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GEBIET DER TECHNIK
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Diese Offenbarung betrifft wiederaufladbare Batterien und insbesondere das schnelle Laden von Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen beinhalten eine Hochspannungsbatterie (highvoltage battery- HV-Batterie) zum Versorgen einer oder mehrerer elektrischer Maschinen mit Leistung. Viele Anwendungen verwenden eine Lithium-Ionen-Zellchemie. Die Batterien können unter Verwendung einer privaten oder kommerzieller Ladestation wiederaufgeladen werden. Die Ladestation kann Wechselstrom (alternating current - AC) oder Gleichstrom (direct current - DC) verwenden, um die Batterie zu laden. Beim DC-Schnellladen handelt es sich um eine aufstrebende Technologie, welche die Möglichkeit einer Reduktion der Ladezeiten bietet, was Fernfahrten für Elektrofahrzeuge praktikabler macht.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs Folgendes: als Reaktion auf eine Anforderung zum Laden einer Traktionsbatterie, anfängliches Entladen der Traktionsbatterie über einen ersten Zeitraum hinweg gemäl einer Entladephase, die eine konstante Leistung aufweist; anschliel endes Laden der Traktionsbatterie über einen zweiten Zeitraum hinweg gemäl einer Ladephase, die einen konstanten Strom aufweist; und Wiederholen der Entladephase und der Ladephase nacheinander, bis die Batterie geladen ist.
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Gemäl einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs Folgendes: als Reaktion auf eine Anforderung zum Laden einer Traktionsbatterie, anfängliches Entladen der Traktionsbatterie über einen ersten Zeitraum hinweg gemäl einem Entladeimpuls, der eine konstante Leistung aufweist; und anschliel endes Laden der Traktionsbatterie über einen zweiten Zeitraum hinweg mit konstantem Strom.
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Gemäl noch einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein Batterieladesystem eine Ladevorrichtung und eine Steuerung. Die Steuerung ist dazu programmiert, eine Anforderung zum Laden einer Batterie zu empfangen und als Reaktion auf die Anforderung die Ladevorrichtung anzuweisen, zunächst die Batterie über einen ersten Zeitraum hinweg gemäl einer Entladephase, die eine konstante Leistung aufweist, zu entladen. Die Steuerung ist ferner dazu programmiert, die Ladevorrichtung anschliel end anzuweisen, die Batterie über einen zweiten Zeitraum hinweg gemäl einer Ladephase zu laden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung eines Batterieladesystems.
- 2 ist ein Verlauf, der ein Ladeprofil gemäl einer oder mehreren ersten Ausführungsformen veranschaulicht.
- 3 ist ein Verlauf, der ein Ladeprofil gemäl einer oder mehreren zweiten Ausführungsformen veranschaulicht.
- 4 ist ein Ablaufdiagramm eines Algorithmus, der von einer Steuerung ausgeführt werden kann, um einen Batterieladevorgang gemäß den Ladeprofilen der vorliegenden Offenbarung durchzuführen.
- 5 ist eine schematische Darstellung eines elektrifizierten Fahrzeugs, das für ein Laden gemäß den Ladeprofilen der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In dieser Schrift sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt mal stabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind in der vorliegenden Schrift offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann den vielfältigen Einsatz der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
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Ein Fahrzeug oder eine andere Vorrichtung kann einen oder mehrere Elektromotoren (oder andere Verbraucher) beinhalten, die von einer HV-Batterie mit Leistung versorgt werden, die mitunter als Traktionsbatterie bezeichnet wird, wenn sie in einem Fahrzeug verwendet wird. Im in dieser Schrift verwendeten Sinne bezieht sich „Hochspannung“ auf eine Spannung, die 42 V AC oder 60 V DC überschreitet. „Niederspannung“ bezieht sich auf Spannungen, die nicht hoch sind. Die Batterie, mitunter als Batteriepack oder Batteriebaugruppe bezeichnet, speichert Energie, die von einem Verbraucher verwendet werden kann. Die Batterie stellt eine Hochspannungsgleichstromausgabe (HV-DC-Ausgabe) aus einer oder mehreren Batteriezellenanordnungen, mitunter als Batteriezellenstapel bezeichnet, innerhalb der Traktionsbatterie bereit. Die Batteriezellenanordnungen können eine oder mehrere Batteriezellen beinhalten, die in Reihe, parallel oder in einer Kombination aus beidem angeordnet sind. Die Batteriezellen, wie etwa prismatische Zellen, Pouch-Zellen, zylindrische Zellen oder eine beliebige andere Zellenart, wandeln gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie um. Die Zellen können ein Gehäuse, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) beinhalten. Ein Elektrolyt kann ermöglichen, dass sich Ionen während einer Entladung zwischen der Anode und der Kathode bewegen und dann während einer Wiederaufladung zurückfließen. Klemmen können ermöglichen, dass Strom zur Verwendung durch das Fahrzeug aus der Zelle fliel t. Die Zellen können eine Lithium-Ionen- oder andere Chemie aufweisen.
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Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet ein Batterieladesystem 20 eine Batterie 22, die über eine Hochspannungsschaltung 26 elektrisch mit einer Ladevorrichtung 24 verbunden ist. Die Schaltung 26 kann ein oder mehrere Schütze (oder eine andere Schaltanordnung) 28 beinhalten, welche die Ladevorrichtung 24 und die Batterie 22 selektiv verbinden. Die Ladevorrichtung 24 beinhaltet einen zugehörigen Ladeanschluss 30, der so konfiguriert ist, dass er mit einem Stecker 32 der Ladestation 34 zusammenpasst. Die Ladevorrichtung 24 beinhaltet ein zugehöriges Steuerprogramm 36, um die Leistungsübertragung von der Ladestation 34 an die Batterie 22 zu erleichtern. Die Ladestation 34 kann ebenfalls eine zugehörige Steuerung 38 beinhalten. Die Steuerungen 36 und 38 sind dazu konfiguriert, miteinander zu kommunizieren, um die Leistungsübertragung zu steuern. In einigen Ausführungsformen, insbesondere zum DC-Laden, kann die Ladevorrichtung 24 weggelassen werden. Die Ladevorrichtung 24 kann sich zudem in der Ladestation und nicht in der zu ladenden Vorrichtung befinden.
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Die Steuerung 36, die Steuerung 38 oder eine Kombination daraus ist dazu konfiguriert, ein Ladeprofil zu steuern, das zum Laden der Batterie 22 verwendet wird. Das Ladeprofil beinhaltet die Laderichtung (Laden oder Entladen), die Spannung, den Strom und den Lademodus (z. B. konstanter Strom, konstante Spannung, konstante Leistung usw.). Die Ladevorrichtung 24 und die Ladestation 34 sind für AC- oder DC-Ladung oder in einigen Ausführungsformen sowohl für AC als auch für DC konfiguriert. Gemäßeiner Ausführungsform sind die Ladevorrichtung 24 und die Ladestation 34 für DC-Schnellladung konfiguriert. Wenngleich dies nicht veranschaulicht ist, können eine oder mehrere Strom-/Spannungssensoren auf Seiten der Vorrichtung und an der Ladestation 34 bereitgestellt sein, um Rückmeldung bereitzustellen, die durch die Steuerungen 36, 38 zum Steuern der Ladung verwendet wird.
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Die Steuerungen beinhaltet im Allgemeinen eine beliebige Anzahl an Mikroprozessoren, ASICs, ICs, Speicher (z. B. FLASH, ROM, RAM, EPROM und/oder EEPROM) und Softwarecode, um miteinander zusammenzuwirken, um eine Reihe von Vorgängen durchzuführen. Die Steuerungen beinhalten zudem vorher festgelegte Daten oder „Lookup-Tabellen“, die auf Berechnungen und Testdaten basieren und in dem Speicher gespeichert sind. Die Steuerung kommuniziert über eine oder mehrere drahtgebundene oder drahtlose Fahrzeugverbindungen unter Verwendung gängiger Busprotokolle (z. B. CAN und LIN) mit anderen Fahrzeugsystemen und anderen Steuerungen. Jede Bezugnahme auf eine Steuerung bezieht sich auf eine oder mehrere Steuerungen.
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Herkömmliche Ladeprofile für Batterien beinhalten einen Konstantstrom- und Konstantspannungsprozess (constant-current, constant voltage - CC-CV), der angewendet wird, bis die Batterie auf ein ausreichendes Niveau geladen ist. In der Regel wird der Strom mit 1 C (auch als C-Rate von 1 bekannt) oder weniger angelegt. Ein „C“ oder eine „C-Rate“ ist ein Mal für die Rate, mit der eine Batterie im Verhältnis zu ihrer Kapazität geladen oder entladen wird. Die C-Rate ist definiert als der Lade- oder Entladestrom geteilt durch die Kapazität der Batterie zum Speichern einer elektrischen Ladung. Eine C-Rate von 1 (auch als 1 C bekannt) ist der Strompegel, der die Batterie in einer Stunde vollständig entlädt (oder auflädt), während eine C-Rate von 2 (2 C) der Strompegel ist, der die Batterie in einer halben Stunde (30 Minuten) vollständig entlädt (oder auflädt). Die Ladezeit für die Batterie kann verringert werden, indem die C-Rate des Ladeprozesses erhöht wird.
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Eine Erhöhung der C-Rate wirkt sich jedoch im Allgemeinen nachteilig auf die Lebensdauer der Batterie aus, wenn herkömmliche Ladetechniken verwendet werden. Bei hohen C-Raten können durch die Ionenübertragungsrate (Konzentrationspolarisation) bedingte Grenzwerte überschritten werden. Dies kann dazu führen, dass sich Lithium auf der Anodenoberfläche absetzt oder andere Verschlechterungseffekte auftreten. Diese Effekte können die Interkalation von Lithiumionen in die Zwischenebenen der Graphitanode begrenzen und zu einem erhöhten Wachstum der Grenzflächenschicht an der Anodenoberfläche führen. Dies kann in einigen Zellkonfigurationen auch das Risiko von Lithiumdendritenwachstum erhöhen und damit verbundene nachteilige Effekte hervorrufen.
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Der Wunsch nach schnelleren Ladezeiten wird durch den parallelen Wunsch nach Erhöhung der Energiedichte der Batterie weiter erschwert. Ein Erhöhen der Batterieenergiedichte erfordert in der Regel kompakte Elektrodenausgestaltungen, bei denen die Zugänglichkeit zu Interkalationsstellen in der Elektrode eingeschränkt ist. Dies in Verbindung mit einer Ladung mit hoher C-Rate gefährdet aufgrund unerwünschter Effekte, wie etwa Lithiumplattierung, Eigenerwärmung und erhöhter Impedanz, die Lebensdauer der Batterie. Nachstehend werden Lösungen beschrieben, welche die Schnellladefähigkeit verbessern, ohne die Batterieenergiedichte und die Lebensdauer der Batterie zu beeinträchtigen.
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Unter Bezugnahme auf 2 hat der Anmelder ein verbessertes Ladeprofil 50 gefunden, das Schnellladung bereitstellt, ohne die Lebensdauer der Batterie zu reduzieren. Das Ladeprofil 50 kann sowohl für AC- als auch für DC-Ladung verwendet werden. Das veranschaulichte Profil 50 ist für eine DC-Schnellladung. Das Ladeprofil 50 beginnt mit einem Entladeimpuls (Entladephase) 52, in dem die Batterie kurz entladen wird. Der Entladeimpuls 52 tritt über einen kurzen Zeitraum hinweg auf, z. B. 0,5 bis 30 Sekunden, und weist eine konstante Leistung auf. Die konstante Leistung kann beispielsweise zwischen 25 und 1000 Kilowatt (kW) liegen. Der Strom des Entladeimpulses 52 ist variabel. In der veranschaulichten Ausführungsform nimmt der Strom über den Zeitraum hinweg zu und erreicht am Ende des Entladeimpulses 52 Spitzenwerte. Unmittelbar im Anschluss an den Entladeimpuls 52 lädt das Ladeprofil die Batterie gemäß einem konstanten Strom 54 auf. Der konstante Strom 54 kann zwischen 0,5 und 12 C liegen. Die für das Profil 50 gewählte C-Rate hängt von den Eigenschaften der Batterie ab und das Profil 50 ist daher nicht auf eine bestimmte C-Rate beschränkt. Der konstante Strom 54 wird angelegt, bis die Batterie ausreichend geladen ist oder ein Ende der Ladung angewiesen wird. Verschiedene Techniken können verwendet werden, um einen Ladeendpunkt zu bestimmen, wie etwa ein erreichter Zielladezustand der Batterie, eine Zielspannung, eine zeitliche Begrenzung oder ein Zielpegel des nachlassenden Stroms.
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Unter Bezugnahme auf 3 verwendet ein Ladeprofil 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform ein sich wiederholendes Muster von Entlade- und Ladephasen. Das sich wiederholende Muster kann die Lebensdauer der Batterie weiter erhöhen, ohne die Ladesitzungen wesentlich zu verlängern. Ähnlich wie bei dem Ladeprofil 50 beginnt das Laden der Batterie mit einer Entladephase 102, in der die Batterie mit einer konstanten Leistung entladen wird. Die Entladephase 102 wird über einen ersten Zeitraum hinweg angewendet, z. B. 0,5 bis 30 Sekunden. Sobald der erste Zeitraum abgelaufen ist, wird eine Ladephase 104 auf die Batterie angewendet. Die Ladephase 104 weist einen konstanten Strom auf, wie etwa 0,5 bis 12 C. Die Ladephase 104 wird über einen zweiten Zeitraum hinweg angewendet, wie etwa 2 bis 30 Minuten oder insbesondere 2 bis 10 Minuten in einigen Ausführungsformen. Der erste und der zweite Zeitraum können vorher festgelegt werden. Sobald der zweite Zeitraum abgelaufen ist, wird die Abfolge wiederholt, wobei die Batterie erneut gemäß der Entladephase 102 entladen wird. Das Profil 100 führt wiederholt die Entladephase 102 und die Ladephase 104 durch, bis die Batterie ausreichend geladen ist.
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Die in der Entladephase 102 und der Ladephase 104 verwendeten Ströme können einander ähnlich sein oder sich wesentlich unterscheiden. In einigen Ausführungsformen kann der Ladestrom 104 größer sein als ein Spitzenwert des Entladestroms 102 oder kann der Spitzenwert des Entladestroms 102 größer sein als der Ladestrom 104.
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Wenngleich die Ladeprofile 50 und 100 eine Konstantstromphase beinhalten, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf Profile beschränkt, die eine Konstantstromphase aufweisen. In alternativen Ausführungsformen kann die Konstantstromphase durch eine variable Stromphase ersetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Ladeprofil eine Konstantspannungsphase beinhalten.
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Tests haben gezeigt, dass die Profile 50 und 100 und insbesondere die Entladephase mit konstanter Leistung bei Ladungseinleitung die Lebensdauer bei Schnellladung und den Coulomb-Wirkungsgrad im Vergleich zu Ladeprofilen des Stands der Technik verbessern. Tests haben gezeigt, dass das anfängliche Anwenden der Entladephase einem Anwenden der Entladephase im Anschluss an eine anfängliche Ladephase überlegen ist. Tests haben zudem gezeigt, dass das Anwenden des Entladeimpulses mit konstanter Leistung effektiver ist (längere Lebensdauer der Batterie und Coulomb-Wirkungsgrad) als ein Anwenden eines Entladeimpulses mit konstantem Strom. Aus den Tests des Anmelders geht hervor, dass bei einem Entladeimpuls mit begrenzter Dauer ein Durchführen des Entladeimpulses in einem Kontstantleistungsmodus den Konzentrationsgradienten und den Polarisationsgrad aufgrund der fundamentalen Unterschiede in den relativen Spannungen im Verhältnis zu den Strompegeln während der Dauer des Impulses effizienter reduziert als ein Durchführen des Entladeimpulses in einem Konstantstrommodus.
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Erneut unter Bezugnahme auf 1 kann die Ladevorrichtung 24 und/oder die Ladestation 34 eine Bidirektionalfähigkeit aufweisen, um die Entladelast für den Entladeimpuls bereitzustellen. Beispielsweise kann die Entladeimpulsleistung an die Quelle der Ladestation 34 gehen, z. B. an das Stromnetz. Zusätzlich oder alternativ kann ein Fahrzeug (oder eine andere aufladbare Vorrichtung) in der Lage sein, die Entladelast für den Entladeimpuls bereitzustellen.
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Die Steuerlogik oder -funktionen, die von der Steuerung 36/38 durchgeführt werden, können in einer oder mehreren Figuren durch Ablaufdiagramme oder ähnliche Diagramme dargestellt sein. Diese Figuren stellen repräsentative Steuerstrategien und/oder eine repräsentative Steuerlogik bereit, die unter Verwendung einer oder mehrerer Verarbeitungsstrategien, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multi-Tasking, Multi-Threading und dergleichen, umgesetzt werden können/kann. Demnach können verschiedene veranschaulichte Schritte oder Funktionen in der veranschaulichten Abfolge oder parallel durchgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Wenngleich dies nicht immer ausdrücklich veranschaulicht ist, wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass eine(r) oder mehrere der veranschaulichten Schritte oder Funktionen wiederholt durchgeführt werden kann/können, je nach konkret eingesetzter Verarbeitungsstrategie. Gleichermal en ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwingend erforderlich, um die hierin beschriebenen Merkmale und Vorteile zu erreichen, sondern soll stattdessen die Veranschaulichung und Beschreibung erleichtern. Die Steuerlogik kann hauptsächlich als Software umgesetzt sein, die durch eine mikroprozessorbasierte Steuerung ausgeführt wird. Selbstverständlich kann die Steuerlogik in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung in Software, Hardware oder einer Kombination aus Software und Hardware in einer oder mehreren Steuerungen umgesetzt sein. Bei einer Umsetzung als Software kann die Steuerlogik in einer/einem oder mehreren computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien bereitgestellt sein, auf denen Daten gespeichert sind, welche einen Code oder Anweisungen darstellen, der/die durch einen Computer zum Steuern des Fahrzeugs oder von dessen Teilsystemen ausgeführt wird/werden. Die computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien können eine oder mehrere einer Reihe bekannter physischer Vorrichtungen beinhalten, die elektrischen, magnetischen und/oder optischen Speicher nutzen, um ausführbare Anweisungen und zugehörige Kalibrierungsinformationen, Betriebsvariablen und dergleichen aufzubewahren.
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4 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm eines Algorithmus, der von mindestens einer Steuerung ausgeführt werden kann, um das Ladeprofil 100 durchzuführen. Die Steuerungen beginnen bei einem Vorgang 122, bei dem eine Anforderung zum Einleiten der Ladung empfangen wird. Als Reaktion auf den Empfang der Anforderung weist die Steuerung zunächst bei Vorgang 124 eine Entladephase an. Bei der Entladephase kann es sich um die vorstehend erörterte Entladephase 102 handeln. Die Entladephase wird über einen ersten Zeitraum hinweg angewiesen. Sobald der erste Zeitraum abgelaufen ist geht die Steuerung zu Vorgang 126 über und weist die Steuerung die Ladephase an. Bei der Ladephase kann es sich um die vorstehend erörterte Ladephase 104 handeln. Die Ladephase wird über einen zweiten Zeitraum hinweg angewiesen. Nach Ablauf des zweiten Zeitraums geht die Steuerung zu Vorgang 128 über und bestimmt die Steuerung, ob die Batterie geladen ist oder eine Anforderung zum Beenden der Ladung empfangen wurde. Ist dies der Fall, wird die Ladung bei Vorgang 130 beendet. Ist dies nicht der Fall, springt die Steuerung zurück und durchläuft die Steuerung wiederholt die Vorgänge 124 und 126, bis die Batterie geladen ist oder eine Beendigungsanforderung empfangen wurde. Während das Ablaufdiagramm 120 für das Profil 100 ist, beinhaltet ein modifiziertes Ablaufdiagramm für das Profil 50 ein Verlängern des Vorgangs 126, bis die Batterie geladen ist oder eine Beendingungsanforderung empfangen wurde.
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Die vorstehend beschriebenen Steuerungen und Ladeprofile können in vielfältigen Bereichen verwendet werden, darunter für Elektrofahrzeuge. 5 veranschaulicht ein Elektrofahrzeug, das gemäß den Ladeprofilen, z. B. 50 und 100, der vorliegenden Offenbarung geladen werden kann.
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Ein Fahrzeug 200 beinhaltet eine oder mehrere elektrische Maschinen 202, die mechanisch mit Antriebsrädern verbunden sind. Die eine oder die mehreren elektrischen Maschinen 202 können dazu in der Lage sein, als Elektromotor oder Generator zu arbeiten. Die elektrische Maschine 202 kann Antriebs- und Abbremsfähigkeiten bereitstellen, z. B. Nutzbremsung. Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 206 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 202 und anderen Fahrzeugsystemen verwendet werden kann. Die Traktionsbatterie 206 kann durch ein oder mehrere Schütze elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen 208 verbunden sein. Das eine oder die mehreren Schütze isolieren im geöffneten Zustand die Traktionsbatterie 206 von anderen Komponenten und verbinden im geschlossenen Zustand die Traktionsbatterie 206 mit anderen Komponenten. Das Leistungselektronikmodul 208 ist zudem elektrisch mit den elektrischen Maschinen 202 und einem Hochspannungsbus 210 verbunden und stellt die Fähigkeit bereit, Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie 206 und den elektrischen Maschinen 202 zu übertragen. Zum Beispiel kann eine gängige Traktionsbatterie 206 eine Gleichstromspannung (DC-Spannung) bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 202 einen Dreiphasen-Wechselstrom (AC) für ihren Betrieb verwenden können. Das Leistungselektronikmodul 208 kann die DC-Spannung in Dreiphasen-AC umwandeln, den die elektrischen Maschinen 202 verwenden. In einem regenerativen Modus kann das Leistungselektronikmodul 208 den Dreiphasen-Wechselstrom von den elektrischen Maschinen 202, die als Generatoren fungieren, in die DC-Spannung umwandeln, welche die Traktionsbatterie 206 verwendet. Die Beschreibung hierin gilt gleichermaßen für ein Hybridelektrofahrzeug.
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Zusätzlich zum Bereitstellen von Energie für den Antrieb kann die Traktionsbatterie 206 Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Ein gängiges System kann ein DC/DC-Wandlermodul 212 beinhalten, das die Hochspannungs-DC-Ausgabe der Traktionsbatterie 206 in eine Niederspannungs-DC-Versorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeugkomponenten kompatibel ist. Andere Hochspannungsverbraucher, wie etwa Verdichter und elektrische Heizgeräte, können ohne die Verwendung eines DC/DC-Wandlermoduls 212 direkt mit der Hochspannungsversorgung verbunden sein. In einem gängigen Fahrzeug sind die Niederspannungssysteme elektrisch mit einer Hilfsbatterie 214 verbunden (z. B. einer 12-Volt-Batterie). In anderen Ausführungsformen kann die Batterie 214 24 oder 48 Volt aufweisen.
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Eine Steuerung, z. B. ein Batterieenergiesteuermodul (battery energy control module - BECM) 216, kann mit der Traktionsbatterie 206 in Kommunikation stehen. Das BECM 216 kann als Steuerung für die Traktionsbatterie 206 fungieren und kann zudem ein elektronisches Überwachungssystem beinhalten, das die Temperatur und den Ladezustand für jede der Batteriezellen verwaltet. Die Traktionsbatterie 206 kann einen Temperatursensor 218 aufweisen, wie etwa einen Thermistor oder einen anderen Temperatursensor. Der Temperatursensor 218 kann mit dem BECM 216 in Kommunikation stehen, um Temperaturdaten hinsichtlich der Traktionsbatterie 206 bereitzustellen.
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Das Fahrzeug 200 kann durch eine mit einer externen Leistungsquelle 222 verbundene AC-Ladestation, wie etwa eine Stromversorgung für Elektrofahrzeuge (electric vehicle supply equipment - EVSE) 220, wiederaufgeladen werden. Bei der externen Leistungsquelle 222 kann es sich um ein Verteilungsnetzwerk oder -netz für elektrische Leistung handeln, wie es durch ein Elektrizitätsversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. Wie gezeigt, kann die externe Leistungsquelle elektrisch an die EVSE 220 gekoppelt sein. Wenngleich sich die EVSE 220 der Darstellung nach außerhalb des Elektrofahrzeugs 200 befindet, wird ebenfalls in Betracht gezogen, dass sich die EVSE 220 innerhalb des Elektrofahrzeugs 200 befinden kann.
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Die EVSE 220 kann elektrische Leistung aufnehmen und die empfangene Leistung über ein Kabel und einen Verbinder 224 übertragen, der in einen zusammenpassenden Ladeanschluss 226 an dem Elektrofahrzeug 200 eingesteckt wird. Als ein Beispiel kann die externe Leistung AC-Leistung sein, die an dem Ladeanschluss 226 aufgenommen und durch eine bordeigene Ladevorrichtung 228, die sich innerhalb des Elektrofahrzeugs 200 befindet, in DC-Leistung umgewandelt wird. Die bordeigene Ladevorrichtung 228 kann dann betrieben werden, um die Traktionsbatterie 206 zu laden. Es wird in Betracht gezogen, dass die EVSE 220 in unterschiedlichen mechanischen Konfigurationen umgesetzt sein kann, einschliel lich einer Fahrzeugladevorrichtung, einer Ladestation oder einer Ladevorrichtung. Es wird zudem in Betracht gezogen, dass die EVSE 220 als an der Wand montierte Einheiten in einer Garage, entlang eines Gebäudes, in dem Fahrzeuge in der Regel geparkt werden, oder in einer eigenständigen Einheit installiert sein kann. Die EVSE 220 kann ein Kabelsatz sein, der mitunter als Reiseladevorrichtung, tragbare Ladevorrichtung oder handgehaltene Ladevorrichtung bezeichnet wird. Die EVSE 220 und das Fahrzeug können Standards, wie etwa SAE J1772, entsprechen. Die Ladevorrichtung 228 und/oder die Ladevorrichtung der EVSE sind dazu konfiguriert, die Batterie 206 gemäß den vorstehend beschriebenen Ladeprofilen zu laden.
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Das Fahrzeug 200 kann zudem für DC-Schnellladung konfiguriert sein. Der Fahrzeugladeanschluss 226 kann zudem ein Paar DC-Stifte beinhalten, das zum Verbinden mit einer DC-Ladevorrichtung oder DC-EVSE konfiguriert ist. Die DC-Stifte des Anschlusses 226 können über eine bordeigene Ladevorrichtung 228 (oder eine andere Ladevorrichtung) verbunden sein oder zur Batterie 206 führen, ohne dass eine bordeigene Ladevorrichtung benötigt wird. Die Ladevorrichtung 228 und/oder die Ladevorrichtung der EVSE sind dazu konfiguriert, die Batterie 206 gemäß den vorstehend beschriebenen Ladeprofilen zu laden.
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Es wird zudem in Betracht gezogen, dass ein drahtloses Leistungsübertragungssystem (wireless power transfer system - WPT-System) eingesetzt werden kann, bei dem ein Sender einem Empfänger ohne die Verwendung physischer elektrischer Leiter elektrische Leistung bereitstellen kann (z. B. kann Leistung durch freien Raum übertragen werden). Es wird in Betracht gezogen, dass die Leistungsausgabe in ein drahtloses Feld (z. B. magnetische Induktion, elektrische Induktion usw.) durch eine „Empfangsspule“ aufgenommen, erfasst oder gekoppelt werden kann, um die Leistungsübertragung zu erreichen.
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Wenngleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Patentansprüche eingeschlossen sind. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften als vorteilhaft oder bevorzugt beschrieben worden sein könnten, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass bei einem/einer oder mehreren Merkmalen oder Eigenschaften Kompromisse eingegangen werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängen. Diese Attribute können unter anderem Folgendes beinhalten: Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartungsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. Somit liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben sind, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs Folgendes: als Reaktion auf eine Anforderung zum Laden einer Traktionsbatterie, anfängliches Entladen der Traktionsbatterie über einen ersten Zeitraum hinweg gemäß einer Entladephase, die eine konstante Leistung aufweist; anschliel endes Laden der Traktionsbatterie über einen zweiten Zeitraum hinweg gemäß einer Ladephase, die einen konstanten Strom aufweist; und Wiederholen der Entladephase und der Ladephase nacheinander, bis die Batterie geladen ist.
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In einem Aspekt der Erfindung werden der erste und der zweite Zeitraum vorher festgelegt.
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In einem Aspekt der Erfindung ist der zweite Zeitraum um einen Faktor von mindestens 3 länger als der erste Zeitraum.
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In einem Aspekt der Erfindung beinhaltet die Entladephase einen variablen Strom über den ersten Zeitraum hinweg.
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In einem Aspekt der Erfindung weisen ein Spitzenstrom der Entladephase und der konstante Strom der Ladephase ein Verhältnis von 0,5 zu 2 auf.
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In einem Aspekt der Erfindung liegt der konstante Strom zwischen 0,5 und 12 C.
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In einem Aspekt der Erfindung liegt die konstante Leistung zwischen 25 und 1000 Kilowatt.
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In einem Aspekt der Erfindung nimmt der während der Entladephase angelegte Strom über den ersten Zeitraum hinweg zu.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs Folgendes: als Reaktion auf eine Anforderung zum Laden einer Traktionsbatterie, anfängliches Entladen der Traktionsbatterie über einen ersten Zeitraum hinweg gemäß einem Entladeimpuls, der eine konstante Leistung aufweist; und anschliel endes Laden der Traktionsbatterie über einen zweiten Zeitraum hinweg mit konstantem Strom.
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In einem Aspekt der Erfindung wird der erste Zeitraum vorher festgelegt.
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In einem Aspekt der Erfindung beträgt der erste Zeitraum 0,5 bis 30 Sekunden.
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In einem Aspekt der Erfindung beinhaltet der Entladeimpuls einen variablen Strom über den ersten Zeitraum hinweg.
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In einem Aspekt der Erfindung nimmt der während des Entladeimpulses angelegte Strom über den ersten Zeitraum hinweg zu.
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In einem Aspekt der Erfindung weisen ein Spitzenstrom des Entladeimpulses und der konstante Strom ein Verhältnis von 0,5 zu 2 auf.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Batterieladesystem bereitgestellt, das Folgendes aufweist: eine Ladevorrichtung; und eine Steuerung, die für Folgendes programmiert ist: Empfangen einer Anforderung zum Laden einer Batterie, als Reaktion auf die Anforderung, Anweisen der Ladevorrichtung, die Batterie zunächst über einen ersten Zeitraum hinweg gemäß einer Entladephase, die eine konstante Leistung aufweist, zu entladen und anschliel endes Anweisen der Ladevorrichtung, die Batterie über einen zweiten Zeitraum hinweg gemäß einer Ladephase zu laden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Ladephase einen konstanten Strom auf.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu programmiert, die Ladevorrichtung anzuweisen, die Entladephase und die Ladephase nacheinander zu wiederholen, bis die Batterie geladen ist.
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Gemäß einer Ausführungsform werden der erste und der zweite Zeitraum vorher festgelegt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Zeitraum um einen Faktor von mindestens 3 länger als der erste Zeitraum.
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Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der Ladevorrichtung um eine Gleichstrom-Ladevorrichtung.
