DE102019121396A1

DE102019121396A1 - Ladevorrichtung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019121396A1
Application number: DE102019121396.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Holler
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-09-17
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2020-03-19

Abstract

Eine Ladevorrichtung (30) zum Laden eines Energiespeichers (50) hat eine Steuervorrichtung (32), einen Signalgenerator (34) zur Erzeugung eines Steuersignals (40) und eine Empfangseinheit (35) zum Empfangen eines Temperatursignals (58) und eines Ladezustandssignals (58), welcher Steuervorrichtung (32) das Steuersignal (40) zuführbar ist, um die Höhe des Ladestroms oder der Ladeleistung zu beeinflussen, welche Ladevorrichtung (30) dazu ausgebildet ist, wiederholt erste Steuersignalabschnitte (60) zu erzeugen, in welchen ersten Steuersignalabschnitten (60) das Steuersignal (40) zu Beginn für eine vorgegebene erste Zeitdauer (T1) innerhalb eines ersten Wertebereichs (41) ist und danach für eine vorgegebene zweite Zeitdauer (T2) innerhalb eines zweiten Wertebereichs (42) ist, wobei der erste Wertebereich (41) einer stärkeren Ladeleistung zugeordnet ist als der zweite Wertebereich, und wobei der erste Wertebereich (41) als Funktion des Temperatursignals (58) und des Ladezustandssignals (58) vorgegeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung für ein Fahrzeug.
Die JP 2010 259308 A zeigt einen Ladevorgang, bei dem die Ladesteuerung eine Ladung mit einer maximalen Lademenge durchführt, wobei elektrische Ladeenergie zu Hilfsgeräten wie einer Klimaanlage oder einem Wärmespeicher zugeführt wird.
Die CN 107 317 067 A zeigt eine Wärmesteuervorrichtung für eine Batterie, bei der dann, wenn die Batterietemperatur unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt, eine Erhöhung der Batterietemperatur stattfindet, indem die Batterie abwechselnd aufgeladen und entladen wird.
Die US 2010 085019 A zeigt ein Batterietemperatursteuersystem, welches einen maximalen Ladestrom und einen maximalen Entladestrom in Abhängigkeit des Stroms, der Spannung und der Temperatur einer Hochvoltbatterie bestimmt und anschließend eine Begrenzung des Ladestroms auf den maximalen Ladestrom und des Entladestroms auf den maximalen Entladestrom durchführt.
Die WO 2017/099649 A1 zeigt ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Hybridbatterie und einer Zubehörbatterie. Wenn in einem ersten Zustand die Ladezeitdauer nicht festgelegt ist, wird ein maximaler Ladestrom der Zubehörbatterie zugeführt, wenn deren Ladezustand unter einem Grenzwert ist, um den Anlasser bedienen zu können. Falls der Ladezustand dagegen über dem Grenzwert liegt, wird der Hybridbatterie ein maximaler Ladestrom zugeführt. Falls dagegen in einem zweiten Zustand die Ladezeitdauer festgelegt ist, wird der Ladezustand der Hybridbatterie und der Zubehörbatterie bestimmt, und die Ladung erfolgt wenn möglich mit einem nicht maximalen Ladestrom derart, dass am Ende der Ladezeitdauer die Batterien voll sind.
Die GB 254280 B zeigt ein Batteriemanagementsystem mit einer Steuerung und einem Temperatursensor, welcher die Temperatur der Batterie bestimmt. Die Steuerung steuert den Ladestrom in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur, und die Zellen werden balanciert, wenn der Ladestrom eine vorgegebene Obergrenze überschreitet.
Die US 2005/099162 A1 zeigt ein System und ein Verfahren zum Laden einer Batterie. Ein Erregerstrom-Impuls wird angewandt, um den Batterietyp und die Batteriefunktion zu überprüfen. Anschließend wird eine erste Pulsgruppe mit ersten und zweiten Strompulsen ausgegeben. Wenn ein erster Parameter einen vorgegebenen Wert überschreitet, erfolgt ein Wechsel zu einer zweiten Pulsgruppe. Hierbei kann der erste Parameter eine Batteriespannung, eine Ladezeit oder eine Batterietemperatur sein. Nach den Pulsgruppen folgt ein einzelner Stromimpuls.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Ladevorrichtung bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Eine Ladevorrichtung zum Laden eines Energiespeichers, insbesondere für ein Fahrzeug, hat eine Steuervorrichtung, einen Signalgenerator zur Erzeugung eines Steuersignals und eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Temperatursignals und eines Ladezustandssignals, welcher Steuervorrichtung das Steuersignal zuführbar ist, um die Höhe des Ladestroms oder der Ladeleistung zu beeinflussen, welche Ladevorrichtung dazu ausgebildet ist, wiederholt erste Steuersignalabschnitte zu erzeugen, in welchen ersten Steuersignalabschnitten das Steuersignal zu Beginn für eine vorgegebene erste Zeitdauer innerhalb eines ersten Wertebereichs ist und danach für eine vorgegebene zweite Zeitdauer innerhalb eines zweiten Wertebereichs ist, wobei der erste Wertebereich einer stärkeren Ladeleistung zugeordnet ist als der zweite Wertebereich, und wobei der erste Wertebereich als Funktion des Temperatursignals und des Ladezustandssignals vorgegeben ist. Es hat sich gezeigt, dass mit einer solchen Ladevorrichtung durchschnittlich eine höhere Ladeleistung erzielbar ist als bei einem Ladevorgang mit einer konstanten Ladeleistung.
Die Steuervorrichtung weist einen Regler auf, welchem das Steuersignal als Sollwert zuführbar ist. Der Regler ist als Ladestromregler oder Ladeleistungsregler ausgebildet. Durch die Verwendung eines Ladestromreglers oder Ladeleistungsreglers kann der Ladevorgang sehr genau gesteuert werden, und die Gefahr einer Zerstörung des Energiespeichers durch eine zu hohe Ladung wird verringert oder verhindert.
Die Ladevorrichtung weist eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Temperatursignals und eines Ladezustandssignals auf, und der erste Wertebereich wird als Funktion des Temperatursignals und des Ladezustandssignals vorgegeben. Die Vorgabe des ersten Wertebereichs in Abhängigkeit vom Temperatursignal und Ladezustandssignal ermöglicht einen optimierten Ladestrom in einer Höhe, die bei der gegebenen Temperatur möglich ist. Bei geringen Temperaturen kann somit eine Beschädigung des Energiespeichers vermieden werden, und bei hohen Temperaturen kann mit einem hohen Ladestrom geladen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform fließt auch beim zweiten Wertebereich ein Ladestrom, der größer als 0 A ist. Der Energiespeicher kann sich auch bei einem Ladestrom, der größer ist als 0 A, erholen. Durch diese Maßnahme steigt die durchschnittliche Ladeleistung weiter an.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich das Steuersignal vom Beginn eines ersten Steuersignalabschnitts bis zum Beginn eines darauffolgenden Steuersignalabschnitts in einem Wertebereich, bei dem ein Ladestrom fließt. Es kann also kontinuierlich eine Ladung mit einem Ladestrom erfolgen, und hierdurch ist eine hohe durchschnittliche Ladeleistung erzielbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Wertebereich zumindest teilweise einem Ladestrom von 0 A zugeordnet. Hierdurch ist eine schnellere Regenerierung des Energiespeichers möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Signalgenerator dazu ausgebildet, die zweite Zeitdauer eines ersten Steuersignalabschnitts unmittelbar nach dem Ende der ersten Zeitdauer dieses ersten Steuersignalabschnitts zu beginnen. Die zweite Zeitdauer beginnt somit direkt nach der ersten Zeitdauer, und der Energiespeicher kann sich chemisch erholen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Signalgenerator dazu ausgebildet, die erste Zeitdauer eines ersten Steuersignalabschnitts unmittelbar nach dem Ende einer zweiten Zeitdauer des vorhergehenden Steuersignalabschnitts zu beginnen. Hierdurch findet die Ladung mit der höheren Ladeleistung unmittelbar nach der zweiten Dauer statt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Steuersignal während der vorgegebenen ersten Zeitdauer konstant. Dies erleichtert einer Ladesteuerung oder Laderegelung die Arbeit, und ein Überschwingen wird verhindert oder reduziert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Steuersignal während der vorgegebenen zweiten Zeitdauer konstant. Dies erleichtert einer Ladesteuerung oder Laderegelung die Arbeit, und ein Überschwingen wird verhindert oder reduziert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gesamtzeitdauer eines ersten Steuersignalabschnitts und eines nachfolgenden Steuersignalabschnitts gleich. Durch die gleichen Gesamtzeitdauern sind die Abschnitte zumindest ähnlich, und es kann eine gute Optimierung durchgeführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der zweite Wertebereich als Funktion des Temperatursignals vorgegeben. Wie bei der Vorgabe des ersten Wertebereichs ist auch die Vorgabe des zweiten Wertebereichs als Funktion des Temperatursignals vorteilhaft, und es kann in Abhängigkeit von der Temperatur eine stärkere Regenerierung durch einen geringeren Ladestrom erfolgen, und umgekehrt kann bei höheren Temperaturen auch ein zweiter Wertebereich mit höheren Ladeströmen verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die erste Zeitdauer mindestens 20 % des ersten Steuersignalabschnitts, bevorzugt mindestens 35 %. Durch diesen Mindestanteil kann eine hohe Ladeleistung erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die zweite Zeitdauer mindestens 20 % des ersten Steuersignalabschnitts, bevorzugt mindestens 35 %. Dies ergibt eine hinreichende Erholung zwischen den ersten Zeitdauern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform betragen die erste Zeitdauer und die zweite Zeitdauer zusammen mindestens 80 % der Gesamtzeitdauer des ersten Steuersignalabschnitts, bevorzugt mindestens 90 %. Die Übergangsbereiche werden also klein gehalten, und hauptsächlich wird mit einem zulässigen hohen Ladestrom geladen, oder es erfolgt eine Regenerierung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Gesamtzeitdauer des ersten Steuersignalabschnitts im Bereich 0,5 s bis 300 s, bevorzugt im Bereich 5 s bis 300 s, weiter bevorzugt im Bereich 5 s bis 300 s. In diesem Bereich kann sich die Steuerelektronik gut auf die Ladeimpulse im ersten Wertebereich einstellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die maximale durchschnittliche Ladeleistung während des ersten Steuersignalabschnitts bei gleichem Temperatursignal und gleichem Ladezustandssignal höher vorgegeben als die maximal mögliche Ladeleistung bei einem kontinuierlichen, konstanten Ladebetrieb. Diese Vorgabe wird möglich durch die Aufteilung in den ersten und zweiten Wertebereich, und sie führt zu einem schnelleren Ladevorgang.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ladevorrichtung eine gespeicherte Tabelle auf, welche Tabelle den maximal zulässigen Ladestrom während der vorgegebenen ersten Zeitdauer in Abhängigkeit vom Temperatursignal und vom Ladezustandssignal definiert. Die Tabelle ermöglicht eine schnelle Ermittlung des maximal zulässigen Ladestroms während der ersten Zeitdauer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Wertebereich als Funktion des Temperatursignals und des Ladezustandssignals derart vorgegeben, dass der Ladestrom in Abhängigkeit vom Temperatursignal zumindest bereichsweise steigt, wenn die dem Temperatursignal zugeordnete Temperatur bei unverändertem Ladezustandssignal steigt. Wenn also bei gleichem Ladezustandssignal einmal eine niedrigere Temperatur und einmal eine höhere Temperatur vorhanden ist, kann bei der höheren Temperatur ein höherer Ladestrom verwendet werden. Dies ist insbesondere bei niedrigen Temperaturen relevant, bei denen die maximal möglichen Ladeströme vergleichsweise gering sind. Sofern die Funktion Stufen aufweist, kann der Ladestrom bereichsweise trotz steigender Temperatur gleich bleiben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Wertebereich als Funktion des Temperatursignals und des Ladezustandssignals derart vorgegeben, dass der Ladestrom in Abhängigkeit vom Ladezustandssignal zumindest bereichsweise sinkt, wenn der dem Ladezustandssignal zugeordnete Ladezustand bei unverändertem Temperatursignal steigt. Bei unveränderter Temperatur sinkt somit der Ladestrom mit steigendem Ladezustand. Hierdurch wird ein zu hoher Ladestrom bei steigendem Ladezustand vermieden, wobei bei niedrigem Ladezustand ein vergleichsweise hohe Ladestrom möglich ist. Sofern die Funktion Stufen aufweist, kann der Ladestrom bereichsweise trotz steigendem Ladezustand gleich bleiben
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:

1 in schematischer Darstellung einen Ladepunkt und ein am Ladepunkt angeschlossenes Fahrzeug,
2 in schematischer Darstellung ein Diagramm mit einem konstanten maximalen Ladestrom,
3 eine Tabelle mit schematischer Angabe des maximalen Ladestroms bei einem Ladestrom entsprechend 2 in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur T und dem Ladezustand SOC,
4 ein Diagramm mit dem Steuersignal für eine erste Ausführungsform der Erfindung,
5 ein Diagramm mit dem Ladestrom in Abhängigkeit vom Steuersignal von 4,
6 eine Tabelle mit schematischer Angabe des maximalen Ladestroms bei einem Ladestrom entsprechend 5 in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur T und dem Ladezustand SOC,
7 ein Diagramm mit dem Steuersignal für eine zweite Ausführungsform der Erfindung,
8 ein Diagramm mit dem Ladestrom in Abhängigkeit vom Steuersignal von 7,
9 ein Diagramm mit dem Steuersignal für eine dritte Ausführungsform der Erfindung,
10 ein Diagramm mit dem Steuersignal für eine vierte Ausführungsform der Erfindung, und
11 ein Diagramm mit dem Steuersignal für eine fünfte Ausführungsform der Erfindung,

1 zeigt in schematischer Darstellung einen Ladepunkt 10 und ein an dem Ladepunkt 10 angeschlossenes Fahrzeug 20. Der Ladepunkt 10 hat eine Ladepunktsteuerung LP_CTRL 12, welcher über eine Leitung 14 elektrische Energie zuführbar ist, und welche über eine Leitung 16 elektrische Energie an das Fahrzeug 20 liefern kann. Über die Leitungen 14 bzw. 16 kann jeweils ein Gleichstrom und/oder ein Wechselstrom übertragen werden. Der Begriff Leitung umfasst in Abhängigkeit vom Anwendungsfall einen oder mehrere Leiter, beispielsweise Drähte Litzen oder Schienen.
Das Fahrzeug 20 hat eine Ladevorrichtung 30, welche eine Steuervorrichtung 32 und einen Signalgenerator 34 zur Erzeugung eines Steuersignals 40 aufweist. Das Steuersignal 40 wird vom Signalgenerator 34 der Steuervorrichtung 32 zugeführt. Die Steuervorrichtung 32 ist dazu ausgebildet, die Höhe des Ladestroms oder die Höhe der Ladeleistung in Abhängigkeit vom Steuersignal 40 zu beeinflussen. Hierzu weist die Steuervorrichtung 32 bevorzugt eine Ladestromsteuerung, einen Ladestromregler, eine Ladeleistungssteuerung oder einen Ladeleistungsregler auf, welche beispielhaft einzeln oder zusammen mit 33 gekennzeichnet sind.
Die Steuervorrichtung 32 ist über eine Leitung 51 mit einem Energiespeicher BAT 50 verbunden und über eine Leitung 53 mit weiteren Verbrauchern EQUIP 52. Der Energiespeicher 50 ist über eine Leitung 54 mit der Steuervorrichtung 32 verbunden, und über die Leitung 54 können Daten, wie bspw. ein Temperatursignal 58 für die Temperatur T des Energiespeichers 50 oder ein Ladezustandssignal 58 für den Ladezustand SOC (State Of Charge) übertragen werden, wobei bevorzugt sowohl das Temperatursignal 58 als auch das Ladezustandssignal 58 übertragen werden. Hierzu hat die Steuervorrichtung 32 bevorzugt eine Empfangseinheit 35. Die Steuervorrichtung 32 ist über eine Leitung 56 mit dem Signalgenerator 34 verbunden, um diesem Daten, wie bspw. das Temperatursignal 58 für die Temperatur T des Energiespeichers 50 und/oder den Ladezustand, zu übermitteln.
Der Energiespeicher 50 ist bevorzugt eine Lithium-Ionen Akkumulator oder ein Nickel-Zink-Akkumulator.
2 zeigt in schematischer Darstellung ein Diagramm, in dem der maximale Ladestrom in Ampere (A) über die Zeit in Sekunden (s) aufgetragen ist. Gezeigt ist ein nicht erfindungsgemäßer Ladebetrieb, bei dem kontinuierlich mit einem maximal zulässigen Ladestrom 43A geladen wird. Der Mittelwert 44A des Ladestroms 43A stimmt somit mit dem Ladestrom 43A überein. Der maximale Ladestrom beträgt 2 A, und dieser Wert tritt beispielsweise bei einem getesteten Energiespeicher 50 bei einem Ladezustand von 90 % und einer Temperatur von -30 °C auf.
Die Ladeenergie, die in diesem Ausführungsbeispiel eines Ladebetriebs in einem Zeitintervall von 36 s und bei einer Gleichspannung von 400 Volt (V) übertragen werden kann, ergibt sich gemäß der Formel $\begin{array}{l} E_{12} = I_{L} \cdot U_{L} \cdot Δ t = 2 A \cdot 400V \cdot 36s \\ = 28.800 Ws = 8 Wh \end{array}$
mit der Ladestromstärke I_L (Ampere), der Ladespannung U_L (Volt) und der Ladezeit Δt (Sekunden). Da die Ladezeit eine Zeitdauer ist, ist ihr das Δ (Delta) vorangestellt.
Das angegebene Zeitintervall Δt von 36 Sekunden dient dem besseren Vergleich zu den späteren Ausführungsbeispielen.
3 zeigt eine Tabelle, in der vereinfacht angegeben ist, welcher maximale Ladestrom I_{L_max} (T, SOC) in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur T des Energiespeichers 50 und in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC des Energiespeichers 50 möglich ist.
Die eingezeichneten Zustände S0 bis S5 kennzeichnen Zustände, bei denen der maximal zulässige Ladestrom I_{L_max} innerhalb der folgenden Bereiche liegt:

S0: 0-3 A
S1: 4-10 A
S2: 11-50 A
S3: 51-100 A
S4: 101-200 A
S5: 201 A und mehr.

Die Anzahl und der Wertebereich der Zustände kann auch anders aufgeteilt werden, und es erfolgt bevorzugt eine Anpassung an den verwendeten Energiespeicher 50.
Der Energiespeicher 50 kann mit niedrigeren Ladeströmen als dem maximalen Ladestrom geladen werden, wenn beispielsweise viel Zeit zum Laden vorhanden ist. Im kontinuierlichen Ladebetrieb kann jedoch ein höherer Ladestrom zu einer Zerstörung des Energiespeichers 50 führen.
Qualitativ ist zu erkennen, dass der maximale Ladestrom mit zunehmender Temperatur des Energiespeichers 50 ansteigt. Bei einer Temperatur von 50 °C kann der Energiespeicher 50 mit hohen bis mittleren Strömen geladen werden, bis er voll ist. Bei einer niedrigen Temperatur von -30 °C kann bei einem Ladezustand von 0 % bis 20 % ein Ladebetrieb mit niedrigem Ladestrom erfolgen, ab einem Ladezustand von 35 % ist kaum noch ein Ladevorgang möglich. Der maximale Ladestrom wird also in Abhängigkeit von dem Temperaturwert und dem Ladezustandswert bestimmt.
Bei sehr niedrigen maximalen Ladeströmen kommt ein weiteres Problem hinzu. Die Leistungselektronik von Ladevorrichtungen benötigt häufig einen Mindestladestrom I_{L_min} , um einen stabilen Ladevorgang zu ermöglichen. So kann es bspw. bei Resonanz-Wandlern bei sehr niedrigen Ladeströmen dazu kommen, dass diese nicht mehr stabil arbeiten. Mit vergleichsweise hohem Aufwand kann die Leistungselektronik dazu ausgebildet werden, auch bei niedrigen Ladeströmen zu funktionieren. Dies ist jedoch mit hohen Kosten und größerem Gewicht verbunden. Mathematisch ausgedrückt kann man sagen, dass ein Ladevorgang nur möglich ist, wenn Folgendes gilt: $I_{L_min} < = I_{L_max} (T, SOC)$
Um auch bei niedrigen Temperaturen laden zu können, kann der Energiespeicher 50 vor dem Ladevorgang aufgeheizt werden, wobei dies zu zusätzlichem Energieverlust durch Umwandlung der elektrischen Energie in Wärme führt. Hierdurch erhöht sich zudem die Ladezeit, und der Gesamtladewirkungsgrad verschlechtert sich.
4 zeigt ein Steuersignal 40, und 5 zeigt einen aus dem Steuersignal 40 resultierenden Ladestrom 43 über die Zeit t in Sekunden. Dargestellt ist ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Ladebetrieb. Hierbei wird der Energiespeicher nicht fortdauernd mit dem maximal zulässigen Ladestrom geladen, sondern das Steuersignal 40 ist für eine vorgegebene erste Zeitdauer T1 eines ersten Wertebereichs 41 und danach für eine vorgegebene zweite Zeitdauer T2 innerhalb eines zweiten Wertebereichs 42. Der erste Wertebereich 41 umfasst im Ausführungsbeispiel beispielhaft den Wert 200, das Steuersignal 40 ist also während der ersten Zeitdauer T1 konstant. Der zweite Wertebereich 42 während der zweiten Zeitdauer T2 beträgt 0, das Steuersignal 40 ist somit auch während der zweiten Zeitdauer T2 konstant. Die Gesamtzeitdauer des ersten Steuersignalabschnitts 60 ist mit TG bezeichnet.
Es sind erste Steuersignalabschnitte 60 definiert, die jeweils mit der ersten Zeitdauer T1 beginnen. Die zweite Zeitdauer T2 folgt nach Ende der ersten Zeitdauer. Im Folgenden wird zur besseren Vergleichbarkeit der Beginn des ersten Steuersignalabschnitts 60 mit dem Beginn der ersten Zeitdauer gleichgesetzt.
Der durch das Steuersignal 40 erzeugte Ladestrom 43 ist in 5 dargestellt, und er wechselt entsprechend dem Steuersignal 40 zwischen einem hohen Ladestrom I = 10 A und einem niedrigen Ladestrom I = 0 A (kein Ladestrom) hin und her. Es hat sich gezeigt, dass bei demselben Energiespeicher 50 von 2 und 3 mit einem gepulsten Ladebetrieb gemäß 4 und 5 zeitweise ein deutlich höherer maximaler Ladestrom I = 10 A möglich ist, während der maximale Ladestrom in 2 nur 2 A beträgt. Es wird vermutet, dass die starke Erhöhung des maximalen Ladestroms damit zusammenhängt, dass sich der Energiespeicher 50 während der zweiten Zeitdauer T2 chemisch regenerieren kann.
Die mit dieser Ladestrategie maximal erreichbare Ladeenergie innerhalb eines Zeitintervalls von 36 Sekunden und bei einer Gleichspannung von 400 Volt beträgt $\begin{matrix} E_{12} = I_{L} \cdot U_{L} \cdot Δ t = 10 A \cdot 400V \cdot 18 s + 0 A \cdot 400 V \cdot 18 s \\ = 72.000 Ws = 20 Wh \end{matrix}$
Die maximale durchschnittliche Ladeleistung erhöht sich somit bei dieser Ladestrategie um den Faktor 2,5 gegenüber dem kontinuierlichen, konstanten Ladebetrieb von 2, vgl. Gleichung (1).
6 zeigt eine Tabelle entsprechend 3, wobei der maximale Ladestrom I_{L_max} (T, SOC) während der ersten Zeitdauer T1 über die Temperatur T des Energiespeichers 50 und den Ladezustand SOC des Energiespeichers 50 aufgetragen ist. Die Zustände S0 bis S5 entsprechen den bei 3 beschriebenen Zustandsbereichen. Der maximale Ladestrom I_{L_max} (T, SOC) während der ersten Zeitdauer T1 wird also in Abhängigkeit vom Temperatursignal und vom Ladezustandssignal bestimmt. Qualitativ ist wie bei 3 zu erkennen, dass der maximale Ladestrom mit zunehmender Temperatur des Energiespeichers 50 ansteigt. Bei einer Temperatur von 0 °C kann der Energiespeicher 50 mit hohen bis mittleren maximalen Ladeströmen während der Zeitdauer T1 geladen werden, bis er voll ist. Auch bei einer niedrigen Temperatur von -30 °C ein Ladebetrieb mit niedrigem Ladestrom erfolgen.
Die Ladevorrichtung 30 weist eine solche gespeicherte Tabelle auf, welche Tabelle den maximal zulässigen Ladestrom I_{L_max} (T, SOC) während der vorgegebenen ersten Zeitdauer T1 in Abhängigkeit vom Temperatursignal und vom Ladezustandssignal definiert. Die Tabelle kann beispielsweise als Parameterfeld gespeichert werden oder als Liste von Tupeln, welche Tupel jeweils einen Temperatursignalwert, einen Ladezustandssignalwert und einen zugeordneten maximal zulässigen Ladestrom I_{L_max} (T, SOC) aufweisen. Zwischen den einzelnen Werten der Tabelle kann interpoliert werden, oder es kann mit entsprechenden Stufen bzw. Bereichen gearbeitet werden.
Es ist deutlich zu erkennen, dass beim Ladebetrieb entsprechend 4 und 5 während der ersten Zeitdauer T1 größere maximale Ladeströme erreichbar sind. Auch bei einer niedrigeren Temperatur von -30 °C und einem Ladezustand von 95 % ist ein Ladevorgang mit einem Ladestrom von 4 A möglich. Ein Ladestrom von 4 A ist häufig bei Leistungselektronik als Mindestladestrom I_{L_min} ausreichend. Bei einer Temperatur von 50 °C und einem Ladezustand von 0 % beträgt der maximale Ladestrom während der Zeitdauer T1 510 A und beim konstanten Ladevorgang entsprechend 2 und 3 beträgt der maximale Ladestrom in diesem Bereich 300 A.
Durch die gepulste Ladung ergibt sich somit im Mittel ein deutlich höherer Ladestrom.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Verlauf des Steuersignals 40 über die Zeit t, und 8 zeigt den daraus resultierenden Ladestrom 43.
Das Signal 40 hat während der ersten Zeitdauer T1 einen Wertebereich 41, der den Wert 200 umfasst. Während der zweiten Zeitdauer T2 hat das Steuersignal 40 den Wertebereich 42, der den Wert 40 umfasst. Das Steuersignal 40 ist also jeweils während der ersten Zeitdauer T1 und während der zweiten Zeitdauer T2 konstant.
8 zeigt den hieraus resultierenden Ladestrom 43, und dieser beträgt während der ersten Zeitdauer T1 10 Ampere und während der zweiten Zeitdauer T2 2 Ampere. Der zweite Wertebereich 42 ist also einem Ladestrom von 2 Ampere zugeordnet, und sowohl während der ersten Zeitdauer T1 als auch während der zweiten Zeitdauer T2 erfolgt ein Laden des Energiespeichers 50. Versuche haben ergeben, dass der Energiespeicher 50 auch während der zweiten Zeitdauer T2 mit einem maximalen Ladestrom von 2 Ampere geladen werden kann, obwohl dieser dem maximalen kontinuierlichen Ladestrom des Energiespeichers 50 entspricht. Der Ladestrom von 2 Ampere ermöglicht somit bei dem untersuchten Energiespeicher 50 eine Regeneration, auch wenn zwischendurch ein höherer Ladestrom von 10 Ampere genutzt wird. Für eine schnellere Erholung ist während der zweiten Zeitdauer T2 ein Ladestrom möglich, der geringer ist als 2 Ampere bzw. allgemein geringer als der maximale Ladestrom beim Laden mit konstantem Ladestrom.
Durch das Steuersignal 40 von 7 wird also ebenfalls eine kontinuierliche Ladung ermöglicht. Die über einen Zeitintervall von 36 Sekunden bei einer Gleichspannung von 400 Volt übertragene elektrische Energie beträgt somit: $\begin{matrix} E_{12} = I_{L} \cdot U_{L} \cdot Δ t = 10 A \cdot 400 V \cdot 18 s + 2 A \cdot 400 V \cdot 18 s \\ = 72.000 Ws + 14.400 Ws = 86.400 Ws \\ = 24 Wh \end{matrix}$
Gegenüber dem kontinuierlichen, konstanten Ladebetrieb von 2 und Gleichung (1) erhöht sich bei dem Ausführungsbeispiel der Ladestrategie der Ladestrom und damit auch die während der Zeitdauer übertragene elektrische Energie um den Faktor 3. Die quantitative Erhöhung ist naturgemäß abhängig von der aktuellen Ladestrategie und dem verwendeten Energiespeicher.
Durch das Wechseln zwischen einem hohen Ladestrom während der ersten Zeitdauer T1 und einem kleineren Ladestrom bzw. einer Ladepause während der zweiten Zeitdauer T2 ergeben sich somit zumindest teilweise folgende Vorteile:

a) Es ist eine Reduzierung der Gesamtladezeit möglich.
b) Auch bei einer Batterie mit Ladezustand 90 % oder 100 % ist ein Aufladen trotz niedriger Temperaturen möglich. Hierbei ist die Grenze in Abhängigkeit von der Batteriegröße und dem Batterietyp konfigurierbar.
c) Der Gesamtwirkungsgrad beim Ladevorgang wird erhöht, da der Energiespeicher 50 nicht aufgewärmt werden muss bzw. eine geringere Aufwärmung erforderlich ist.
d) Die Leistungselektronik muss nicht auf sehr geringe Ladeströme ausgelegt werden, und dies reduziert die Kosten und das Gewicht.

Physikalisch ist weiterhin eine höhere Temperatur T des Energiespeichers 50 dahingehend vorteilhaft, dass höhere Ladeströme möglich sind. Der beschriebene Ladebetrieb kann somit mit einer zusätzlichen Aufheizung des Energiespeichers 50 kombiniert werden.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Steuersignal 40. Ein Steuersignalabschnitt 60 umfasst eine erste Zeitdauer T1 und eine zweite Zeitdauer T2. Während der ersten Zeitdauer T1 ist das Steuersignal 40 innerhalb eines Wertebereichs 41, welcher die Werte 195 bis 200 umfasst. Während der zweiten Zeitdauer T2 ist das Steuersignal 40 in einem zweiten Wertebereich 42, welcher die Werte 40 bis 45 umfasst.
Dabei ist das Steuersignal 40 während der ersten Zeitdauer T1 leicht abfallend generiert, und während der zweiten Zeitdauer T2 ist es leicht ansteigend generiert. Durch diesen leicht abfallenden bzw. leicht ansteigenden Verlauf ist der Sprung zwischen dem ersten Wertebereich 41 und dem zweiten Wertebereich 42 etwas geringer, und dies ist vorteilhaft für die Leistungselektronik.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Steuersignals 40. Ein Steuersignalabschnitt 60 umfasst eine erste Zeitdauer T1 und eine zweite Zeitdauer T2. Das Steuersignal 40 ist während einer Übergangszeitdauer T3 im Bereich zwischen der ersten Zeitdauer T1 und der zweiten Zeitdauer T2 als abfallende Rampe 46 ausgebildet. Während einer Übergangszeitdauer T4 ist auch der Übergangsbereich zwischen der zweiten Zeitdauer T2 eines ersten Steuersignalabschnitts 60A und der ersten Zeitdauer T1 des nachfolgenden Steuersignalabschnitts 60B als ansteigende Rampe 45 ausgebildet. Das Vorsehen der Rampen 45, 46 erleichtert der Leistungselektronik sowohl in der Steuervorrichtung 32 als auch in der Ladepunktsteuerung 12 (vgl. 1) den Übergang und führt zu einem geringeren Überschwingen.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Steuersignals 40. Die Steuersignalabschnitte 60 weisen jeweils während einer ersten Zeitdauer T1 einen Wert in einem ersten Wertebereich 41 auf, welcher den Wert 200 hat. Während der zweiten Zeitdauer T2 liegt das Steuersignal 40 im Wertebereich 42, welcher die Werte 0 bis 40 umfasst. Während der zweiten Zeitdauer T2 hat das Steuersignal 40 anfangs einen Wert 40, der einem Ladestrom von 2 A entspricht, und während der zweiten Hälfte der zweiten Zeitdauer T2 hat das Steuersignal 40 den Wert 0, und der Ladestrom ist auf 0 A reduziert. Durch diese Reduzierung wird die chemische Regenerierung des Energiespeichers 50 verstärkt.
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
Im Ausführungsbeispiel wurde der Zusammenhang der Werte des Steuersignals 40 zum Ladestrom linear angenommen, wobei ein Wert 200 des Steuersignals 40 einem Ladestrom von 10 A entspricht. Dieser Zusammenhang muss naturgemäß nicht linear sein, und für eine höhere Auflösung kann ein Wert 200 bspw. einem Ladestrom von 2 A zugeordnet werden. Der Zusammenhang kann auch so vorgegeben werden, dass über das Steuersignal 40 sowohl ein Ladevorgang als auch ein Entladevorgang gesteuert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010259308 A [0002]
CN 107317067 A [0003]
US 2010085019 A [0004]
WO 2017/099649 A1 [0005]
GB 254280 B [0006]
US 2005099162 A1 [0007]

Claims

Ladevorrichtung (30) zum Laden eines Energiespeichers (50), insbesondere für ein Fahrzeug (20), welche Ladevorrichtung (30) eine Steuervorrichtung (32), einen Signalgenerator (34) zur Erzeugung eines Steuersignals (40) und eine Empfangseinheit (35) zum Empfangen eines Temperatursignals (58) und eines Ladezustandssignals (58) aufweist, welche Steuervorrichtung (32) einen Regler (33) aufweist, welcher Regler als Ladestromregler (33) oder als Ladeleistungsregler (33) ausgebildet ist, welchem Regler (33) das Steuersignal (40) als Sollwert zuführbar ist,, um die Höhe des Ladestroms oder der Ladeleistung zu beeinflussen, welche Ladevorrichtung (30) dazu ausgebildet ist, wiederholt erste Steuersignalabschnitte (60) zu erzeugen, in welchen ersten Steuersignalabschnitten (60) das Steuersignal (40) zu Beginn für eine vorgegebene erste Zeitdauer (T1) innerhalb eines ersten Wertebereichs (41) ist und danach für eine vorgegebene zweite Zeitdauer (T2) innerhalb eines zweiten Wertebereichs (42) ist, wobei der erste Wertebereich (41) einer stärkeren Ladeleistung zugeordnet ist als der zweite Wertebereich, und wobei der erste Wertebereich (41) als Funktion des Temperatursignals (58) und des Ladezustandssignals (58) vorgegeben ist.
Ladevorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher auch beim zweiten Wertebereich (42) ein Ladestrom fließt, der größer als 0 A ist.
Ladevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher sich das Steuersignal (40) vom Beginn eines ersten Steuersignalabschnitts (60A) bis zum Beginn eines darauffolgenden Steuersignalabschnitts (60B) in einem Wertebereich befindet, bei dem ein Ladestrom fließt.
Ladevorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der zweite Wertebereich (42) zumindest teilweise einem Ladestrom von 0 A zugeordnet ist.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Signalgenerator (34) dazu ausgebildet ist, die zweite Zeitdauer (T2) eines ersten Steuersignalabschnitts (60) unmittelbar nach dem Ende der ersten Zeitdauer (T1) dieses ersten Steuersignalabschnitts (60) zu beginnen.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Signalgenerator (34) dazu ausgebildet ist, die erste Zeitdauer (T1) eines ersten Steuersignalabschnitts (60B) unmittelbar nach dem Ende einer zweiten Zeitdauer (T2) des vorhergehenden Steuersignalabschnitts (60A) zu beginnen.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Steuersignal (40) während der vorgegebenen ersten Zeitdauer (T1) konstant ist.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Steuersignal (40) während der vorgegebenen zweiten Zeitdauer (T2) konstant ist.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Gesamtzeitdauer (TG) eines ersten Steuersignalabschnitts (60; 60A) und eines nachfolgenden Steuersignalabschnitts (60; 60B) gleich sind.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der zweite Wertebereich (42) als Funktion des Temperatursignals (58) vorgegeben wird.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die erste Zeitdauer (T1) mindestens 20 % des ersten Steuersignalabschnitts (60) beträgt, bevorzugt mindestens 35 %.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die zweite Zeitdauer (T2) mindestens 20 % des ersten Steuersignalabschnitts (60) beträgt, bevorzugt mindestens 35 %.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die erste Zeitdauer (T1) und die zweite Zeitdauer (T2) zusammen mindestens 80 % der Gesamtzeitdauer (TG) des ersten Steuersignalabschnitts (60) betragen, bevorzugt mindestens 90 %.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Gesamtzeitdauer (TG) des ersten Steuersignalabschnitts (60) im Bereich 0,5 s bis 300 s liegt, bevorzugt im Bereich 1 s bis 300 s, besonders bevorzugt im Bereich 5 s bis 300 s.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die maximale durchschnittliche Ladeleistung während des ersten Steuersignalabschnitts (60) bei gleichem Temperatursignal (58) und gleichem Ladezustandssignal (58) höher vorgegeben ist als die maximal mögliche Ladeleistung bei einem kontinuierlichen, konstanten Ladebetrieb.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine gespeicherte Tabelle aufweist, welche Tabelle den maximal zulässigen Ladestrom (I_L,max(T,SOC)) während der vorgegebenen ersten Zeitdauer (T1) in Abhängigkeit vom Temperatursignal (58) und vom Ladezustandssignal (58) definiert.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der erste Wertebereich (41) als Funktion des Temperatursignals (58) und des Ladezustandssignals (58) derart vorgegeben ist, dass der Ladestrom in Abhängigkeit vom Temperatursignal zumindest bereichsweise steigt, wenn die dem Temperatursignal zugeordnete Temperatur bei unverändertem Ladezustandssignal (58) steigt.
Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der erste Wertebereich (41) als Funktion des Temperatursignals (58) und des Ladezustandssignals (58) derart vorgegeben ist, dass der Ladestrom in Abhängigkeit vom Ladezustandssignal zumindest bereichsweise sinkt, wenn der dem Ladezustandssignal zugeordnete Ladezustand bei unverändertem Temperatursignal (58) steigt.