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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren bzw. eine stationäre Ladeanordnung zum Laden einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs.
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Eine fluidgekühlte Ladeanordnung ist bekannt aus
DE 10 2015 112 347 A1 . Die Ladeanordnung weist eine landseitige Ladestation auf, die über ein flexibles und flüssigkeitsgekühltes Ladekabel mit einem Ladestecker verbunden ist. Der Ladestecker dient der elektrischen Verbindung der Ladestation mit einem korrespondierenden Kraftfahrzeug-Ladestecker zum Laden der Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie. Das Ladekabel weist eine integrierte Kühlleitung auf, durch die das Ladekabel sowie der Ladestecker gekühlt werden. Als Kühlfluide werden alternativ ein Gas oder eine Flüssigkeit vorgeschlagen.
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Um Kraftfahrzeuge mit einer Traktionsbatterie für Kunden attraktiver zu machen, werden eine große Reichweite und eine kurze Ladezeit angestrebt. Eine kurze Ladezeit bei einer großen Kapazität der Traktionsbatterie lässt sich nur durch eine hohe Ladeleistung erreichen. Da sich die Ladespannung nicht beliebig erhöhen lässt, sind hierzu Ladeströme von weit über 100 A erforderlich. Der Ladestrom geht jedoch quadratisch in die Verlustleistung mit ein, die zu annähernd 100 % in Wärme umgewandelt wird. Für hohe Ladeleistungen ist daher eine leistungsfähige Flüssigkeitskühlung des Ladekabels und des Ladesteckers erforderlich.
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Ein flüssigkeitsgekühltes Ladekabel für eine hohe Ladeleistung ist jedoch steif und sehr schwer, so dass die manuelle Handhabung des Ladekabels einer Ladeanordnung physisch anspruchsvoll sein kann. Für Personen mit physischen Einschränkungen aufgrund von Alter, Behinderung oder Statur kann die Handhabung einer Ladestation mit einem flüssigkeitsgekühlten Schnelllade-Ladekabel u.U. unzumutbar sein.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein relativ leicht handhabbares Verfahren bzw. eine entsprechende Vorrichtung zum Laden einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren zum Laden einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die stationäre Ladeanordnung weist eine landseitige Ladestation mit einem Kühlflüssigkeits-Tank und einer Lade-Steuerung, einen Ladestecker zur elektrischen Verbindung der Ladestation mit einem Ladestecker des Kraftfahrzeugs, und ein flexibles und flüssigkeitsgekühltes Ladekabel mit einer integrierten Kühlleitung auf, das die Ladestation und den Ladestecker elektrisch miteinander verbindet. Der Kühlflüssigkeits-Tank ist so groß, dass mindestens das gesamte Flüssigkeitsvolumen der Kühlleitung in dem Kühlflüssigkeits-Tank gespeichert bzw. zwischengespeichert werden kann.
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Zum Applizieren des Ladeanordnungs-Ladesteckers an den Fahrzeug-Ladestecker wird erfindungsgemäß, wenn die Ladekabel-Kühlleitung vor dem Zusammenstecken der miteinander korrespondierenden Ladestecker mit Kühlflüssigkeit gefüllt sein sollte, zunächst die Ladekabel-Kühlleitung vollständig entleert, so dass die gesamte Kühlflüssigkeit aus der Kühlleitung des Ladekabels in den Kühlflüssigkeits-Tank gepumpt wird. Die Ladekabel-Kühlleitung ist danach nur noch mit einem Gas, vorzugsweise mit Umgebungsluft gefüllt. Das Entleeren der Ladekabel-Kühlleitung kann auf vielfältige Weise realisiert werden, beispielsweise schwerkraftgetriebenes Ablaufen der Kühlflüssigkeit, aktives Abpumpen durch eine Flüssigkeitspumpe, oder Ausschieben der Kühlflüssigkeit aus der Kühlleitung durch Einleitung von Druckgas, beispielsweise Druckluft. Falls die Kühlleitung bereits entleert und mit Gas gefüllt sein sollte, entfällt der Verfahrensschritt des Entleerens selbstverständlich. Der Verfahrensschritt des Entleerens kann unmittelbar vor der Initiierung eines Ladevorgangs erfolgen, kann jedoch auch proaktiv erfolgen.
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Sobald und wenn die Kühlleitung von der Kühlflüssigkeit entleert ist, kann der Ladeanordnungs-Ladestecker manuell von der Bediener-Person mit dem korrespondierenden Fahrzeug-Ladestecker zusammengesteckt werden, so dass eine elektrische Lade-Verbindung hergestellt wird. Nach dem Zusammenstecken der beiden Ladestecker wird die Ladekabel-Kühlleitung mit der Kühlflüssigkeit aus dem Kühlflüssigkeits-Tank vollständig gefüllt und das Gas entsprechend verdrängt. Der erfolgreiche Abschluss des Zusammensteckens der beiden Ladestecker miteinander kann automatisch detektiert werden oder aber manuell von der Bediener-Person an der Ladeanordnung bestätigt werden. In jedem Fall wird die Ladekabel-Kühlleitung erst dann mit der Kühlflüssigkeit gefüllt, wenn die manuelle Handhabung zum elektrischen Verbinden der Ladeanordnung mit dem Kraftfahrzeug abgeschlossen ist.
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Während der manuellen Handhabung und Herstellung der elektrischen Verbindung ist die Ladekabel-Kühlleitung also stets mit Gas, nicht mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt, so dass das Gewicht des Ladekabels erheblich verringert ist. Hierdurch wird die Handhabung insbesondere des Ladekabels erheblich vereinfacht. Dennoch steht während des elektrischen Ladevorgangs eine leistungsstarke Flüssigkeitskühlung zur Verfügung, so dass hohe Ladeleistungen und kurze Ladezeiten realisiert werden können.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass nach dem elektrischen Aufladen der Traktionsbatterie und vor dem Trennen der beiden Ladestecker voneinander vorgesehen ist, dass die Ladekabel-Kühlleitung wieder entleert wird, so dass die Kühlflüssigkeit in den Kühlflüssigkeits-Tank fließt und dort gespeichert wird, so dass die Kühlleitung vollständig mit Gas gefüllt wird. Anschließend kann der Ladestecker von der Bediener-Person manuell von dem fahrzeugseitigen Ladestecker wieder getrennt werden und der Ladestecker an der Ladestation aufgehängt werden. Auch während dieses manuellen Vorgangs ist die Kühlleitung nicht mit Kühlflüssigkeit gefüllt, sondern mit einem Gas, beispielsweise Luft, so dass das gesamte Ladekabel relativ leicht ist, was die Handhabung erheblich vereinfacht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vor dem Zusammenstecken des Ladeanordnungs-Ladesteckers mit dem Fahrzeug-Ladestecker vorgesehen, dass das Ladekabel aktiv erwärmt wird. Die Erwärmung des Ladekabels kann beispielsweise über die Kühlflüssigkeit erfolgen, bevor die Kühlleitung geleert wird. Alternativ oder ergänzend kann die Erwärmung jedoch auch über eine hiervon getrennte Ladekabel-Heizung erfolgen, beispielsweise durch eine elektrische Ladekabel-Heizung. Durch die Erwärmung des Ladekabels wird die temperaturbedingte Steifigkeit des Ladekabels verringert bzw. seine Flexibilität verbessert. Insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen kann auf diese Weise die Biegsamkeit des Ladekabels erheblich verbessert werden, so dass für den Vorgang des manuellen Zusammensteckens der Ladestecker relativ geringe Handhabungskräfte ausreichend sind.
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Vorzugsweise verläuft mindestens ein Strang der Ladekabel-Kühlleitung in einer Schraubenlinie innerhalb des Ladekabels. Besonders bevorzugt verlaufen beide Stränge der Ladekabel-Kühlleitung in einer Schraubenlinie innerhalb des Ladekabels. Unter einem Strang wird ein Strömungsrichtungs-Abschnitt der gesamten Ladekabel-Kühlleitung verstanden, also der Teilabschnitt der Kühlleitung, in dem die Kühlflüssigkeit zum Ladestecker hin fließt oder der Teilabschnitt der Kühlleitung, in dem die Kühlflüssigkeit zu der landseitigen Ladestation zurückfließt. Durch die Verlegung der Ladekabel-Kühlleitung in einer Schraubenlinie wird zum Einen eine relativ hohe Wärme-Austauschfläche zwischen der Kühlleitung und den übrigen Bereichen des Ladekabels sichergestellt, und wird zum Anderen die Biegsamkeit des gesamten Ladekabels verbessert.
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Vorzugsweise weist der Ladestecker eine Zweihand-Griffanordnung mit zwei einander gegenüberliegenden Griffbügeln auf. Der Ladestecker kann also mit zwei Händen ergriffen und insbesondere beim Zusammenstecken der beiden Ladestecker kraftvoll und gezielt geführt und appliziert werden.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1a und 1b schematisch alle Komponenten einer stationären Ladeanordnung zum Laden einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, und
- 2 einen Ladestecker einschließlich einer Zweihand-Griffanordnung der Ladeanordnung der 1 in perspektivischer Ansicht.
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In den 1a und 1b ist eine stationäre Ladeanordnung 10 zum Laden einer Traktionsbatterie 92 eines Kraftfahrzeugs 90 schematisch dargestellt. Es handelt sich vorliegend um eine Schnelllade-Ladeanordnung und um eine Traktionsbatterie für eine Fahrzeug-Reichweite von über 300 km, also um eine Traktionsbatterie mit einer relativ hohen Kapazität. Für eine schnelle elektrische Aufladung der Traktionsbatterie 92 sind daher Ladeströme von bis zu mehreren 100 A erforderlich. Derartig hohe Ladeströme erfordern eine Hochleistungs-Flüssigkeitskühlung der wärmekritischen Teile der Ladeanordnung 10. Gegebenenfalls kann diese landseitige Flüssigkeitskühlung auch das fahrzeugseitige Kühlsystem unterstützen, solange das Ladekabel mit dem Fahrzeug verbunden ist.
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Die Ladeanordnung 10 weist eine landseitige stationäre Ladestation 20 auf, die unter anderem einen Kühlflüssigkeits-Tank 22, eine Ladeanordnungs-Steuerung 33 sowie eine Mimik zum Kühlen, Pumpen und Steuern der Kühlflüssigkeit aufweist. Ferner weist die Ladestation 20 eine Ladeelektronik 21 auf, durch die die elektrische Ladeenergie gesteuert und zur Verfügung gestellt wird.
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Der Kühlkreis besteht aus dem Kühlflüssigkeits-Tank 22 mit einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise einem Glykol-Wasser-Gemisch, einer Tankpumpe 26, einem Dreiwege-Kühlflüssigkeitsventil 28, einem Dreiwege-Belüftungsventil 32, einem Lufttank 36, einem Luftkompressor 38, der über eine Belüftungsöffnung 39 fluidisch mit der Umgebung verbunden ist, einem Wärmetauscher 30 zum Kühlen der Kühlflüssigkeit, sowie einer Umwälzpumpe 34.
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Die Ladestation 20 ist fluidisch und elektrisch durch ein komplex aufgebautes Ladekabel 40 mit dem Ladestecker 60 verbunden, der elektrisch mit einem korrespondierenden Kraftfahrzeug-Ladestecker 94 zusammensteckbar ist, um die Traktionsbatterie 92 mit elektrischer Energie aufladen zu können. Das Ladekabel 40 weist eine Kühlleitung 50 auf, die einen Zufluss-Strang und einen Abfluss-Strang aufweist, die in dem Ladeanordnungs-Ladestecker 60 über eine Schleife 62 fluidisch miteinander verbunden sind. Beide Stränge der Kühlleitung 50 verlaufen innerhalb des Ladekabels 40 jeweils in einer Schraubenlinie. Innerhalb des von dem Ladekabel 40 umgebenen Innenraums sind elektrische Ladeleitungen 46 angeordnet. Sowohl die elektrischen Ladeleitungen 46 als auch die Kühlleitung 50 sind in eine elastischen Füllmasse 44 eingebettet, die von einer Schutzhülle 42 umgeben ist.
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Wie in 2 dargestellt ist, weist der Ladestecker 60 eine Zweihand-Griffanordnung 70 mit zwei einander gegenüberliegenden Griffbügeln 71, 72 auf, die die Zweihand-Griffanordnung bilden 70.
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Die Handhabung der Ladeanordnung 10 ist wie folgt:
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Im Allgemeinen ist bei Nichtbenutzung der Ladeanordnung 10 die Ladekabel-Kühlleitung 50 entleert, so dass die Kühlflüssigkeit 24 vollständig in dem Kühlflüssigkeits-Tank 22 der Ladestation 20 gespeichert ist. Die Kühlleitung 50 ist dann also ausschließlich mit Luft gefüllt. Allerdings kann die Ladekabel-Kühlleitung 50 bei Nichtbenutzung auch mit Kühlflüssigkeit gefüllt sein, die beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen dazu genutzt werden kann, das Ladekabel 40 dauerhaft auf eine Temperatur von über 0°C zu erwärmen.
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Sobald die Steuerung 33 einen Ladewunsch registriert, wird durch die Steuerung zunächst geprüft, ob das Ladekabel 40 eine ausreichend hohe Handhabungs-Temperatur aufweist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird das Ladekabel 40 über die Kühlflüssigkeit in der Kühlleitung 50 erwärmt, indem die zirkulierende Kühlflüssigkeit in dem Wärmetauscher 30 elektrisch entsprechend erwärmt wird. Die Handhabungstemperatur, auf die das Ladekabel 40 erwärmt wird, kann beispielsweise 20°C betragen.
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Sobald bzw. wenn die Steuerung 33 eine ausreichend hohe Handhabungs-Temperatur des Ladekabels 40 feststellt und der Ladewunsch (unverändert) vorliegt, wird durch die Steuerung 33 geprüft, ob die Ladekabel-Kühlleitung 50 mit Kühlflüssigkeit gefüllt ist. Sollte dies der Fall sein, wird anschließend das Entleeren der Ladekabel-Kühlleitung 50 initiiert. Hierzu wird aus dem mit Druckluft gefüllten Lufttank 36 über das entsprechend geöffnete Belüftungsventil 32 Druckluft in die Kühlleitung 50 gepumpt. Gleichzeitig kann die Umwälzpumpe 34 in Betrieb sein, das Kühlflüssigkeitsventil 28 entsprechend geschaltet und die Tankpumpe 26 in Betrieb sein, so dass die Kühlflüssigkeit aus der Kühlleitung 50 vollständig in den Kühlflüssigkeitstank 22 abgepumpt und durch Luft ersetzt wird. Sobald die Kühlleitung 50 von Kühlflüssigkeit entleert und vollständig mit Luft gefüllt ist, werden die Ventile 32, 28 und die Pumpe 26 in ihren jeweiligen Handhabungs-Zustand gebracht, so dass keine Fluidbewegung in der Kühlleitung 50 mehr stattfindet.
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Durch die Steuerung 33 wird der Bediener-Person akustisch und/oder optisch signalisiert, dass der Ladestecker 60 nun an dem korrespondierenden Fahrzeug-Ladestecker 94 appliziert werden kann. Hierzu ergreift die Bediener-Person beidhändig die beiden Griffbügel 71, 72 der Griffanordnung 70 und dockt den Ladestecker 60 an den korrespondierenden Fahrzeug-Ladestecker 94 des Fahrzeugs 90 mechanisch und elektrisch an.
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Nachdem die Bediener-Person den Ladestecker 60 an den korrespondierenden Fahrzeug-Ladestecker 94 appliziert hat, wird dies der Steuerung 33 manuell oder automatisch signalisiert. Daraufhin werden von der Steuerung 33 alle Pumpen 26, 34, 38 derart aktiviert und die Ventile 28, 32, 34 derart geschaltet, dass die Kühlflüssigkeit 24 aus dem Kühlflüssigkeitstank 22 in die Kühlleitung 50 fließt und diese auffüllt, und gleichzeitig die Luft aus der Kühlleitung 50 über das Belüftungsventil 32, den Lufttank 36, den fluidisch kurzgeschlossenen Luftkompressor 38 und die Belüftungsöffnung 39 in die Umgebung ausgeschoben wird.
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Sobald die Kühlleitung 50 vollständig mit Kühlflüssigkeit gefüllt ist, startet die Steuerung 33 den Ladevorgang und aktiviert die Ladekabel-Kühlung, indem die Umwälzpumpe 34 aktiviert wird, so dass die Kühlflüssigkeit in der Kühlleitung 50 ständig zirkuliert und in dem Wärmetauscher 30 gekühlt wird.
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Sobald der Steuerung 33 signalisiert wird, dass der Ladevorgang beendet ist, veranlasst die Steuerung, dass die Kühlleitung 50 wieder entleert wird, was genauso erfolgt, wie oben bereits beschrieben. Sobald die Kühlleitung 50 vollständig entleert ist, wird dies der Benutzer-Person entsprechend signalisiert, so dass sie die Ladestecker 60, 94 voneinander trennen und den Ladeanordnungs-Ladestecker 60 einschließlich des Ladekabels 40 an der Ladestation 20 aufhängen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015112347 A1 [0002]
