DE102017207416A1 - Vorrichtung, system und verfahren zum laden eines energiespeichers sowie fahrzeug - Google Patents

Vorrichtung, system und verfahren zum laden eines energiespeichers sowie fahrzeug Download PDF

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Simon Lux
Sebastian Kaluza
Isaac Lund
Pascal Viala
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein System zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers sowie ein Fahrzeug. Eine Aufladeeinrichtung zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers weist einen ersten Stromkreis auf, welcher mit dem elektrochemischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist oder gekoppelt werden kann. Eine Heizeinrichtung zum Beheizen des elektrochemischen Energiespeichers weist einen vom ersten Stromkreis getrennten zweiten Stromkreis mit einem durch ein äußeres magnetisches Wechselfeld induktiv erwärmbaren Induktionsheizelement auf, welches mit dem elektrochemischen Energiespeicher thermisch gekoppelt ist oder gekoppelt werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Laden eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, sowie ein Fahrzeug mit einem solchen System.
  • Um elektrisch angetriebene Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, mit der notwendigen Energie zu versorgen, sind in den Fahrzeugen in der Regel elektrochemische Energiespeicher vorgesehen. Zum Wiederaufladen der Energiespeicher existieren unterschiedliche Ladestandards. Die Fahrzeuge können üblicherweise an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden oder spezielle Stromtankstellen nutzen, welche je nach Standard Wechsel-, Dreh- oder Gleichstrom zum Laden zur Verfügung stellen. Als Alternative zu kabelgebundenen befinden sich auch drahtlose Energieübertragungssysteme in der Entwicklung, welche ein besonders komfortables und einfaches Laden der Energiespeicher ermöglichen.
  • Um ein effizientes und schonendes Wiederaufladen der Energiespeicher zu ermöglichen, wird den Energiespeichern üblicherweise Ladung entnommen und diese dazu genutzt, die Energiespeicher beim Ladevorgang zu erwärmen. Dazu kann z.B. ein ohmsches Heizelement in den Energiespeicher integriert oder im Bereich des Energiespeichers angeordnet sein, durch welches der Energiespeicher auf eine vorgegebene bzw. erforderliche Temperatur erwärmt werden kann.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den Ladevorgang eines elektrochemischen Energiespeichers weiter zu verbessern, insbesondere eine hohe Leistungsaufnahme durch den Energiespeicher bei gleichzeitig erhöhter Lebensdauer des Energiespeichers zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Laden eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß den unabhängigen Ansprüchen sowie ein Fahrzeug mit einem solchen System.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, weist eine Aufladeeinrichtung und eine Heizeinrichtung auf. Die Aufladeeinrichtung ist zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers eingerichtet und weist einen ersten Stromkreis auf, welcher mit dem elektrochemischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist oder gekoppelt werden kann. Die Heizeinrichtung ist zum Beheizen des elektrochemischen Energiespeichers eingerichtet und weist einen vom ersten Stromkreis getrennten zweiten Stromkreis mit einem durch ein äußeres magnetisches Wechselfeld induktiv erwärmbaren Induktionsheizelement auf, wobei das Induktionsheizelement mit dem elektrochemischen Energiespeicher thermisch gekoppelt ist oder gekoppelt werden kann.
  • Ein erfindungsgemäßes System zum Laden eines elektrochemischen Energiespeichers weist einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden des elektrochemischen Energiespeichers auf.
  • Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, weist ein erfindungsgemäßes System zum Laden eines elektrochemischen Energiespeichers auf.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, weist die folgenden Schritte auf: Erzeugen eines äußeren magnetischen Wechselfelds; Beheizen des elektrochemischen Energiespeichers durch ein mit dem elektrochemischen Energiespeicher thermisch gekoppeltes Induktionsheizelement, welches durch das äußere magnetische Wechselfeld induktiv erwärmt wird; und Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers durch elektrisches Koppeln eines ersten Stromkreises, welcher von einem das Induktionsheizelement aufweisenden zweiten Stromkreis getrennt ist, an den elektrochemischen Energiespeicher.
  • Ein Aspekt der Erfindung basiert auf dem Ansatz, einen elektrochemischen Energiespeicher vor dem Aufladen und/oder während des Aufladens über ein Induktionsheizelement zu erwärmen, wobei zum Aufladen ein erster Stromkreis und zum Erwärmen ein vom ersten Stromkreis, insbesondere räumlich und/oder elektrisch, getrennter und damit unabhängig steuerbarer zweiter Stromkreis vorgesehen ist. Dadurch kann der Erwärmungsprozess unabhängig vom Aufladeprozess gesteuert und beispielsweise an den Ladezustand und/oder eine Temperatur des Energiespeichers bzw. an eine Umgebungstemperatur angepasst werden.
  • Da das Induktionsheizelement durch das äußere magnetische Wechselfeld induktiv erwärmt wird, kann die Beheizungsvorgang des Energiespeichers von extern, d.h. von außerhalb eines Fahrzeugs, in welchem sich der Energiespeicher befindet, gesteuert bzw. beeinflusst werden. Insbesondere wird dabei die Heizleistung extern zur Verfügung gestellt und muss nicht dem Energiespeicher selbst entnommen werden, wodurch dieser weniger belastet und dessen Lebensdauer erhöht werden kann.
  • Insgesamt ermöglicht die Erfindung ein verbessertes, insbesondere effizientes und den Energiespeicher schonendes, Aufladen eines Energiespeichers.
  • Die induktive Erwärmung des Induktionsheizelements bzw. des Energiespeichers wird vorzugsweise gestartet, sobald das Fahrzeug im Bereich einer Stromtankstelle oder auf einem Stellplatz, etwa in einer Garage, positioniert, insbesondere abgestellt, wird. Dadurch kann der Energiespeicher bereits auf eine Temperatur, insbesondere oberhalb eines Schmelzpunkts eines im Energiespeicher enthaltenen Elektrolyten, gebracht werden, bevor der eigentliche Aufladeprozess, beispielsweise durch Verbinden eines Ladekabels mit der Aufladeeinrichtung, startet.
  • In einer bevorzugten Ausführung weist der erste Stromkreis ein Induktionselement auf, in welchem durch das äußere magnetische Wechselfeld ein Strom zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers induzierbar ist. Vorzugsweise ist das Induktionselement als Spule, welche von dem magnetischen Fluss des äußeren magnetischen Wechselfelds durchdringbar ist, ausgebildet. Dadurch kann die Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds vorteilhafterweise sowohl zur Erwärmung des elektrochemischen Energiespeichers vor dem Aufladeprozess oder während des Aufladeprozesses als auch zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers genutzt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist das Induktionselement eine erste Spule auf, welche dazu eingerichtet ist, Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds bei der ersten Harmonischen (Grundfrequenz) des äußeren magnetischen Wechselfelds zu absorbieren. Dabei ermöglicht die Absorption bei der ersten Harmonischen des magnetischen Wechselfelds eine besonders effiziente Übertragung der Energie zum Aufladen des Energiespeichers.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist das Induktionsheizelement eine hochohmige zweite Spule auf, welche dazu eingerichtet ist, Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds bei der ersten Harmonischen (Grundfrequenz) und/oder einer höheren Harmonischen des äußeren magnetischen Wechselfelds zu absorbieren. Vorzugsweise ist die zweite Spule dabei aus einem Material mit einem hohen elektrischen Widerstand, insbesondere einem spezifischen Widerstand von 0,1 Ω mm2/m oder höher, bevorzugt von 0,4 Ω mm2/m oder höher, insbesondere von 1 Ω mm2/m oder höher, gefertigt. Bevorzugt ist die zweite Spule dabei aus einer oder mehreren Legierungen gefertigt, welche Nickel, Mangan, Kupfer und/oder Chrom und/oder Übergangsmetallverbindungen enthält. Dadurch kann erreicht werden, dass sich die zweite Spule bei Absorption der Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds stark erwärmt. Dies ermöglicht eine effiziente und zuverlässige Erwärmung des Energiespeichers.
  • Indem die zweite Spule dazu eingerichtet ist, Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds bei einer höheren Harmonischen des äußeren magnetischen Wechselfelds zu absorbieren, ist die Menge der von der zweiten Spule absorbierten Energie unabhängig von der bei der ersten Harmonischen in die erste Spule des ersten Stromkreises eingekoppelten Energie anpassbar. Insbesondere kann ein Großteil, insbesondere über die Hälfte, der Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds zum Aufladen des Energiespeichers und ein kleinerer Teil, insbesondere weniger als die Hälfte, der Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds zum Erwärmen des Energiespeichers verwendet werden. Dadurch kann eine übermäßige Erwärmung des Energiespeichers vermieden und der Energiespeicher effizient aufgeladen werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Heizeinrichtung eine im Bereich des Induktionsheizelements angeordnete Leitung auf, welche dazu eingerichtet ist, ein durch das erwärmte Induktionsheizelement erwärmbares Medium zum elektrochemischen Energiespeicher zu transportieren. Dadurch kann eine zuverlässige thermische Kopplung des Induktionsheizelements mit dem elektrochemischen Energiespeicher ermöglicht werden. Insbesondere ist es dabei nicht zwingend notwendig, den Energiespeicher im Bereich des zweiten Stromkreises bzw. Induktionsheizelements anzuordnen, wodurch die Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Fahrzeug deutlich vereinfacht wird. Vorzugsweise kann in dieser Ausführung die Beheizung des Energiespeichers erfolgen, ohne dass der Energiespeicher in Betrieb genommen wird, wodurch Leistungsverluste durch eine sogenannte Standspannung während der Beheizung vermieden werden können.
  • Vorzugsweise ist die Leitung dabei, insbesondere wendelförmig, um das Induktionsheizelement herum angeordnet, insbesondere gewickelt. Alternativ kann aber auch das Induktionsheizelement, insbesondere wendelförmig, um die Leitung herum angeordnet, insbesondere gewickelt, sein. In beiden Fällen wird das erwärmbare Medium effizient erwärmt und/oder die Abstrahlung von nicht nutzbarer Verlustwärme vermindert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Leitung in das Induktionsheizelement integriert, insbesondere eingeschnitten, wodurch die gravimetrische Leistung des Systems signifikant erhöht werden kann.
  • Es ist ferner bevorzugt, als erwärmbares Medium ein Kühlmittel eines Energiespeicherkühlsystems zu verwenden, welches zur Kühlung des Energiespeichers im Betrieb, d.h. bei der Entnahme von elektrischer Energie aus dem Energiespeicher, ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die im Bereich des Induktionsheizelements angeordnete Leitung Teil des Energiespeicherkühlsystems.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, ein erstes Schaltelement des ersten Stromkreises zum Unterbrechen bzw. Schließen des ersten Stromkreises und/oder ein zweites Schaltelement zum Unterbrechen bzw. Schließen des zweiten Stromkreises derart zu steuern, dass in einem ersten Steuermodus der elektrochemische Energiespeicher erwärmt, insbesondere nur erwärmt, in einem zweiten Steuermodus der elektrochemische Energiespeicher aufgeladen, insbesondere nur aufgeladen, und in einem dritten Steuermodus der elektrochemische Energiespeicher erwärmt und gleichzeitig aufgeladen wird. Dadurch kann die Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds gezielt und effizient zum Erwärmen und/oder Aufladen des Energiespeichers verwendet werden. Ferner kann die Erwärmung des elektrochemischen Energiespeichers dynamisch, beispielsweise an den Ladezustand des Energiespeichers, angepasst und gesteuert werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Temperatursensoreinheit auf, welche dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers zu erfassen. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dabei dazu eingerichtet, von dem ersten Steuermodus in den zweiten Steuermodus zu wechseln, wenn die ermittelte Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert erreicht oder überschreitet. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, von dem zweiten Steuermodus in den ersten Steuermodus zu wechseln, wenn die ermittelte Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert unterschreitet. Durch beide Ausführungen kann zuverlässig vermieden werden, dass der Energiespeicher bei einer niedrigen Temperatur, insbesondere unterhalb des Schmelzpunktes eines Elektrolyten des Energiespeichers, aufgeladen wird. Somit wird ein schonendes und effizientes Aufladen des Energiespeichers ermöglicht.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist der zweite Stromkreis einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand auf, der bei Erreichen oder Überschreiten des vorgegebenen Temperaturschwellenwerts die Erwärmung des Induktionsheizelements bzw. des zweiten Stromkreises reguliert, insbesondere begrenzt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist das erfindungsgemäße System eine Erregerspuleneinrichtung zum Erzeugen des äußeren magnetischen Wechselfeldes auf. Vorzugsweise ist die Erregerspuleneinrichtung dabei dazu eingerichtet, das äußere magnetische Wechselfeld mit einer stabilen vorgegebenen Grundfrequenz, der sog. ersten Harmonischen, zu erzeugen. Dadurch kann die erste und/oder zweite Spule des ersten bzw. zweiten Stromkreises einfach in das äußere magnetische Wechselfeld eingebracht werden, so dass ein elektrischer Strom zum Aufladen des Energiespeichers zuverlässig induziert bzw. eine induktive Erwärmung des Induktionsheizelements bewirkt werden kann.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren, in denen durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet werden. Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:
    • 1 ein Beispiel eines Systems zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers; und
    • 2 ein Beispiel einer Heizeinrichtung und eines Energiespeichers.
  • 1 zeigt ein Beispiel eines Systems 100 zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers 2 mit einer Vorrichtung 1 zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers 2, welche eine Aufladeeinrichtung 11 mit einem Induktionselement 5 und eine Heizeinrichtung 12 mit einem Induktionsheizelement 6 aufweist.
  • Das System 100 weist ferner eine Erregerspuleneinrichtung 3 auf, die ein äußeres magnetisches Wechselfeld 4 erzeugt, in der Figur durch einen Pfeil schematisch dargestellt, dessen magnetischer Fluss eine erste Spule 5' des Induktionselements 5 und eine zweite Spule 6' des Induktionsheizelements 6 durchdringt. Dabei ändert sich die Polung des äußeren magnetischen Wechselfelds 4 mit einer vorgegebenen Grundfrequenz, der sog. ersten Harmonischen. Die Grundfrequenz beträgt vorzugsweise 40 bis 130 kHz, bevorzugt 60 bis 110 kHz, insbesondere im Wesentlichen 85 kHz. Somit induziert das äußere magnetische Wechselfeld 4 in der ersten Spule 5' und in der zweiten Spule 6' jeweils einen elektrischen Strom.
  • Die Erregerspuleneinrichtung 3 und/oder die erste Spule 5' und/oder die zweite Spule 6' sind vorzugsweise koaxial zueinander ausgerichtet.
  • Die erste Spule 5' ist Teil eines ersten Stromkreises 7, welcher mit dem elektrochemischen Energiespeicher 2 elektrisch gekoppelt ist. Der in der ersten Spule 5' induzierte Strom wird, ggf. nach einer Gleichrichtung, zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers 2 verwendet.
  • Der in der zweiten Spule 6' bzw. im Induktionsheizelement 6 induzierte elektrische Strom führt zu einer Erwärmung des Induktionsheizelements 6. Die zweite Spule 6' bzw. das Induktionsheizelement 6 ist Teil eines vom ersten Stromkreis 7 elektrisch und/oder räumlich getrennten zweiten Stromkreises 8 und thermisch mit dem elektrochemischen Energiespeicher 2 gekoppelt. Die thermische Kopplung kann, wie in 1 angedeutet, beispielsweise durch eine Anordnung des elektrochemischen Energiespeichers 2 im Bereich, insbesondere in unmittelbarer Nähe, des Induktionsheizelements 6 realisiert werden.
  • Die zweite Spule 6' ist vorzugsweise eine hochohmige Spule, welche einen hohen elektrischen Widerstand aufweist und vorzugsweise aus einer Heizleiterlegierung oder einer Widerstandslegierung, insbesondere nach DIN 17471, gefertigt ist.
  • Der erste Stromkreis 7 weist ein erstes Schaltelement 7' auf, welches zum Schließen bzw. Unterbrechen des ersten Stromkreises 7 eingerichtet ist. Ebenso weist der zweite Stromkreis 8 ein zweites Schaltelement 8' auf, welches zum Schließen bzw. Unterbrechen des zweiten Stromkreises 8 eingerichtet ist.
  • Das erste und zweite Schaltelement 7', 8', können durch eine Steuereinrichtung 9 gesteuert werden, die vorzugsweise drei verschiedene Steuermodi aufweist. Im ersten Steuermodus unterbricht das erste Schaltelement 7' den ersten Stromkreis 7 und das zweite Schaltelement 8' schließt den zweiten Stromkreis 8, so dass nur im Induktionsheizelement 6 ein elektrischer Strom induziert wird. Dadurch erwärmt sich das Induktionsheizelement 6, ohne dass der Energiespeicher geladen wird. Dadurch wird im Wesentlichen die gesamte absorbierte Energie des magnetischen Wechselfelds 4 zum Erwärmen des Energiespeichers 2 eingesetzt.
  • Im zweiten Steuermodus schließt das Schaltelement 7' den ersten Stromkreis 7 und das zweite Schaltelement 8' unterbricht den zweiten Stromkreis 8, so dass nur im Induktionselement 5 ein elektrischer Strom induziert wird. Dadurch wird im Wesentlichen die gesamte absorbierte Energie des magnetischen Wechselfelds 4 zum Aufladen des Energiespeichers 2 eingesetzt.
  • Im dritten Steuermodus schließt das Schaltelement 7' den ersten Stromkreis 7 und das zweite Schaltelement 8' den zweiten Stromkreis 8, so dass sowohl im Induktionselement 5 als auch im Induktionsheizelement 6 jeweils ein elektrischer Strom induziert wird. Die Energie des magnetischen Wechselfelds 4 wird dabei sowohl vom Induktionselement 5 als auch vom Induktionsheizelement 6 absorbiert und zum Aufladen des Energiespeichers 2 einerseits und zum gleichzeitigen Erwärmen des Energiespeichers 2 andererseits genutzt.
  • Vorzugsweise sind sowohl die erste Spule 5' als auch die zweite Spule 6' dazu eingerichtet, die Energie des magnetischen Wechselfelds 4 bei der ersten harmonischen des magnetischen Wechselfelds 4 zu absorbieren. Dabei erreichen die erste und zweite Spule 5', 6' jeweils eine Absorptionseffizienz von etwa 98 %. Im dritten Steuermodus absorbieren die erste und die zweite Spule 5', 6'die Energie des magnetischen Wechselfelds 4 daher zu im Wesentlichen gleichen Teilen, insbesondere zu im Wesentlichen 48 %.
  • Alternativ kann die zweite Spule 6' aber auch dazu eingerichtet sein, die Energie des magnetischen Wechselfelds 4 bei der zweiten oder einer höheren harmonischen des magnetischen Wechselfelds 4 zu absorbieren. Dadurch reduziert sich die Absorptionseffizient der zweiten Spule 6' auf im Wesentlichen 45 %. Im dritten Steuermodus absorbiert die erste Spule 5' daher einen größeren Teil der Energie des magnetischen Wechselfelds 4 als die zweite Spule 6'. Somit kann das Absorptionsverhältnis und damit das Lade- bzw. Heizverhältnis der ersten und zweiten Spulen 5', 6' eingestellt und der Aufladeprozess besonders effizient gestaltet werden.
  • Im Bereich des Energiespeichers 2 ist vorzugsweise eine Temperatursensoreinheit 10 angeordnet, welche dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des Energiespeichers 7 zu erfassen. Die Steuereinrichtung 9 kann anhand der erfassten Temperatur das Öffnen bzw. Schließen der Schaltelemente 7', 8', d.h. das Schließen bzw. Unterbrechen des ersten und/oder zweiten Stromkreises 7, 8, steuern. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 9 anhand der ermittelten Temperatur in den ersten, zweiten oder dritten Steuermodus wechseln bzw. in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur im ersten, zweiten oder dritten Steuermodus betrieben werden. Befindet sich ein mit dem Energiespeicher 2 und der Vorrichtung 1 zum Aufladen des Energiespeichers 2 ausgestattetes Fahrzeug in einer kalten Umgebung, so dass die Temperatur des Energiespeichers 2 unterhalb eines Temperaturschwellenwerts, beispielsweise der Schmelztemperatur eines Elektrolyten des Energiespeichers 2, liegt, kann die Steuereinrichtung 9 im ersten Steuermodus zunächst ein Erwärmen des Energiespeichers 2 veranlassen. Hat die Temperatur des Energiespeichers 2 schließlich den Temperaturschwellwert erreicht oder überschritten, kann die Steuereinrichtung 9 in den zweiten Steuermodus wechseln und ein Aufladen des Energiespeichers 2 veranlassen. Sollte die Temperatur beim Aufladen wieder fallen, wird vom zweiten Steuermodus wieder in den ersten Steuermodus umgeschaltet. Dadurch wird sichergestellt, dass der Energiespeicher 2 schonend und effizient aufgeladen wird.
  • In 2 ist beispielhaft eine Heizeinrichtung 12 mit einem Induktionsheizelement 6 dargestellt, welches thermisch mit einem Energiespeicher 2 gekoppelt ist.
  • Das Induktionsheizelement 6 weist eine zweite Spule 6', insbesondere eine hochohmige Spule, auf, welche zur Absorption von Energie eines äußeren magnetischen Wechselfelds (nicht dargestellt) eingerichtet ist und sich dabei erwärmt. Die thermische Kopplung des Induktionsheizelements 6 an den Energiespeicher 2 wird in diesem Beispiel durch eine Leitung 13 realisiert, welche dazu eingerichtet ist, ein erwärmbares Medium, beispielsweise ein Kühlmittel, von der zweiten Spule 6' zum Energiespeicher 2 zu transportieren.
  • Die Leitung 13 ist dabei im Bereich des Induktionsheizelements 6 um die zweite Spule 6' gewunden, so dass die mittels induktiver Erwärmung in der zweiten Spule 6' entstehende Wärme von dem erwärmbaren Medium beim Durchströmen der Leitung im Bereich des Induktionsheizelements 6 aufgenommen und gespeichert werden kann. Im Bereich des Energiespeichers 2 kann das erwärmte Medium die gespeicherte Wärme dann wieder an den Energiespeicher 2 abgeben.
  • Die in 2 gezeigte Anordnung von Energiespeicher 2, Leitung 13 und Induktionsheizelement 6 ist besonders vorteilhaft, da der Energiespeicher 2 und das Induktionsheizelement 6 nicht in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert werden müssen, um eine zuverlässige thermische Kopplung zu erreichen. Dies erleichtert die Integration des Energiespeichers 2 und der Heizeinrichtung 12 in das Fahrzeug erheblich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers
    2
    elektrochemischer Energiespeicher
    3
    Erregerspuleneinrichtung
    4
    magnetisches Wechselfeld
    5
    Induktionselement
    5'
    erste Spule
    6
    Induktionsheizelement
    6'
    zweite Spule
    7
    erster Stromkreis
    8
    zweiter Stromkreis
    9
    Steuereinrichtung
    10
    Temperatursensoreinrichtung
    11
    Aufladeeinrichtung
    12
    Heizeinrichtung
    13
    Leitung
    100
    System zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers

Claims (11)

  1. Vorrichtung (1) zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers (2), insbesondere einer Fahrzeugbatterie, mit -einer Aufladeeinrichtung (11), welche zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers (2) eingerichtet ist, mit einem ersten Stromkreis (7), welcher mit dem elektrochemischen Energiespeicher (2) elektrisch gekoppelt ist, und -einer Heizeinrichtung (12), welche zum Beheizen des elektrochemischen Energiespeichers (2) eingerichtet ist, mit einem vom ersten Stromkreis (7) getrennten zweiten Stromkreis (8), welcher ein durch ein äußeres magnetisches Wechselfeld (4) induktiv erwärmbares Induktionsheizelement (6) aufweist, das mit dem elektrochemischen Energiespeicher (2) thermisch gekoppelt ist.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Stromkreis (7) ein Induktionselement (5) aufweist, in welchem durch das äußere magnetische Wechselfeld (4) ein Strom zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers (2) induzierbar ist.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei das Induktionselement (5) eine erste Spule (5') aufweist, welche dazu eingerichtet ist, Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds (4) bei der ersten Harmonischen (Grundfrequenz) des äußeren magnetischen Wechselfelds (4) zu absorbieren.
  4. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Induktionsheizelement (6) eine hochohmige zweite Spule (6') aufweist, welche dazu eingerichtet ist, Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds (4) bei der ersten Harmonischen (Grundfrequenz) und/oder einer höheren Harmonischen des äußeren magnetischen Wechselfelds (4) zu absorbieren.
  5. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heizeinrichtung (12) eine im Bereich des Induktionsheizelements (6) angeordnete Leitung (13) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, ein durch das erwärmte Induktionsheizelement (6) erwärmbares Medium zum elektrochemischen Energiespeicher (2) zu transportieren.
  6. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Steuereinrichtung (9), welche dazu eingerichtet ist, ein erstes Schaltelement (7') des ersten Stromkreises (7) zum Unterbrechen bzw. Schließen des ersten Stromkreises (7') und/oder ein zweites Schaltelement (8') zum Unterbrechen bzw. Schließen des zweiten Stromkreises (8) derart zu steuern, dass in einem ersten Steuermodus der elektrochemische Energiespeicher (2) erwärmt, in einem zweiten Steuermodus der elektrochemische Energiespeicher (2) aufgeladen und in einem dritten Steuermodus der elektrochemische Energiespeicher (2) erwärmt und gleichzeitig aufgeladen wird.
  7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 mit einer Temperatursensoreinheit (10), welche dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers (2) zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung (9) dazu eingerichtet ist, von dem ersten Steuermodus in den zweiten Steuermodus zu wechseln, wenn die erfasste Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert erreicht oder überschreitet, und/oder von dem zweiten Steuermodus in den ersten Steuermodus zu wechseln, wenn die erfasste Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert unterschreitet.
  8. System (100) zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers (2) mit -einem elektrochemischen Energiespeicher (2), insbesondere einer Fahrzeugbatterie, und -einer Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  9. System (100) nach Anspruch 8 mit einer Erregerspuleneinrichtung (3) zum Erzeugen des äußeren magnetischen Wechselfeldes (4).
  10. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem System (100) zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers (2) nach Anspruch 8.
  11. Verfahren zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers (2), insbesondere einer Fahrzeugbatterie, mit den folgenden Schritten: -Erzeugen eines äußeren magnetischen Wechselfelds (4); -Beheizen des elektrochemischen Energiespeichers (2) durch ein mit dem elektrochemischen Energiespeicher (2) thermisch gekoppeltes Induktionsheizelement (6), welches durch das äußere magnetische Wechselfeld (4) induktiv erwärmt wird; und -Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers (2) durch elektrisches Koppeln eines ersten Stromkreises (7), welcher von einem das Induktionsheizelement (6) aufweisenden zweiten Stromkreis (8) getrennt ist, an den elektrochemischen Energiespeicher (2).
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