.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe mit einer Ladevorrichtung gemäß Anspruch 7 und einem Batteriemanagementsystem gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Gegenständen der Unteransprüche.
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Es wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers vorgeschlagen. Hierbei weist das Verfahren ein Einleiten eines Ladevorgangs zum Laden des elektrischen Energiespeichers auf. Ferner weist das Verfahren ein teilweises Entladen des elektrischen Energiespeichers auf, um eine Temperaturänderung an dem elektrischen Energiespeichers zu bewirken. Anschließend sieht das Verfahren ein Laden des elektrischen Energiespeichers nach dem Erreichen der Temperaturänderung an dem elektrischen Energiespeicher vor.
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Es ergibt sich der Vorteil, dass nicht nur eine Erwärmung durch einen Ladestrom genutzt wird, sondern auch eine Erwärmung durch einen Entladestrom verwendet wird. Um dies zu erreichen, wird der elektrische Energiespeicher beispielsweise in Form einer Batterie, während des Ladevorgangs nicht geladen, sondern entladen, beispielsweise zu Beginn des Ladevorgangs. Das Entladen geschieht allerdings nur über einen kurzen Zeitraum, so dass der elektrische Energiespeicher nur teilweise entladen wird. Es wird demnach eine geringe Energiemenge des Energiespeichers entladen, d. h. teilweise entladen, um einen Selbsterwärmungseffekt hervorzurufen. Dieser Selbsterwärmungseffekt sorgt dafür, dass der elektrische Energiespeicher zwar etwas entladen wird, jedoch eine verbesserte Ausgangssituation erreicht wird, um anschließend nach dem teilweisen Entladen ein schnelleres Laden des elektrischen Energiespeichers zu erreichen.
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Der elektrische Energiespeicher speichert Energie und kann diese in Form von elektrischer Energie abgeben. Der elektrische Energiespeicher kann beispielsweise eine Batterie eines Elektrofahrzeugs sein, wie eine Li-Ionen-Batterie. Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt eine schnellere Aufladung des elektrischen Energiespeichers im Vergleich zu einem herkömmlichen Schnellladen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass der elektrische Energiespeicher eine erste Temperatur vor dem teilweisen Entladen aufweist und der elektrische Energiespeicher eine zweite Temperatur nach dem teilweisen Entladen aufweist, wobei die zweite Temperatur höher als die erste Temperatur ist.
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Typischerweise sind die bei einer bestimmten Temperatur zulässigen Entladeströme wesentlich höher als die bei dieser Temperatur zulässigen Ladeströme. Dadurch ergibt sich eine stärkere Erwärmung des elektrischen Energiespeichers bzw. der Batterie als bei einer reinen Ladung, d. h. einer herkömmlichen Ladung ohne vorherige Entladung. Da es sich bei der Erhöhung der zulässigen Ströme mit der Erwärmung um einen selbstverstärkenden Effekt handelt, wird der Nachteil des kurzzeitigen Entladens des elektrischen Energiespeichers bzw. der Batterie durch die nachher mögliche schnellere Ladung überkompensiert.
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Ferner kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass das teilweise Entladen mit einem maximal zulässigen Entladestrom des elektrischen Energiespeichers durchgeführt wird.
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Der maximal zulässige Entladestrom kann durch den elektrischen Energiespeicher selbst sowie durch Zuleitungen und andere Umgebungsbedingungen vorbestimmt sein. Durch die Verwendung des maximal zulässigen Stroms bei dem Entladevorgang kann schnellstmöglich eine Erhöhung der Temperatur an bzw. in dem Energiespeicher erreicht werden, so dass nach der Erwärmung der elektrische Energiespeicher schneller aufgeladen werden kann.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgesehen werden, dass das teilweise Entladen des elektrischen Energiespeichers für eine Zeitdauer im Minutenbereich durchgeführt wird, vorzugsweise in einem Bereich von einer bis fünf Minuten, weiter vorzugsweise in einem Bereich von einer bis zwei Minuten.
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Die Zeitdauer des Entladevorgangs als Teil des Ladevorgangs ist demnach sehr kurz im Vergleich zur zeitlichen Dauer des Gesamtladevorgangs. Innerhalb des vorgeschlagenen Minutenbereiches wird vorteilhafterweise eine Überwachung mehrere Parameter des elektrischen Energiespeichers vorgenommen, so dass sicher gestellt ist, dass die kurzeitige rasche Entladung keine weiteren Schäden verursacht.
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Weiterhin kann in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen werden, dass das teilweise Entladen des elektrischen Energiespeichers durch ein Kurzschließen des elektrischen Energiespeichers hervorgerufen wird.
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Es wird demnach ein kurzzeitiges Kurzschließen des elektrischen Energiespeichers bzw. einer Batterie vorgesehen. So wird die gesamte entladene Energie beim Entladevorgang in Wärme innerhalb des elektrischen Energiespeichers bzw. der Batterie umgesetzt. Diese Vorgehensweise stellt die einfachste Form einer Batterieheizung dar. Solange die Batterie nicht tiefentladen wird, ist das Kurzschließen nicht mit einer Schädigung der Batterie verbunden.
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Demnach ist ein Kurzschließen direkt in oder an dem elektrischen Energiespeicher oder einer externen installierten Schalteinrichtung eine einfache Methode, um ein rasches Entladen zwischen zwei Polen des elektrischen Energiespeichers hervorzurufen. Hierbei können auf einfache Weise die Pole (Pluspol und Minuspol bzw. Masse) kurzgeschlossen werden. Um ungewünschte Funkenbildungen zu vermeiden, können weitere geeignete Maßnahmen beim Einleiten des Kurzschlusses getroffen werden.
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Ferner kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen werden, dass das teilweise Entladen des elektrischen Energiespeichers durch Abgabe von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energiespeicher an mindestens einen externen elektrischen Energiespeicher oder mindestens einen elektrischen Energieverbaucher bewirkt wird.
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Damit die erfindungsgemäß vorgeschlagene Entladung möglich ist, wird diese konstruktiv vorgesehen. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise kann die im Verfahren entladene Energiemenge in einer zu diesem Zweck vorgesehenen Vorrichtung zum Betrieb eines Heizers zur Aufheizung der Batterie mittels Kühlmittel verwendet werden (um die Aufheizung der Batterie zusätzlich zu verstärken). Ferner kann die entladene Energiemenge durch die Ladeinfrastruktur zurück ins Versorgungsnetz oder einen lokalen Energiespeicher gespeist werden. Ferner kann die entladene Energiemenge anderweitig im Fahrzeug verbraucht werden, beispielsweise zur Klimatisierung der Fahrerkabine, Konditionierung einer Brennstoffzelle o. ä.
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Alternativ kann die Energie zwischen mehreren (d. h. mindestens zwei) Strängen eines elektrischen Energiespeichers bzw. einer Batterie verschoben werden, d. h. abwechselnd wird ein Strang durch den anderen geladen während der andere entladen wird. Dabei können die Verluste analog der beschriebenen Vorgehensweise zum Aufheizen genutzt.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mit einer Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers gelöst. Hierbei weist die Ladevorrichtung eine Anschlusseinrichtung für das Anschließen des elektrischen Energiespeichers und eine Schalteinrichtung zum Umschalten zwischen einem Ladezustand und einem Entladezustand des elektrischen Energiespeichers auf. Ferner weist die Ladevorrichtung eine Steuereinrichtung zum Betätigen der Schalteinrichtung auf, wobei die Steuereinrichtung eine Temperaturüberwachung aufweist, um eine Temperaturänderung an dem elektrischen Energiespeicher zu überwachen. Bei einem Einleiten eines Ladevorgangs zum Laden des elektrischen Energiespeichers wird die Schaltereinrichtung durch die Steuereinrichtung so betätigt wird, dass ein teilweises Entladen des elektrischen Energiespeichers hervorgerufen wird, um eine Temperaturänderung an dem elektrischen Energiespeichers zu bewirken. Hierbei ist ferner vorgesehen, dass nach dem Erreichen der Temperaturänderung an dem elektrischen Energiespeicher die Steuereinrichtung die Schaltereinrichtung so betätigt, dass ein Laden des elektrischen Energiespeichers bewirkt wird.
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Die Ladevorrichtung kann innerhalb eines Fahrzeugs installiert sein. Vorteilhafterweise ist die Ladevorrichtung in örtlicher Nähe des elektrischen Energiespeichers innerhalb des Fahrzeugs installiert. Auch ist es möglich, dass die Ladevorrichtung Teil einer stationären Ladestation ist. Ferner ist es auch möglich, dass eine Ladevorrichtung mehreren elektrischen Energiespeichern zugeordnet ist, so dass sie als zentrale Vorrichtung alle Ladevorgänge der installierten elektrischen Energiespeicher in einem Fahrzeug einleitet. Mit der Ladevorrichtung kann das erfindungsgemäße Ladeverfahren ausgeführt werden, so dass alle Vorteile des Verfahrens auch bei der Verwendung der Ladestation vorhanden sind.
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Ferner kann in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen werden, dass die Schalteinrichtung der Ladeeinrichtung einen Schalter zum Kurzschließen des elektrischen Energiespeichers aufweist.
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Für das Kurzschließen können zusätzliche Schalter in oder an dem elektrischen Energiespeicher bzw. der Batterie verwendet werden. Diese können als mechanische oder elektrische Schalter ausgeführt sein. Beispielsweise kann als Schalter ein Schütz oder ein Transistor verwendet werden.
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Ferner wird die Aufgabe der Erfindung mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) zur Überwachung eines elektrischen Energiespeichers gelöst. Hierbei weist das Batteriemanagementsystem eine Wirkverbindung auf, um Informationen mit der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung auszutauschen. Ferner weist das Batteriemanagementsystem eine Auswerteeinrichtung auf zu Bewertung einer Zustandsänderung des elektrischen Energiespeichers, die durch die erfindungsgemäße Ladevorrichtung hervorgerufen wurde.
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Hierbei kann das Batteriemanagementsystem bewerten, ob sich ein teilweises Entladen zu einem bestimmten Zeitpunkt positiv auf ein darauffolgendes Laden auswirkt. Solange diese erwünschten Bedingungen zum Einleiten eines teilweisen Entladens noch nicht erfüllt sind, kann beispielsweise das Batteriemanagementsystem eine zeitliche Verzögerung des gesamten Ladevorganges einschließlich des teilweisen Entladens bewirken. Hierbei kann das Batteriemanagementsystem verschiedene Parameter berücksichtigen, wie eine tatsächliche Temperatur des elektrischen Energiespeichers, eine aktuelle Außentemperatur am Fahrzeug, ein Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers, eine Anzahl von bisherigen Ladezyklen, etc.. Das Batteriemanagementsystem kann mit Mikroprozessoren und Speicherkapazität ausgestattet sein, um Auswerteaufgaben und Steuer- und Regelaufgaben durchzuführen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Batteriemanagementsystem in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Elektrofahrzeug, installiert und der elektrische Energiespeicher ist hierbei eine Batterie des Fahrzeugs.
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Mit einem solchen Batteriemanagementsystem kann ein Schnellladen eines elektrischen Energiespeichers bzw. einer Batterie überwacht und gesteuert werden. Die Ladestrategie selbst kann durch das Batteriemanagementsystem gesteuert werden. Hierbei kann von dem Batteriemanagementsystem eine Zustandsänderung des elektrischen Energiespeichers 11 bewertet werden, beispielsweise ob die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorgehensweise bei aktuell vorhandenen Bedingungen (Start-SOC, Ziel-SOC, minimal zur Verfügung stehende Zeit, Temperatur, etc.) vorteilhaft eingesetzt werden kann. Sofern dies der Fall ist, wird diese verwendet. Die Bezeichnung SOC (state of charge) wird im vorliegenden Zusammenhang für den Ladezustand des elektrischen Energiespeichers verwendet. Hierbei wird SOC in Prozentangaben verwendet, wobei ein Wert von Null eine vollständige Entladung und ein Wert von 100 Prozent eine vollständige Ladung des elektrischen Energiespeichers bedeuten.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems, das mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung zusammenwirkt;
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines herkömmlichen Ladevorgangs; und
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3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ladevorgangs.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems 20, das mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung 10 zusammenwirkt. Vorhandene Wirkverbindungen sind in 1 mit gestrichelten Linien gekennzeichnet. Hierbei kann die Ladevorrichtung 10 das erfindungsgemäße Verfahren durchführen. Das Batteriemanagementsystem 20 ist zusammen mit der Ladevorrichtung 10 in einem Fahrzeug installiert, um einen elektrischen Energiespeicher, hier eine Batterie oder ein Akkumulator des Fahrzeuges, hier ein Elektrofahrzeug in der Ausführung eines Personenkraftfahrzeugs, zu laden.
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Die Ladevorrichtung 10 der 1 wird zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 11 verwendet. Die Ladevorrichtung 10 weist hierfür eine Anschlusseinrichtung 12 für das Anschließen des elektrischen Energiespeichers 11 auf. Ferner weist die Ladevorrichtung 10 eine Schalteinrichtung 13 und eine Steuereinrichtung 14 auf. Die Schalteinrichtung 13 weist Schaltkontakte und Schaltelemente 15 als Schalter auf. Mit den Schaltelementen 15 kann zwischen einem Ladezustand und einem Entladezustand des elektrischen Energiespeichers 11 umgeschaltet werden. Hierbei deuten in 1 Pfeilrichtungen Lade- und Entladeströme mit ihren Fließrichtungen auf vier dargestellten Zuleitungen der Schalteinrichtung 13 an. Mit der Steuereinrichtung 14 können die Schaltelemente 15 der Schalteinrichtung 13 betätigt werden. Die Steuereinrichtung 14 weist eine Temperaturüberwachung 16 auf, um eine Temperaturänderung an dem elektrischen Energiespeicher 11 zu überwachen. Die hierzu notwendigen Sensoren an dem elektrischen Energiespeicher 11 sind nicht weiter dargestellt. Eine weitere Temperaturüberwachung unter Verwendung der gleichen Messdaten kann auch mit Hilfe des Batteriemanagementsystems 20 durchgeführt werden. Auch ist es möglich, dass die Steuereinrichtung 14 mit Temperaturüberwachung in dem Batteriemanagementsystem 20 integriert ist.
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Bei einem Einleiten eines Ladevorgangs zum Laden des elektrischen Energiespeichers 11 wird zunächst die Schaltereinrichtung 13 durch die Steuereinrichtung 14 so betätigt, dass ein teilweises Entladen des elektrischen Energiespeichers 11 hervorgerufen wird, um eine Temperaturänderung an dem elektrischen Energiespeichers 10 zu bewirken. Die beiden Schaltelemente 15 in 1 können durch die Steuereinrichtung 14 betätigt werden, beispielsweise durch Schalten jedes Schaltelementes 15 von einer ersten Position in eine zweite Position. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Schaltelemente 15 zeitlich synchron schaltbar und haben jeweils zwei mögliche Schaltstellungen, eine für das Laden, beispielsweise der obere und untere Abzweig in der 1 und eine für das Entladen, beispielsweise zum Kontaktieren jeweils eines horizontal verlaufenden Strompfades, an den Verbraucher angeschlossen sein können.
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Nach dem Einleiten eines Ladevorgangs, beispielsweise bewirkt durch das Batteriemanagementsystems 20, wird während eines teilweise Entladens des Energiespeichers 11 mit Hilfe der Temperaturüberwachung 16 der Steuereinrichtung 14 geprüft, ob eine gewünschte Temperaturänderung an dem Energiespeicher 11 erreicht ist. Bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur werden von der Steuereinrichtung 14 die Schaltelemente 15 der Schaltereinrichtung 13 so betätigt, dass ein anschließendes Laden des elektrischen Energiespeichers 11 bewirkt wird.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines konventionellen Ladens gegenüber dessen das erfindungsgemäße Verfahren in 3 verdeutlicht werden soll. Hierbei hat ein elektrischer Energiespeicher, hier eine Batterie, eine Anfangstemperatur von –10° Celsius und einen Ladezustand (SOC) von 20%. Die Batterie soll auf einen Ladezustand (SOC) von 80% bzw. 97% geladen werden. 2 zeigt ein Beispiel für einen konventionellen Ladevorgang unter Einhaltung der bei der jeweiligen Temperatur geltenden Ladestromgrenzen. Hierbei werden drei Koordinatensysteme gezeigt mit Achsenbeschriftungen, wobei t für Zeit in Minuten (min), P für Leistung, Pmax für maximale Leistung, T für Temperatur in Celsius und SOC für den prozentualen Ladezustand verwendet wird. Die gleichen Bezeichnungen werden für 3 verwendet.
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In 2 steigt die Ladeleistung P mit der Temperaturerhöhung langsam an, bis eine maximal mögliche Ladeleistung Pmax erreicht ist. Die Batterie ist im vorliegenden Fall nach etwa 59,0 Minuten bzw. etwa 92,4 Minuten auf die gewünschten Ladezustände SOC geladen. In diesem Beispiel wurde bereits das Aufheizen der Batterie durch einen externen Heizer berücksichtigt.
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In 3 wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ladeverfahrens dargestellt. Anstatt die Batterie von Beginn an zu laden, wird diese zunächst entladen. 3 zeigt beispielhaft diesen Vorgang. Hier wird die Batterie zunächst für zwei Minuten mit dem maximal zulässigen Entladestrom Imax entladen (I < 0), wodurch der Ladezustand SOC sinkt. Es wird hiermit gleichzeitig eine starke Erwärmung der Batterie bewirkt.
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Im Anschluss an die Entladung wird auf „Laden” umgeschaltet. Es ist sofort ein wesentlich höherer Ladestrom bzw. eine wesentlich höhere Ladeleistung zulässig. Die Batterie erreicht die gewünschten Ladezustände SOC bereits nach etwa 49,9 Minuten bzw. etwa 77,4 Minuten. Im Ausführungsbeispiel der 3 wurde zusätzlich derselbe Heizer wie im konventionellen Ladefall der 2 berücksichtigt.
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Es konnte im vorliegenden Ausführungsbeispiel der 3 eine Verkürzung der Ladezeit des elektrischen Energiespeichers um etwa 10 Minuten bzw. um etwa 15 Minuten gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 2 erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ladevorrichtung
- 11
- elektrischer Energiespeicher
- 12
- Anschlusseinrichtung
- 13
- Schalteinrichtung
- 14
- Steuereinrichtung
- 15
- Schaltelement
- 16
- Temperaturüberwachung
- 17
- Schalter
- 20
- Batteriemanagementsystem
- 21
- Auswerteeinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0002031 A1 [0003]
