DE102017114035B4

DE102017114035B4 - Batteriesystem und betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102017114035B4
Application number: DE102017114035.2A
Authority: DE
Inventors: Kevin Layden; John Paul Gibeau; Kendrick J. Taylor; Yuling Zhao
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2024-04-04
Anticipated expiration: 2037-06-24
Also published as: US20170368949A1; US10589633B2; CN107546793A; DE102017114035A1

Abstract

Verfahren, umfassend:das Laden eines Batteriesatzes eines Elektrofahrzeugs mit einem Batteriesystem, wobei das Batteriesystem zum Laden des Batteriesatzes unter Verwendung von Wechselstrom, Gleichstrom oder von beidem eingerichtet ist;das Auswählen eines Ladebetriebsmodus zum Laden des Batteriesatzes mit dem Batteriesystem,wobei dann, wenn ein Wechselstrom-Ladebetriebsmodus des Batteriesystems ausgewählt wurde, das Verfahren beinhaltet:das Laden des Batteriesatzes unter ausschließlicher Verwendung von Wechselstrom und das gleichzeitige Laden von Batteriezellen einer Batterieanordnung des Batteriesystems; oderwobei dann, wenn ein Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus des Batteriesystems ausgewählt wurde, das Verfahren beinhaltet:das Laden des Batteriesatzes unter ausschließlicher Verwendung von Gleichstrom und das gleichzeitige Laden von Batteriezellen einer Batterieanordnung des Batteriesystems; oderwobei dann, wenn ein kombinierter Wechselstrom-/Gleichstrom-Lademodus des Batteriesystems ausgewählt wurde, das Verfahren beinhaltet:das Laden des Batteriesatzes unter Verwendung von Wechselstrom und Gleichstrom.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft ein Batteriesystem zum Laden von Batteriesätzen von Elektrofahrzeugen sowie ein geeignetes Verfahren zum Betreiben des Batteriesystems. Das Ladesystem beinhaltet eine Batterieanordnung zum Speichern von Energie. Die gespeicherte Energie kann dem Batteriesatz des Elektrofahrzeugs für Gleichstrom-Schnellladen des Batteriesatzes zugeführt werden.
HINTERGRUND
Die Notwendigkeit des Verringerns des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen von Automobilen ist gut bekannt. Deshalb werden Fahrzeuge entwickelt, die die Abhängigkeit von Verbrennungsmotoren reduzieren oder vollständig beseitigen. Elektrofahrzeuge sind eine Art von Fahrzeug, die derzeit zu diesem Zweck entwickelt wird. Im Allgemeinen unterscheiden sich Elektrofahrzeuge von herkömmlichen Kraftfahrzeugen, weil sie von einem oder mehr batteriebetriebenen Elektromotoren selektiv angetrieben werden. Herkömmliche Kraftfahrzeuge bauen dagegen ausschließlich auf dem Verbrennungsmotor zum Antreiben des Fahrzeugs auf.
Ein Hochspannungs-Batteriesatz versorgt in der Regel die Elektromotoren und andere elektrische Lasten des Elektrofahrzeugs mit Strom. Der Batteriesatz beinhaltet eine Vielzahl von Batteriezellen, die regelmäßig aufgeladen werden müssen, um die notwendige Energie wieder aufzufüllen, um diese Lasten mit Strom zu versorgen. Viele Kunden mit Elektrofahrzeugen wünschen sich Haushalts-Batteriesysteme, die schnell, effizient und kostengünstig den Batteriesatz aufladen können.
In der CN 2 05 004 812 U wird eine Vorrichtung zum Aufladen von Batteriesätzen von Elektroautos beschrieben, wobei die Vorrichtung Wechselstrom empfängt, selbst über einen aufladbaren Batteriespeicher verfügt und Elektroautos wahlweise Gleich- oder Wechselstrom zum Aufladen bereitstellen kann.
In der CN 2 01 328 021 Y wird eine Stromversorgungsvorrichtung mit einem Batteriespeicher beschrieben, die Wechselstrom empfängt und eine angeschlossene Last auch dann mit Gleichstrom oder Wechselstrom versorgen kann, wenn die eigene Versorgung mit Wechselstrom unterbrochen ist.
KURZDARSTELLUNG
Ein Batteriesystem nach einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird in Anspruch 3 beschrieben. Es umfasst unter anderem ein Gehäuse, eine Batterieanordnung im Inneren des Gehäuses, einen ersten Verkabelungsweg, der die Batterieanordnung umgeht und einen zweiten Verkabelungsweg, der elektrisch mit der Batterieanordnung verbunden ist.
Zudem erstreckt sich ein dritter Verkabelungsweg zwischen der Batterieanordnung und einem Stromkabel des Batteriesystems.
Dabei stellt der erste Verkabelungsweg einen direkten Weg zum Übertragen von Wechselstrom zum Laden eines Batteriesatzes eines Elektrofahrzeugs her, stellt der zweite Verkabelungsweg einen direkten Weg zum Übertragen von Gleichstrom zum Laden der Batterieanordnung her, und stellt der dritte Verkabelungsweg einen direkten Weg zum Übertragen von Gleichstrom zum Laden des Batteriesatzes her.
In einer weiteren, nicht begrenzenden Ausführungsform des vorangegangenen Batteriesystems ist ein Transformator/Umrichter konfiguriert, um Wechselstrom von einer Netzstromquelle zum Laden einer Vielzahl von Batteriezellen der Batterieanordnung in Gleichstrom umzuwandeln.
Bei dem Batteriesystem nach Anspruch 3 weist ein Einstellschalter ein Stellglied auf, das bewegbar ist, um eine Auswahl aus einer Mehrzahl von Ladebetriebsmodi des Batteriesystems zu treffen.
In einer weiteren, nicht begrenzenden Ausführungsform eines der vorangegangenen Batteriesysteme beinhaltet die Mehrzahl von Ladebetriebsmodi einen Wechselstrom-Ladebetriebsmodus, einen Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus und einen kombinierten Wechselstrom-/Gleichstrom-Ladebetriebsmodus.
In einer weiteren, nicht begrenzenden Ausführungsform eines der vorangegangenen Batteriesysteme ist ein erstes Schütz in dem ersten Verkabelungsweg angeordnet und ein zweites Schütz ist in dem zweiten Verkabelungsweg angeordnet.
In einer weiteren, nicht begrenzenden Ausführungsform von einem der vorangegangenen Batteriesysteme ist ein Controller konfiguriert, um den Betrieb des Batteriesystems zu steuern.
In einer weiteren, nicht begrenzenden Ausführungsform von einem der vorangegangenen Batteriesysteme ist der Controller konfiguriert, um selektiv zu regeln, dass Gleichstrom über den zweiten Verkabelungsweg zu der Batterieanordnung gesendet wird.
In einer weiteren, nicht begrenzenden Ausführungsform von einem der vorangegangenen Batteriesysteme ist der Controller konfiguriert, um ein Schütz zu schließen, um den Gleichstrom über den zweiten Verkabelungsweg zu der Batterieanordnung zu senden.
In einer weiteren, nicht begrenzenden Ausführungsform von einem der vorangegangenen Batteriesysteme erstrecken sich ein erstes Stromkabel und ein zweites Stromkabel auf die Außenseite des Gehäuses.
In einer weiteren, nicht begrenzenden Ausführungsform von einem der vorangegangenen Batteriesysteme beinhaltet die Batterieanordnung eine Vielzahl von Batteriezellen, die Energie speichern, um einen Batteriesatz getrennt von dem Batteriesystem zu laden.
Ein Verfahren gemäß einem weiteren beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird in Anspruch 1 beschrieben. Es beinhaltet unter anderem das Laden eines Batteriesatzes eines Elektrofahrzeugs mit einem Batteriesystem, wobei das Batteriesystem zum Laden des Batteriesatzes unter Verwendung von Wechselstrom, Gleichstrom oder von beidem eingerichtet ist.
In einer weiteren, nicht begrenzenden Ausführungsform der vorangegangenen Verfahren beinhaltet das Verfahren das Verbinden des Batteriesystems mit einer Netzstromquelle, das Speichern von Energie innerhalb einer Batterieanordnung des Batteriesystems und das der in der Batterieanordnung gespeicherten Energie zum Laden des Batteriesatzes.
Das Verfahren nach Anspruch 1 beinhaltet das Auswählen eines Ladebetriebsmodus zum Laden des Batteriesatzes mit dem Batteriesystem.
Wenn ein Wechselstrom-Ladebetriebsmodus des Batteriesystems ausgewählt wurde, beinhaltet das Verfahren das Laden des Batteriesatzes unter ausschließlicher Verwendung von Wechselstrom.
Wenn ein Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus des Batteriesystems ausgewählt wurde, beinhaltet das Verfahren das Laden des Batteriesatzes unter ausschließlicher Verwendung von Gleichstrom.
Das Verfahren beinhaltet dabei das gleichzeitige Laden von Batteriezellen einer Batterieanordnung des Batteriesystems.
Wenn ein kombinierter Wechselstrom-/Gleichstrom-Lademodus des Batteriesystems ausgewählt wurde, beinhaltet das Verfahren das Laden des Batteriesatzes unter Verwendung von Wechselstrom und Gleichstrom.
In einer weiteren, nicht begrenzenden Ausführungsform eines der vorangegangenen Verfahren beinhaltet das Verfahren das gleichzeitige Laden von Batteriezellen einer Batterieanordnung des Batteriesystems.
Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorangegangenen Absätze, der Ansprüche oder der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen, einschließlich ihrer verschiedenen Aspekte oder jeweiligen individuellen Merkmale können unabhängig voneinander oder in beliebiger Kombination genommen werden. Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben werden, sind auf alle Ausführungsformen anwendbar, es sei denn, dass solche Merkmale nicht kompatibel sind.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung werden für den Fachmann auf dem Gebiet aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich. Die Zeichnungen, die die ausführliche Beschreibung begleiten, können kurz wie folgt beschrieben werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs.
2 stellt ein Elektrofahrzeug unter Einbeziehung des Antriebsstrangs von 1 dar, und ist in einer Ladeposition relativ zu einem Batteriesystem positioniert.
3 veranschaulicht ein Batteriesystem zum Laden eines Batteriesatzes von einem Elektrofahrzeug.
4A, 4B, 4C und 4D veranschaulichen schematisch verschiedene Betriebsmodi des Batteriesystems von 3.
5 veranschaulicht schematisch eine Steuerstrategie zum Laden eines Elektrofahrzeugs unter Verwendung des Batteriesystems von 3.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung beschreibt ausführlich ein beispielhaftes Batteriesystem zum Laden von Batteriesätzen von Elektrofahrzeugen. Das Batteriesystem beinhaltet eine Batterieanordnung und mehrere Verkabelungswege innerhalb eines Gehäuses. Energie kann innerhalb der Batterieanordnung gespeichert werden, um anschließend einen Batteriesatz zu laden. Das Batteriesystem kann in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden, um den Batteriesatz entweder mit Wechselstrom (AC), Gleichstrom (DC) oder einer Kombination aus Wechselstrom und Gleichstrom zu laden. Das Batteriesystem ist ein Heimladegerät zur mehrfachen Verwendung, das den Nutzern die Möglichkeit bietet, Energie zu Hause (d. h innerhalb der Batterieanordnung) zu speichern, um schnell, effizient und kostengünstig den Batteriesatz des Elektrofahrzeugs zu laden. Das Batteriesystem bietet Anwendern auch die Möglichkeit, aus mehreren Ladeprotokollen auszuwählen, ohne dass komplexe Änderungen der elektrischen Heiminfrastruktur erforderlich sind. Diese und andere Merkmale werden in den folgenden Abschnitten dieser ausführlichen Beschreibung ausführlicher erörtert.
1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang 10 eines Elektrofahrzeugs 12. Obwohl ein Batterie-Elektrofahrzeug (BEV) dargestellt ist, versteht es sich, dass die hierin beschriebenen Konzepte nicht auf BEV beschränkt sind und sich auf andere Elektrofahrzeuge erstrecken können, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs). Daher könnte das Elektrofahrzeug 12, obwohl es in dieser Ausführungsform nicht dargestellt ist, mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sein, der entweder allein oder in Kombination mit anderen Energiequellen verwendet werden kann, um das Elektrofahrzeug 12 anzutreiben.
In einer nicht begrenzenden Ausführungsform ist das Elektrofahrzeug 12 ein Voll-Elektrofahrzeug, das ausschließlich durch elektrische Energie, beispielsweise durch einen Elektromotor 14 ohne jegliche Unterstützung von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Der Elektromotor 14 kann als ein Elektromotor, ein elektrischer Generator oder beides arbeiten. Der Elektromotor 14 empfängt elektrische Energie und stellt eine Rotationsausgangsleistung bereit. Der Elektromotor 14 kann mit einem Getriebe 16 verbunden sein, um das Abtriebsdrehmoment und die Drehzahl des Elektromotors 14 auf ein vorbestimmtes Übersetzungsverhältnis einzustellen. Das Getriebe 16 ist über eine Abtriebswelle 20 mit einem Satz von Antriebsrädern 18 verbunden. Ein Hochspannungsbus 22 verbindet den Elektromotor 14 über einen Wechselrichter 26 elektrisch mit einem Batteriesatz 24. Der Elektromotor 14, das Getriebe 16 und der Wechselrichter 26 können gemeinsam als Getriebe 28 bezeichnet werden.
Der Batteriesatz 24 ist eine beispielhafte Elektrofahrzeugbatterie. Der Batteriesatz 24 kann ein Hochspannungs-Antriebsbatteriesatz sein, der eine Mehrzahl von Batterieanordnungen 25 (d. h. Batterieanordnungen oder Gruppierungen von Batteriezellen) beinhaltet, die in der Lage sind, elektrischen Strom abzugeben, um den Elektromotor 14 und/oder andere elektrische Lasten des Elektrofahrzeugs 12 zu betreiben. Andere Arten von Energiespeichervorrichtungen und/oder Abgabevorrichtungen können auch verwendet werden, um das Elektrofahrzeug 12 mit Strom zu versorgen.
Das Elektrofahrzeug 12 kann auch ein Ladesystem 30 zum periodischen Laden der Energiespeichervorrichtungen (z. B. Batteriezellen) des Batteriesatzes 24 beinhalten. Das Ladesystem 30 kann mit einer externen Stromquelle (nicht dargestellt) verbunden sein, um Strom für die Energiespeichervorrichtungen zu empfangen und an diese zu verteilen. Beispielsweise beinhaltet das Ladesystem 30 in einer nicht begrenzenden Ausführungsform einen Ladeanschluss 32, der an Bord des Elektrofahrzeugs 12 positioniert ist. Der Ladeanschluss 32 ist eingerichtet, selektiv Strom von der externen Stromquelle zu empfangen, beispielsweise von einem mit der externen Stromquelle verbundenen Stromkabel, und dann den Strom an den Batteriesatz 24 zum Laden der Energiespeichervorrichtungen zu verteilen.
Das Ladesystem 30 kann auch mit einer Leistungselektronik ausgestattet sein, die verwendet wird, um Wechselstrom, der von der externen Stromversorgung empfangen wird, in Gleichstrom zum Laden der Energiespeichervorrichtungen des Batteriesatzes 24 umzuwandeln. Das Ladesystem 30 kann auch eine oder mehrere herkömmliche Spannungsquellen von der externen Stromversorgung (z. B. 110 Volt, 220 Volt usw.) aufnehmen.
Der in 1 dargestellte Antriebsstrang 10 ist sehr schematisch und soll diese Offenbarung nicht begrenzen. Verschiedene zusätzliche Komponenten könnten alternativ oder zusätzlich durch den Antriebsstrang 10 innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung verwendet werden.
2 stellt schematisch das Elektrofahrzeug 12 von 1 dar, das in einer Ladeposition nahe einer Struktur 34 geparkt ist. Die Struktur 34 könnte ein Wohngebäude, ein Gewerbegebäude, ein Parkhaus oder jede andere Struktur sein. In einer nicht begrenzenden Ausführungsform ist die Struktur 34 eine Garage, die sich im Haus des EigentümersBetreibers des Elektrofahrzeugs 12 befindet. Es versteht sich, dass die verschiedenen Komponenten von 2 schematisch dargestellt sind, um die Merkmale dieser Offenbarung besser zu veranschaulichen, und nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt sind.
Ein Batteriesystem 36 zum Laden des Batteriesatzes 24 des Elektrofahrzeugs 12 kann an einer Oberfläche 38, wie etwa einer Wand oder einem Boden der Struktur 34, angebracht sein. Das Batteriesystem 36 kann durch ein erstes Stromkabel 42 elektrisch mit einer Steckdose 40 verbunden sein. Ein zweites Stromkabel 44 erstreckt sich zwischen dem Batteriesystem 36 und dem Ladeanschluss 32 des Elektrofahrzeugs 12. Ein Fahrzeugkoppler 46 des zweiten Stromversorgungskabels 44 ist mit dem Ladeanschluss 32 verbunden, um zu ermöglichen, dass Strom von dem Batteriesystem 36 zu dem Elektrofahrzeug 12 und insbesondere zu dem Batteriesatz 24 des Elektrofahrzeugs 12 übertragen wird.
Eine Netzstromquelle 48 kann dem Batteriesystem 36 Strom zuführen, sobald das erste Stromkabel 42 mit der Steckdose 40 verbunden ist. In einer nicht begrenzenden Ausführungsform ist die Netzstromquelle 48 eine Wechselstromquelle, die dem Batteriesystem 36 Strom mit entweder 110 Volt oder 220 Volt zuführt. Der dem Batteriesystem 36 zugeführte Strom kann darin gespeichert, und dann selektiv verwendet werden, um den Batteriesatz 24 des Elektrofahrzeugs 12 zu laden. So kann das Batteriesystem 36 verwendet werden, um den Batteriesatz 24 des Elektrofahrzeugs 12 zu laden, selbst wenn aus der Netzstromquelle 48 kein Strom verfügbar ist.
Das Batteriesystem 36 wird in 3 veranschaulicht. Das Batteriesystem 36 kann ein Gehäuse 50, eine Batterieanordnung 52, einen Controller 54, einen Einstellschalter 56, einen Transformator/Umrichter 57 und mehrere Verkabelungswege 58, 60, 62 beinhalten. Das Batteriesystem 36 empfängt Wechselstrom über das erste Stromkabel 42 (d. h. es wird eine Verbindung zur Netzstromquelle 48 vorausgesetzt) und kann entweder Wechselstrom, Gleichstrom oder beides dem Elektrofahrzeug 12 über die Verkabelungswege 58, 60, 62 und das zweite Stromkabel 44 zuführen.
Das Gehäuse 50 ist ein Gehäuse, das die Komponenten des Batteriesystems 36 aufnimmt, einschließlich, aber nicht begrenzt auf die Batterieanordnung 52, den Controller 54, den Transformator/Umrichter 57, die Verkabelungswege, 58, 60, 62 usw. In einer nicht begrenzenden Ausführungsform ist das Gehäuse 50 ein versiegeltes Gehäuse. Obwohl nicht dargestellt, könnte das Gehäuse 50 eine oder mehrere Türen für den Zugriff auf die internen Komponenten des Batteriesystems 36, wie z. B. für die Wartung oder reparaturverwandte Aufgaben, beinhalten.
Die Batterieanordnung 52 des Batteriesystems 36 beinhaltet eine Vielzahl von Batteriezellen 64 oder anderen Energiespeichern, die zum Speichern von elektrischem Strom in der Lage sind, der empfangen wird, wenn das Batteriesystem 36 mit der Netzstromquelle 48 elektrisch verbunden ist. Die in den Batteriezellen 64 gespeicherte Energie kann verwendet werden, um den Batteriesatz 24 des Elektrofahrzeugs 12 zu laden. Obwohl eine bestimmte Anzahl von Batteriezellen 64 in 3 dargestellt ist, könnte die Batterieanordnung 52 eine höhere oder niedrigere Anzahl von Batteriezellen im Umfang dieser Offenbarung verwenden. Die Batteriezellen 64 können Seite an Seite gestapelt und dann mit verschiedenen Strukturen (z. B. Abstandshalter, Schienen, Wände, Platten, Bindungen, Stromschienen usw.) zusammengekoppelt werden, um die Batterieanordnung 52 zu konstruieren. Eine einzelne Batterieanordnung 52 ist in 3 dargestellt; wobei das Batteriesystem 36 jedoch eine höhere oder niedrigere Anzahl von Batterieanordnungen im Umfang dieser Offenbarung beinhalten könnte.
In einer nicht begrenzenden Ausführungsform sind die Batteriezellen 64 sind prismatische, Lithium-Ion-Zellen. Batteriezellen, die jedoch andere Geometrien (zylindrisch, beutelförmig usw.), andere Chemikalien (Nickel-Metallhydrid-, Blei-Säure usw.) oder beides aufweisen, könnten alternativ innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung verwendet werden.
Der Einstellschalter 56 ermöglicht Benutzern, ein gewünschtes Ladeprotokoll zum Laden des Batteriesatzes 24 des Elektrofahrzeugs 12 mit dem Batteriesystem 36 auszuwählen. In einer nicht begrenzenden Ausführungsform beinhaltet der Einstellungsschalter 56 ein Stellglied 66, wie einen Kippschalter, eine Taste, einen Knopf usw., auf die an der Außenseite des Gehäuses 50 zugegriffen werden kann, und die dann bewegt werden können, um das gewünschte Ladeprotokoll oder den Betriebsmodus des Batteriesystems 36 auswählen.
Die Verkabelungswege 58, 60 und 62 übertragen den von der Netzstromquelle 48 empfangenen Strom durch das Batteriesystem 36. Jeder Verkabelungsweg 58, 60, 62 kann einen oder mehrere Drähte oder andere Stromübertragungskanäle für die Übertragung von Strom durch das Batteriesystem 36 beinhalten.
In einer nicht begrenzenden Ausführungsform ist der Verkabelungsweg 58 konfiguriert, um durch das erste Stromkabel 42 erhaltenen Wechselstrom direkt zu dem zweiten Stromkabel 44 zu übertragen. Der Verkabelungsweg 58 umgeht so die Batterieanordnung 52 komplett, und gibt Wechselstrom direkt an das Elektrofahrzeug 12 zum Laden des Batteriesatzes 24 ab.
Der Verkabelungsweg 60 ist konfiguriert, um den Strom direkt an die Batterieanordnung 52 zu übertragen. Der Verkabelungsweg 60 ist daher elektrisch mit der Batterieanordnung 52 verbunden, um die Batteriezellen 64 zu laden.
Schlussendlich ist der Verkabelungsweg 62 konfiguriert, um Gleichstrom direkt von der Batterieanordnung 52 zu dem zweiten Stromkabel 44 zu übertragen. Wenn es mit dem Ladeanschluss 32 verbunden ist, gibt das zweite Stromkabel 44 Gleichstrom an das Elektrofahrzeug 12 zum Laden des Batteriesatzes 24 ab.
Das Batteriesystem 36 kann zusätzlich ein oder mehrere Schütze für die Steuerung des Kraftflusses über das Batteriesystem 36 beinhalten. Beispielsweise ist in einer nicht begrenzenden Ausführungsform ein erstes Schütz 68 innerhalb des Verkabelungsweges 58 positioniert, und ein zweites Schütz 70 ist innerhalb des Verkabelungsweges 60 angeordnet. Die Schütze 68, 70 agieren ähnlich wie Hochspannungsrelais zum Schalten von Versorgungsströmen innerhalb des Batteriesystems 36. Die Schütze 68,70 werden selektiv zwischen offenen Positionen und geschlossenen Positionen betätigt, um die Verkabelungswege 58, 60 von anderen Teilen der Schaltung zu trennen/damit zu verbinden. Die Schütze 68, 70 sind beide in den geöffneten Positionen in 3 dargestellt. Das Schließen die Schütze 68, 70 ermöglicht, dass elektrischer Strom über die Verkabelungswege 58, 60 übertragen wird. Die Position (d. h. offen oder geschlossen) jedes Schützes 68, 70 richtet sich nach dem Ladebetriebsmodus, der durch die Einstellschalter 56 angegeben wird.
Das Batteriesystem 36 beinhaltet einen dritten Schütz 75, der innerhalb des Verkabelungsweges 62 positioniert ist. Der dritte Schütz 75 wird selektiv geschlossen, damit sich Gleichstrom von der Batterieanordnung 52 zu dem zweiten Stromkabel 44 bewegen kann. Das dritte Schütz 75 wird während dem Wechselstrom-Ladebetriebsmodus geöffnet.
Der Transformator/Umrichter 57 ist zwischen dem ersten Stromkabel 42 und den Verkabelungswegen 58, 60 positioniert und ist eingerichtet, um die Eingangs-Wechselstromspannung in Gleichstromspannung umwandeln, die durch die Batterieanordnung 52 zum Laden der Batteriezellen 64 akzeptiert werden kann. Obwohl allgemein dargestellt, beinhaltet der Transformator/Umrichter 57 alle Schaltungen, die zum Ausführen des Umwandelns von Wechselstrom in Gleichstrom notwendig sind. In einer nicht begrenzenden Ausführungsform empfängt der Transformator/Umrichter 57 Wechselstrom vom ersten Stromkabel 42, wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um und überträgt dann die Gleichstromspannung auf die Batterieanordnung 52 über den Verkabelungsweg 60. Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom wird durch den Transformator/Umrichter 57 nicht ausgeführt, wenn nur Wechselstrom gewünscht wird.
Der Controller 54 des Batteriesystems 36 führt mehrere Funktionen aus. Der Controller 54 ist mit ausführbaren Anweisungen zur Schnittstellenbildung mit, und zum Steuern des Betriebs der verschiedenen Komponenten des Batteriesystems 36 ausgestattet. Beispielsweise kommuniziert in einer nicht begrenzenden Ausführungsform der Controller 54 mit jedem von dem Transformator/Umrichter 57, den Schützen 68, 70, der Batterieanordnung 52 und dem Einstellschalter 56 über ein Controller Area Network (CAN), um den Betrieb des Batteriesystems 36 zu steuern. Der Controller 54 kann mit einer Verarbeitungseinheit und einem nicht transitorischen Speicher zum Ausführen der verschiedenen Ladebetriebsmodi des Batteriesystems 36 ausgestattet werden. Eine beispielhafte Steuerungsstrategie wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 5 erörtert.
Eine erste beispielhafte Funktion des Controllers 54 besteht darin zu erkennen, welcher Ladebetriebsmodus durch den Benutzer über den Einstellschalter 56 ausgewählt wurde. Beispielsweise kann der Controller 54 erkennen, ob ein Gleichstrom-Ladebetriebsmodus, ein Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus, ein modifizierter Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus mit Zellenaufladung oder ein kombinierter Wechselstrom-/Gleichstrom-Ladebetriebsmodus basierend auf einer Position des Stellglieds 66 des Einstellschalters 56 ausgewählt wurde. Jeder dieser Ladebetriebsmodi wird unter Bezugnahme auf die 4A bis 4D ausführlicher erläutert.
Eine weitere beispielhafte Funktion des Controllers 54 besteht im Steuern des Transformators/Umrichters 57, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, beispielsweise wenn es wünschenswert ist, die Batteriezellen 64 zu laden. Wenn jedoch der Wechselstrom-Ladebetriebsmodus ausgewählt wurde, wird der Transformator/Umrichter 57 den Wechselstrom nicht in Gleichstrom umwandeln und ermöglicht lediglich, dass der Wechselstrom über den Verkabelungsweg 58 übertragen wird. Wenn jedoch einer der Gleichstrom-Ladebetriebsmodus ausgewählt wurde, befiehlt der Controller 54 dem Transformator/Umrichter 57, den Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln und ermöglicht, dass der Gleichstrom über den Verkabelungsweg 60 zu der Batterieanordnung 52 übertragen wird. In noch einer anderen Ausführungsform steuert der Controller 54 die Schütze 68, 70 zwischen den offenen und geschlossenen Positionen, um den Stromfluss über das Batteriesystem 36 zu steuern.
Der Controller 54 kann zusätzlich die Batteriezellen 64 der Batterieanordnung 52 überwachen. Beispielsweise kann der Controller 54 den Ladezustand (SOC) jeder Batteriezelle 64 unter vielen anderen Batterieparametern überwachen. In noch einer anderen, nicht begrenzenden Ausführungsform kann der Controller 54 automatisch das Wiederaufladen der Batteriezellen 64 befehlen, wenn der SOC der Batterieanordnung 52 einen vordefinierten Schwellenwert unterschreitet.
Eine weitere beispielhafte Funktion des Controllers 54 besteht im Kommunizieren mit einem speziellen Steuerungssystem des Elektrofahrzeugs 12, wenn das Batteriesystem 36 mit dem Elektrofahrzeug 12 verbunden ist. In einer ersten, nicht begrenzenden Ausführungsform kommuniziert der Controller 54 mit dem Steuerungssystem des Elektrofahrzeugs 12, um den SOC des Batteriesatzes 24 zu bestimmen. Beispielsweise können der Controller 54 und die Steuerung des Elektrofahrzeugs 12 miteinander kommunizieren, um die Batterieanordnung 52 und/oder den Batteriesatz 24 nur während Schwachlastbedingungen der Netzstromquelle 48 zu laden. In noch einer nicht begrenzenden Ausführungsform kommunizieren der Controller 54, das Elektrofahrzeug 12 und die Netzstromquelle 48 miteinander über Power Line Communication (PLC).
Die 4A-4D veranschaulichen mit fortgesetzter Bezugnahme auf die 1-3 schematisch verschiedene Ladebetriebsmodi des Batteriesystems 36. In einer nicht begrenzenden Ausführungsform kann ein Benutzer/Betreiber jede Ladebetriebsart mit dem Einstellschalter 56 des Batteriesystems 36 auswählen.
4A stellt einen Ladebetriebsmodus des Batteriesystems 36 dar. Im Ladebetriebsmodus regelt der Controller 54 das erste Schütz 68 auf geschlossen, und das zweite und dritte Schütz 70, 75 auf geöffnet, sodass Strom aus der Netzstromquelle 48 nur über den Verkabelungsweg 58 übertragen wird. Der Verkabelungsweg 58 stellt während des Wechselstrom-Ladebetriebsmodus einen direkten Weg P1 (schematisch dargestellt durch einen verdickten Pfeil in 4A) zwischen der Netzstromquelle 48 und dem Elektrofahrzeug 12 her, um den Batteriesatz 24 nur unter Verwendung von Wechselstrom zu laden.
4B stellt einen Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus des Batteriesystems 36 dar. In dem Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus regelt der Controller 54 beide Schütze 68 und 70 dahingehend, sich zu öffnen, sodass Strom nicht über den Verkabelungsweg 58 oder den Verkabelungsweg 60 übertragen wird. Der Controller 54 regelt dann das dritte Schütz 75 dahingehend, dass in der Batterieanordnung 52 gespeicherter Gleichstrom direkt aus der Batterieanordnung 52 zu dem Elektrofahrzeug 12 über das zweite Stromkabel 44 gesendet wird. Der Verkabelungsweg 62 stellt während des Gleichstrom-Ladebetriebsmodus einen direkten Weg P2 (schematisch dargestellt durch einen verdickten Pfeil in 4B) zwischen der Netzstromquelle 52 und dem Elektrofahrzeug 12 her, um den Batteriesatz 24 nur unter Verwendung von Gleichstrom zu laden.
4C stellt einen verbesserten Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus des Batteriesystems 36 dar. In diesem Betriebsmodus können die Batteriezellen 64 der Batterieanordnung 52 gleichzeitig geladen werden, wenn das Batteriesystem 36 eingesetzt wird, um den Batteriesatz 24 des Elektrofahrzeugs 12 zu laden. Im Betrieb regelt der Controller 54 das Schütz 68 dahingehend, dass es geöffnet, und die Schütze 70, 75 dahingehend, dass sie geschlossen sind, sodass von dem ersten Stromkabel 42 empfangener Strom nur über den Verkabelungsweg 60 übermittelt werden kann. Der Controller 54 regelt auch der Transformator/Umrichter 57 dahingehend, dass er Wechselstrom in Gleichstrom zum Laden der Batteriezellen 64 der Batterieanordnung 52 umwandelt. Der Verkabelungsweg 60 stellt so einen Weg P3 (schematisch dargestellt durch einen verdickten Pfeil in 4C) für das Übertragen von Gleichstrom auf die Batterieordnung 52 her.
Der Controller 54 kann gleichzeitig regeln, dass innerhalb der Batteriezellen 64 der Batterieanordnung 52 gespeicherter Gleichstrom direkt von der Batterieanordnung 52 zu dem Elektrofahrzeug 12 über das zweite Stromkabel 44 gesendet wird. Der Verkabelungsweg 62 stellt während dieses Betriebsmodus einen direkten Weg P4 zwischen der Batterieanordnung 52 und dem Elektrofahrzeug 12 her, um den Batteriesatz 24 unter Verwendung von Gleichstrom zu laden.
4D stellt einen kombinieren Wechselstrom-/Gleichstrom-Ladebetriebsmodus des Batteriesystems 36 dar. Im Betrieb regelt der Controller 54 das Schütz 68 dahingehend, dass es geschlossen ist, und das Schütz 70 kann entweder geöffnet oder geschlossen sein (z. B. je nachdem, ob die Batteriezellen 64 der Batterieanordnung 52 Laden benötigen), damit von dem ersten Stromkabel 42 empfangener Strom über den Verkabelungsweg 58 oder optional über den Verkabelungsweg 58 und den Verkabelungsweg 60 kommuniziert werden kann. Der Controller 54 kann gleichzeitig das Schütz 75 dahingehend regeln, dass es geschlossen ist, sodass innerhalb der Batteriezellen 64 der Batterieanordnung 52 gespeicherter Gleichstrom direkt von der Batterieanordnung 52 zu dem Elektrofahrzeug 12 über das zweite Stromkabel 44 gesendet wird. Auf diese Weise wird der Batteriesatz 24 unter Verwendung von Wechselstrom und Gleichstrom geladen. Während dieses Betriebsmodus stellt der Verkabelungsweg 58 einen direkten Weg P5 (siehe verdickter Pfeil) her, der Verkabelungsweg 60 stellt zwischen der Netzstromquelle 48 und dem Elektrofahrzeug 12 optional einen Weg P6 (siehe verdickter Pfeil) zum Laden der Batteriezellen 64 der Batterieanordnung 52 her, und der Verkabelungsweg 62 stellt einen anderen direkten Weg P7 zwischen der Batterieanordnung 52 und dem Elektrofahrzeug 12 zum Laden der Zellen des Batteriesatzes 24 her.
5 veranschaulicht unter fortgesetzter Bezugnahme auf die vorangegangenen Figuren eine Steuerungsstrategie 100 für das Laden des Batteriesatzes 24 des Elektrofahrzeugs 12 unter Verwendung des Batteriesystems 36. Die Steuerungsstrategie 100 beginnt bei Block 102 durch Bestätigen, dass das Batteriesystem 36 auf EIN geschaltet wurde. Bei Block 104 wählt der Benutzer einen der Ladebetriebsmodi des Batteriesystems 36 aus. Beispielsweise kann der Benutzer entweder den Wechselstrom-Lademodus, den Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus, den modifizierten Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus mit Zellenwiederaufladung oder den kombinierten Wechselstrom-/Gleichstrom-Ladebetriebsmodus auswählen. Der Einstellschalter 56 kann zum Auswählen des gewünschten Ladebetriebsmodus verwendet werden.
Wenn der Gleichstrom-Ladebetriebsmodus ausgewählt wurde, wie bei Block 106 schematisch dargestellt, fährt die Steuerungsstrategie 100 mit Block 108 fort, und das Batteriesystem 36 wird gesteuert, wie in 4A dargestellt, um den Batteriesatz 24 des Elektrofahrzeugs 12 unter Verwendung von Wechselstrom zu laden.
Alternativ dazu, wenn einer der Gleichstrom-Betriebsmodi ausgewählt wurde, wie bei Block 110 schematisch dargestellt, fährt die Steuerungsstrategie mit Block 112 fort und bestätigt, ob der Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus von 4B ausgewählt wurde (siehe Block 114) oder der modifizierte Gleichstrom-Schnelllademodus von 4C ausgewählt wurde (siehe Block 116). Die Batteriezellen 64 der Batterieanordnung 52 werden geladen, wenn der modifizierte Gleichstrom-Schnelllademodus ausgewählt wurde, werden aber ansonsten nicht geladen. Bei Block 118 wird das Batteriesystem 36 entweder gesteuert, wie in 4B oder in 4C dargestellt, um den Batteriesatz des Elektrofahrzeugs 12 unter Verwendung von Gleichstrom zu laden.
In noch einer anderen nicht begrenzenden Ausführungsform, wenn der Benutzer den kombinierten Wechselstrom-/Gleichstrom-Ladebetriebsmodus des Batteriesystems 36 auswählt, wie schematisch bei Block 120 dargestellt, fährt die Steuerungsstrategie 100 mit Block 122 fort und bestätigt, welche Art von Gleichstrom-Schnellladen gewünscht wird. Der Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus von 4B ist bei Block 124 schematisch dargestellt, und der modifizierte Gleichstrom-Schnelllademodus von 4C ist bei Block 126 schematisch dargestellt. Mit anderen Worten ausgedrückt kann der kombinierte Wechselstrom-/Gleichstrom-Ladebetriebsmodus den Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus entweder von 4B oder 4C verwenden. Gleichstrom-Laden ist bei Block 127 schematisch dargestellt. Schlussendlich wird bei Block 128 das Batteriesystem 36 gesteuert, wie 4D dargestellt, um den Batteriesatz 24 des Elektrofahrzeugs 12 unter Verwendung von Wechselstrom und Gleichstrom zu laden.
Obwohl die verschiedenen, nicht begrenzenden Ausführungsformen dahingehend veranschaulicht werden, dass sie bestimmte Komponenten oder Schritte aufweisen, sind die Ausführungsformen dieser Offenbarung nicht auf diese bestimmten Kombinationen begrenzt. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale aus jeder der nicht begrenzenden Ausführungsformen in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten von einer der anderen, nicht begrenzenden Ausführungsformen zu verwenden.
Es versteht sich, dass gleiche Bezugszeichen zum Identifizieren von entsprechenden oder ähnlichen Elementen über mehrere Zeichnungen hinweg verwendet werden. Es versteht sich, dass obwohl eine bestimmte Komponentenanordnung in diesen beispielhaften Ausführungsformen offenbart und veranschaulicht wird, andere Anordnungen ebenfalls von den Lehren dieser Offenbarung profitieren könnten.
Die vorstehende Beschreibung soll als veranschaulichend und nicht in irgendeinem begrenzenden Sinn interpretiert werden. Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet würde verstehen, dass bestimmte Änderungen im Rahmen dieser Offenbarung vorkommen könnten. Aus diesen Gründen sollten die folgenden Ansprüche untersucht werden, um den wahren Umfang und Inhalt dieser Offenbarung zu bestimmen.

Claims

Verfahren, umfassend: das Laden eines Batteriesatzes eines Elektrofahrzeugs mit einem Batteriesystem, wobei das Batteriesystem zum Laden des Batteriesatzes unter Verwendung von Wechselstrom, Gleichstrom oder von beidem eingerichtet ist; das Auswählen eines Ladebetriebsmodus zum Laden des Batteriesatzes mit dem Batteriesystem, wobei dann, wenn ein Wechselstrom-Ladebetriebsmodus des Batteriesystems ausgewählt wurde, das Verfahren beinhaltet: das Laden des Batteriesatzes unter ausschließlicher Verwendung von Wechselstrom und das gleichzeitige Laden von Batteriezellen einer Batterieanordnung des Batteriesystems; oder wobei dann, wenn ein Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus des Batteriesystems ausgewählt wurde, das Verfahren beinhaltet: das Laden des Batteriesatzes unter ausschließlicher Verwendung von Gleichstrom und das gleichzeitige Laden von Batteriezellen einer Batterieanordnung des Batteriesystems; oder wobei dann, wenn ein kombinierter Wechselstrom-/Gleichstrom-Lademodus des Batteriesystems ausgewählt wurde, das Verfahren beinhaltet: das Laden des Batteriesatzes unter Verwendung von Wechselstrom und Gleichstrom.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: das Verbinden des Batteriesystems mit einer Netzstromquelle; das Speichern von Energie innerhalb einer Batterieanordnung des Batteriesystems; und das Verwenden der in der Batterieanordnung gespeicherten Energie zum Laden des Batteriesatzes.
Batteriesystem, umfassend: ein Gehäuse; eine Batterieanordnung innerhalb des Gehäuses; einen ersten Verkabelungsweg, der die Batterieanordnung umgeht; einen zweiten Verkabelungsweg, der elektrisch mit der Batterieanordnung verbunden ist; einen dritten Verkabelungsweg, der sich zwischen der Batterieanordnung und einem Stromkabel des Batteriesystems erstreckt; und einen Einstellschalter, der ein Stellglied aufweist, das bewegbar ist, um eine Auswahl aus einer Mehrzahl von Ladebetriebsmodi des Batteriesystems zu treffen, wobei der erste Verkabelungsweg einen direkten Weg für das Übertragen von Wechselstrom zum Laden eines Batteriesatzes eines Elektrofahrzeugs herstellt, der zweite Verkabelungsweg einen direkten Weg für das Übertragen von Gleichstrom zum Laden der Batterieanordnung herstellt, und der dritte Verkabelungsweg einen direkten Weg zum Übertragen von Gleichstrom zum Laden des Batteriesatzes herstellt, und wobei das Batteriesystem dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 auszuführen.
Batteriesystem nach Anspruch 3, umfassend einen Transformator/Umrichter, der konfiguriert ist, um Wechselstrom von einer Netzstromquelle zum Laden einer Vielzahl von Batteriezellen der Batterieanordnung in Gleichstrom umzuwandeln.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die Mehrzahl von Ladebetriebsmodi einen Wechselstrom-Ladebetriebsmodus, einen Gleichstrom-Schnellladebetriebsmodus und einen kombinierten Wechselstrom-/Gleichstrom-Ladebetriebsmodus beinhaltet.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, umfassend ein erstes Schütz, das innerhalb des ersten Verkabelungsweges angeordnet ist, und ein zweites Schütz, das innerhalb des zweiten Verkabelungsweges angeordnet ist
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, umfassend einen Controller, der konfiguriert ist, um den Betrieb des Batteriesystems zu steuern, und wobei der Controller konfiguriert ist, um selektiv zu regeln, dass Gleichstrom über den zweiten Verkabelungsweg zu der Batterieanordnung gesendet wird.
Batteriesystem nach Anspruch 6, umfassend einen Controller, der konfiguriert ist, um den Betrieb des Batteriesystems zu steuern, und wobei der Controller konfiguriert ist, um selektiv zu regeln, dass Gleichstrom über den zweiten Verkabelungsweg zu der Batterieanordnung gesendet wird, und wobei der Controller konfiguriert ist, um das zweite Schütz zu schließen, um den Gleichstrom über den zweiten Verkabelungsweg zu der Batterieanordnung zu senden.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 3 bis 8, umfassend ein erstes Stromkabel und ein zweites Stromkabel, die sich auf die Außenseite des Gehäuses erstrecken.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die Batterieanordnung eine Vielzahl von Batteriezellen beinhaltet, die Energie speichern, um einen Batteriesatz getrennt von dem Batteriesystem zu laden.