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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrifiziertes Fahrzeug, das dazu eingerichtet ist, ein schnelles Laden der Fahrzeugbatterie zu ermöglichen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Laden der Fahrzeugbatterie in einem derartigen elektrifizierten Fahrzeug.
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Stand der Technik
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In der Fahrzeugindustrie gibt es einen anhaltenden Trend zur Elektrifizierung, auch um den Herausforderungen durch die immer strenger werdende Regulierung der Auspuffemissionen zu begegnen. Da Elektromotoren zunehmend als primäres Antriebssystem für Fahrzeuge eingesetzt werden, sind Batterien mit größeren Kapazitäten erforderlich, um eine verlängerte vollelektrische Reichweite oder „elektrische Autonomie“ zu ermöglichen.
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Ein Faktor, der die weitere Verbreitung von weitgehend elektrifizierten Fahrzeugen einschränkt, ist die Zeit, die zum Laden von Batterien mit größeren Kapazitäten benötigt wird. Zum Beispiel dauert es typischerweise mehrere Stunden, um ein Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug mit einem Heimladegerät vollständig aufzuladen. Die Ladezeit kann durch die Verwendung einer speziellen Ladeinfrastruktur verkürzt werden, die höhere Laderaten bereitstellen kann. Die erreichbare Laderate (C-Rate) ist jedoch nicht nur durch die Verfügbarkeit der Infrastruktur, sondern auch durch die Chemie begrenzt, die in den Batteriezellen verwendet wird, die die erreichbare oder optimale Laderate grundlegend begrenzt.
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Moderne Hybrid- oder vollelektrische Fahrzeuge verwenden typischerweise Lithium-Ionen-Batterien. Das Laden mit einer hohen C-Rate erschöpft die Konzentration der Lithium-Ionen, die für ein Einlagern in der Nähe der Elektrodenoberfläche zur Verfügung stehen, da die Diffusion der Lithium-Ionen Im Elektrolyten zu langsam ist, wodurch ein Konzentrationsgradient in der Nähe der Oberfläche entsteht. Selbst wenn Lithium-Ionen im Hauptteil des Elektrolyten verfügbar sind, sind sie für die an der Elektrode stattfindenden Redoxreaktionen nicht zugänglich. Der Massentransport durch Diffusion ist bei den meisten elektrochemischen Zellen der dominierende Prozess im Elektrolyten. Mit der Zeit verschwindet der entstandene Konzentrationsgradient, da neue Lithium-Ionen zur Elektrodenoberfläche diffundieren, und die Einlagerungsreaktionen können fortgesetzt werden.
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Die langsame Diffusionsgeschwindigkeit der Lithium-Ionen im Elektrolyten und in den aktiven Materialien erhöht die unterschiedlichen Polarisationen in der Zelle (Konzentrations-, ohmsche und Aktivierungspolarisation). Dies führt zu einem Spannungsabfall, der mit der C-Rate des Ladens zusammenhängt, was zu Überspannung und damit verbundener Elektrolytdegradation oder schlicht zu Kapazitätsverlusten führt, da die Abschaltspannung früher erreicht wird. Darüber hinaus führt eine Langzeitladung mit hohen C-Raten zu einem Anstieg der Zelltemperatur mit einer entsprechenden Zunahme der temperaturbedingten Degradationsprozesse in der Zelle. Obwohl hierin in Bezug auf Lithium-Ionen-Zellen beschrieben, können ähnliche Konzentrationsgradienten in jeder elektrochemischen Zelle auftreten, was zu ähnlichen Problemen mit Zelldegradation und suboptimaler Kapazität führt.
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Es wurde eine Reihe von Mitteln vorgeschlagen, um diese Probleme zu adressieren. Beispielsweise sind gemischte Ladeprotokolle bekannt, bei denen die Batterie für einen kurzen Zeitraum bis zu einem vorgegebenen Ladezustand (SOC) schnell geladen und dann mit einer geringeren Rate weiter geladen wird. Solche Protokolle gewähren Zeit, damit der Konzentrationsgradient verschwindet.
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US 5436548 beschreibt Batterielade- und Entladesysteme in verschiedenen Ausführungsformen. Das Batterieladesystem umfasst eine Spannungsversorgung und ein Mittel zum Versetzen der Batterie in Vibration. Das Vibrationsmittel kann sich in der Batterie selbst oder außerhalb der Batterie befinden und elektrisch mit der Stromversorgung verbunden sein. Das Vibrationsmittel versetzt die Batterie während des Ladens in Vibration, um die zur Verfügung stellbare Kapazität der Batterie zu verbessern. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Batterieentladesystem beschrieben. Hier wird die Batterie während der Entladung in Vibration versetzt, um die nutzbare Kapazität zu erhöhen. In dem Batterieentladesystem kann sich die Quelle der Vibration im Batteriepack selbst oder in einer Last oder einer elektrischen Vorrichtung befinden, die von der Batterie versorgt wird.
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Es besteht weiterhin ein Bedarf für verbesserte Mittel und Verfahren zum Laden von Fahrzeugbatteriepacks.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat eine Reihe von Nachteilen der Mittel und Verfahren zum Laden von Fahrzeug-Batteriepacks gemäß dem Stand der Technik identifiziert. Standardmäßiges schnelles Laden beschleunigt die Alterung der Batterien, wie im Abschnitt zum Stand der Technik beschrieben wurde, und reduziert die erzielbare Kapazität des Batteriepacks. Methoden, die auf gemischten Schnell-/Langsam-Ladeprotokollen basieren, erlauben weder die kontinuierliche Nutzung hoher Laderaten, noch laden sie die Batterien bei hohen Raten vollständig auf, noch können sie ein schnelles Laden von Batterien bei niedrigen Temperaturen ermöglichen, bei denen der Transport von Lithium-Ionen noch langsamer ist, unabhängig vom Ladeprotokoll. Bekannte Verfahren, die beim Laden von Batterien Vibrationsmittel verwenden, wie beispielsweise in
US 5436548 , erfordern dedizierte Vibrationsmittel in der Batterie oder eine elektrische Verbindung mit der Batteriestromversorgung. Solche dedizierten Vibrationsmittel erhöhen das Gewicht und die Komplexität des Batterieladesystems, wodurch die Kosten steigen und die zur Verfügung stellbare Energie pro Gewicht sinkt, was bei der Herstellung elektrifizierter Fahrzeuge zentrale Überlegungen sind.
US 5436548 offenbart auch ein Batterieentladesystem, bei dem sich die Vibrationsquelle in einer Last oder einer elektrischen Vorrichtung befinden kann, die von der Batterie versorgt wird. Dieses Entladesystem ist in
US 5436548 jedoch nicht für die Verwendung während des Ladens der Batterie vorgesehen, vermutlich weil die Verwendung des Vibrationsmittels während des Ladens eine unerwünschte parasitäre Last für die Batterie darstellen würde, die gleichzeitig die Batterie entlädt, während sie geladen wird.
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Der Erfinder hat den Bedarf für ein Mittel zum Laden eines Batteriepacks eines elektrifizierten Fahrzeugs identifiziert, das ein verlängertes Laden mit hohen C-Raten, auch bei niedrigeren Temperaturen, ermöglichen kann, und das keine Verwendung von Vibrationsmitteln erfordert, die ausschließlich die Aufgabe haben, das Laden der Batterie zu erleichtern.
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Mittel zum Laden eines Batteriepacks eines elektrifizierten Fahrzeugs bereitzustellen, das eines oder mehrere dieser Probleme adressiert und so dazu beiträgt, einige der oben genannten Nachteile zu überwinden oder zumindest abzuschwächen.
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Dieses Ziel wird durch ein elektrifiziertes Fahrzeug erreicht, wie es in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist.
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Das elektrifizierte Fahrzeug umfasst:
- - einen Batteriepack, der dazu eingerichtet ist, zum Laden mit einer Stromversorgung verbunden zu werden, wobei der Batteriepack mehrere Batteriezellen umfasst;
- - eine vibrationserzeugende Vorrichtung, die außerhalb des Batteriepacks angeordnet und dazu eingerichtet ist, Vibration der mehreren Batteriezellen zu erzeugen, wenn sich die vibrationserzeugende Vorrichtung in einem Vibrationsbetriebszustand befindet; und
- - eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit dazu konfiguriert ist, sicherzustellen, dass sich die vibrationserzeugende Vorrichtung zumindest während eines Zeitraums einer Ladedauer des Batteriepacks in einem Vibrationsbetriebszustand befindet;
wobei die vibrationserzeugende Vorrichtung dazu eingerichtet ist, eine Funktion neben einer Erzeugung von Vibration auszuführen, wenn sie sich in einem primären Betriebszustand befindet.
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Das elektrifizierte Fahrzeug beschleunigt den Massentransport in den Batteriezellen, indem es das System während des Ladens in Bewegung versetzt, wodurch ein konvektiver Massentransport bereitgestellt und der Massentransport weniger abhängig von der langsamen Diffusion der Ionen wird. Durch das In-Bewegung-Versetzen werden die Laderaten nicht im gleichen Maße durch Konzentrationsgradienten begrenzt. Dies ermöglicht nicht nur wiederholtes Schnellladen, sondern auch Schnellladen bei niedrigeren Temperaturen, bei denen die Diffusion weiter verlangsamt ist.
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Das elektrifizierte Fahrzeug verwendet eine vibrationserzeugende Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, in einem primären Betriebszustand neben der Erzeugung von Vibrationen eine weitere Funktion auszuführen. Diese weitere Funktion kann beispielsweise darin bestehen, den Antrieb des Fahrzeugs zu unterstützen, die Lenkung des Fahrzeugs zu unterstützen oder die Fahreigenschaften des Fahrzeugs zu verbessern. Durch die Verwendung einer solchen vibrationserzeugenden Vorrichtung, die bereits eine vorbestehende Funktion in einem elektrifizierten Fahrzeug hat, kann das Laden des Batteriepacks verbessert werden, während bis zu einem gewissen Grad die Erhöhung von Gewicht, Kosten und Komplexität bekannter Lösungen vermieden wird.
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Der primäre Betriebszustand kann ein Vibrationsbetriebszustand sein, d.h. die vibrationserzeugende Vorrichtung kann Vibration erzeugen, während sie ihre primäre Funktion erfüllt. Beispielsweise neigen Verbrennungsmotoren dazu, bis zu einem gewissen Grad zu vibrieren, wenn sie in Betrieb sind. Dies ermöglicht es, die Batteriezellen auf einfache, robuste und kostengünstige Weise in Vibration zu versetzen, da die dazu verwendete Vorrichtung bereits vorhanden ist und In gewissem Maße Vibration als Nebenprodukt ihres normalen Betriebs erzeugt.
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Der primäre Betriebszustand kann im Wesentlichen keine Vibration erzeugen. Dies ermöglicht ein präzises Steuern der Vibration der Batteriezellen, da die Vibration der vibrationserzeugenden Vorrichtung nicht unbeabsichtigt auftritt, sondern nur durch den gezielten Einsatz eines vibrierenden Betriebszustands.
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Die vibrationserzeugende Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, einen sekundären Betriebszustand aufzuweisen, der ein Vibrationsbetriebszustand ist, wobei der sekundäre Betriebszustand dazu konfiguriert ist, ein erhöhtes Vibrationsniveau der mehreren Batteriezellen im Vergleich zum primären Betriebszustand bereitzustellen. Dies bedeutet, dass in dem Fall, in dem der primäre Betriebszustand Vibration erzeugt, eine größere Menge an Vibration in dem sekundären Betriebszustand erzeugt wird, wohingegen, wenn keine Vibration in dem primären Betriebszustand erzeugt wird, der sekundäre Betriebszustand dazu dient, Vibration zu erzeugen. Dies ermöglicht einen höheren Grad an Kontrolle über die Vibration, der die Batteriezellen ausgesetzt sind.
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Das elektrifizierte Fahrzeug kann ferner eine mechanische Verbindung umfassen, die dazu eingerichtet ist, betätigt zu werden, wenn sich die vibrationserzeugende Vorrichtung in dem sekundären Betriebszustand befindet, um eine Vibration der mehreren Batteriezellen zu erzeugen. Dies ermöglicht eine zweckdienliche Vibration der Batteriezellen durch eine Vorrichtung, die normalerweise eine mechanische Ausgabe erzeugen kann, aber nicht unbedingt Vibration.
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Die vibrationserzeugende Vorrichtung kann ein Verbrennungsmotor sein. Da Verbrennungsmotoren dazu neigen, in gewissem Maße zu vibrieren, wenn sie in Betrieb sind, können die Batteriezellen auf einfache, robuste und kostengünstige Weise in Vibration versetzt werden, da die dazu verwendete Vorrichtung bereits vorhanden ist und als Nebenprodukt ihres normalen Betriebs Vibration erzeugt. Da der Verbrennungsmotor mit einer separaten Energiequelle (Kraftstoff) versorgt wird, stellt er außerdem beim Laden der Batterie keine parasitäre Last für die Batterie oder ein Ladegerät dar.
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Die vibrationserzeugende Vorrichtung kann ein oder mehrere Elektromotoren oder ein oder mehrere Aktoren in einem aktiven Aufhängungssystem oder einer Servolenkung sein. Solche Komponenten können in der Lage sein, eine präzise gesteuerte Vibration der Batteriezellen zu erzeugen.
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Das elektrifizierte Fahrzeug kann ein Hybrid-Elektrofahrzeug sein. Hybridfahrzeuge können sowohl Batterien enthalten, die aufgeladen werden müssen, als auch einen Verbrennungsmotor, der zur Vibrationserzeugung verwendet werden kann. Die vorliegende Erfindung ist daher direkt auf solche Fahrzeuge anwendbar.
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Jede Batteriezelle kann einen flüssigen Elektrolyten umfassen. Flüssigelektrolyt-Zellen sind etabliert und die Massentransporteigenschaften der Elektrolyte sind gut modelliert und bekannt, sodass sie empfänglich sind für Verbesserungen durch die vorliegende Erfindung.
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Jede Batteriezelle kann vom Lithium-Ionen-Typ sein. Lithium-Ionen-Batterien werden üblicherweise in elektrifizierten Fahrzeugen verwendet.
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Die obigen Aufgaben werden auch durch ein Verfahren zum Laden eines Batteriepacks eines elektrifizierten Fahrzeugs gemäß den beigefügten Ansprüchen erreicht. Der Batteriepack umfasst mehrere Batteriezellen, und das elektrifizierte Fahrzeug umfasst eine vibrationserzeugende Vorrichtung. Die vibrationserzeugende Vorrichtung ist außerhalb des Batteriepacks angeordnet und dazu eingerichtet, in einem vibrierenden Betriebszustand eine Vibration der Mehrzahl von Batteriezellen zu erzeugen, und sie ist dazu eingerichtet, in einem primären Betriebszustand eine Funktion neben der Erzeugung einer Vibration auszuführen.
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Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Anordnen des Batteriepacks in Verbindung mit einer Stromversorgung zum Laden;
- - Laden des Batteriepacks für eine Zeitdauer; und
- - Betreiben der vibrationserzeugenden Vorrichtung in einem Vibrationsbetriebszustand zumindest während eines Zeitraums einer Ladedauer des Batteriepacks.
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Wie oben beschrieben wurde, werden durch das In-Vibration-Versetzen der Batteriezellen unter Verwendung der vibrationserzeugenden Vorrichtung während des Ladens die Ladeeigenschaften der Batterie verbessert.
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Die vibrationserzeugende Vorrichtung kann in einem sekundären Betriebszustand betrieben werden, der ein Vibrationsbetriebszustand ist, zumindest während eines Zeitraums einer Ladedauer des Batteriepacks.
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Wenn es sich bei der vibrationserzeugenden Vorrichtung um einen Verbrennungsmotor handelt, kann der Verbrennungsmotor während eines Zeitraums einer Ladedauer des Batteriepacks ohne Antrieb des elektrifizierten Fahrzeugs betrieben werden. Dies ermöglicht das Laden über eine stationäre externe Ladevorrichtung, beispielsweise eine Ladestation, bei gleichzeitiger Nutzung des Verbrennungsmotors als vibrationserzeugende Vorrichtung.
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Die vibrationserzeugende Vorrichtung kann während mehrerer Zeiträume während einer Ladedauer des Batteriepacks in einem Vibrationsbetriebszustand betrieben werden. Dadurch kann das Laden des Batteriepacks verbessert werden, wobei übermäßige Vibration des Batteriepacks vermieden wird, indem nur zeitweise Vibration erzeugt wird, wenn ein unzureichender Massentransport zu suboptimalen Ladeeigenschaften geführt hat.
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Die vibrationserzeugende Vorrichtung kann während einer Gesamtdauer von mindestens 30 % einer Ladedauer des Batteriepacks in einem Vibrationsbetriebszustand betrieben werden, wie beispielsweise zumindest 50 % einer Ladedauer des Batteriepacks, wie beispielsweise zumindest 70 % einer Ladedauer des Batteriepacks, wie beispielsweise zumindest 90 % einer Ladedauer des Batteriepacks. Indem die Batteriezellen während des Lade>ns über einen geeigneten Zeitraum in Vibration versetzt werden, kann das Laden verbessert werden, während eine übermäßige Vibration der Batteriezellen und anderer Fahrzeugkomponenten vermieden wird.
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Weitere Gegenstände, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung werden sich für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ergeben.
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Figurenliste
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Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und weiterer Aufgaben und Vorteile derselben, sollte die untenstehende Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen studiert werden, in denen gleiche Bezugszeichen ähnliche Objekte in den unterschiedlichen Zeichnungen bezeichnen, und in denen:
- 1 die erzielbare Kapazität einer Batterie bei unterschiedlichen Laderaten schematisch darstellt.
- 2 ein Ablaufdiagramm ist, das ein Verfahren zum Laden eines Batteriepacks eines elektrifizierten Fahrzeugs schematisch darstellt.
- 3 ein elektrifiziertes Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch darstellt.
- 4 ein elektrifiziertes Fahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung schematisch darstellt.
- 5 ein elektrifiziertes Fahrzeug gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung schematisch darstellt.
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Ausführliche Beschreibung
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Die vorliegende Offenbarung ist auf ein elektrifiziertes Fahrzeug gerichtet, das einen Batteriepack, eine vibrationserzeugende Vorrichtung und eine Steuereinheit umfasst.
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Elektrifiziertes Fahrzeug
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Unter einem elektrifizierten Fahrzeug ist ein beliebiges Fahrzeug zu verstehen, das einen Elektromotor verwendet, um ein Fahrzeug zu einem gewissen Grad anzutreiben. Dies umfasst sowohl vollelektrische Fahrzeuge, wie beispielsweise batterieelektrische Fahrzeuge, als auch hybridelektrische Fahrzeuge, wie beispielsweise Plug-in-Hybride, Vollhybride und Mild-Hybride. Das elektrifizierte Fahrzeug kann vorzugsweise ein Plug-in-Fahrzeug sein, wie beispielsweise ein batterieelektrisches Fahrzeug oder ein Plug-in-Hybrid. Das Fahrzeug kann eine beliebige Art von Fahrzeug sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf schwere Fahrzeuge wie Lastwagen oder Busse, leichte Nutzfahrzeuge, Autos und Motorräder.
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Batteriepack
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Der Batteriepack in elektrifizierten Fahrzeugen wird typischerweise verwendet, um einen antreibenden Elektromotor im elektrifizierten Fahrzeug zu betreiben. Ein Batteriepack umfasst typischerweise mehrere Batteriemodule, wobei jedes Modul mehrere einzelne Batteriezellen umfasst. Der Batteriepack umfasst typischerweise weiterhin Steuerungen wie Batterie- und Wärmemanagementsysteme und ein Gehäuse zur Einhausung aller Komponenten des Batteriepacks. Der Batteriepack ist dazu eingerichtet, zum Laden an eine Stromversorgung angeschlossen zu werden. Diese Stromversorgung kann eine externe Stromversorgung, wie beispielsweise eine Ladestation, oder eine Interne Stromversorgung, wie beispielsweise ein Generator, sein. Der Batteriepack kann eine beliebige Zellchemie verwenden, wie beispielsweise Li-Ionen- oder NiMH-Zellen, ist jedoch vorzugsweise vom Li-Ionen-Typ. Die Batteriezellen können feste oder flüssige Elektrolyte verwenden, aber flüssige Elektrolyte werden bevorzugt, zum Teil wegen der weit verbreiteten kommerziellen Verfügbarkeit, als auch aufgrund der Einfachheit, mit der konvektiver Massentransport in den flüssigen Elektrolyten veranlasst werden kann.
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Vibrationserzeugende Vorrichtung
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Die vibrationserzeugende Vorrichtung ist außerhalb des Batteriepacks angeordnet. Mit vibrationserzeugender Vorrichtung ist eine Vorrichtung gemeint, die die Quelle der mechanischen Energie ist, die zu einer Vibration des Batteriepacks/der Batteriezellen führt. Das heißt, die vibrationserzeugende Vorrichtung überträgt nicht nur eine äußerlich erzeugte Vibration, wie beispielsweise eine Fahrbahnvibration, und somit sind die Fahrzeugreifen, die Federung und das Fahrwerk nicht als vibrationserzeugende Vorrichtungen anzusehen. Die bloße Übertragung einer äußerlich erzeugten Vibration würde zu einem System führen, das nur sehr begrenzt nutzbar ist (beispielsweise, wenn das Fahrzeug bewegt werden muss), und das höchstwahrscheinlich auch unter den günstigsten Umständen keine ausreichende Vibration erzeugt. Die vibrationserzeugende Vorrichtung ist dazu eingerichtet, in einem primären Betriebszustand neben der Erzeugung von Vibration eine weitere Funktion auszuführen, und sie ist dazu eingerichtet, in einem Vibrationsbetriebszustand Vibration der mehreren Batteriezellen zu erzeugen.
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Mit „dazu eingerichtet, in einem primären Betriebszustand neben der Erzeugung von Vibration eine weitere Funktion auszuführen“, ist eine Vorrichtung gemeint, die über die Funktion der Erzeugung von Vibration der mehreren Batteriezellen in einem Vibrationsbetriebszustand hinaus eine bereits bestehende Anforderung in elektrifizierten Fahrzeugen erfüllt, wenn die Vorrichtung in Betrieb ist. Die primäre Funktion der vibrationserzeugenden Vorrichtung kann es beispielsweise sein, den Antrieb des Fahrzeugs zu unterstützen, die Lenkung des Fahrzeugs zu unterstützen oder ein gutes Fahrverhalten des Fahrzeugs beizubehalten. Der Begriff „neben“ soll sowohl „außer“ als auch „zusammen mit“ umfassen, d.h. die vibrationserzeugende Vorrichtung kann Vibration erzeugen, wenn sie sich im primären Betriebszustand befindet, muss dies aber nicht notwendigerweise tun.
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Mit „dazu eingerichtet, in einem Vibrationsbetriebszustand Vibration der mehreren Batteriezellen zu erzeugen“, ist gemeint, dass die vibrationserzeugende Vorrichtung im Vibrationsbetriebszustand die Batteriezellen in Vibration versetzt. Es ist zu beachten, dass die vibrationserzeugende Vorrichtung selbst nicht notwendigerweise vibriert, wenn sie sich im Vibrationsbetriebszustand befindet, obwohl sie dies tun kann. Beispielsweise kann die vibrationserzeugende Vorrichtung selbst vibrieren und diese Vibration über andere Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise das Chassis, auf die Batteriezellen übertragen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die vibrationserzeugende Vorrichtung eine Bewegung, wie beispielsweise eine Hin- und Herbewegung oder eine Drehbewegung, erzeugen kann, die über eine Verbindung in eine Vibrationsbewegung der Batteriezellen umgewandelt werden kann.
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Die vibrationserzeugende Vorrichtung kann beispielsweise aus einer Liste von Vorrichtungen ausgewählt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: einen Verbrennungsmotor, einen elektrischen Antriebsmotor, einen Aktor in einem aktiven Aufhängungssystem oder einen Aktor in einem Servolenkungssystem. Aktoren können hydraulische, elektrohydraulische oder elektrische Aktoren sein.
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Die vibrationserzeugende Vorrichtung kann im primären Betriebszustand als Nebeneffekt ihrer Hauptfunktion Vibration erzeugen. Zum Beispiel erzeugen Verbrennungsmotoren zwangsläufig ein gewisses Maß an Vibration, wenn sie in Betrieb sind. Solche vibrationserzeugenden Vorrichtungen können dazu eingerichtet sein, einen sekundären Betriebszustand aufzuweisen, in dem ein erhöhtes Maß an Vibration erzeugt wird. Im Falle eines Verbrennungsmotors ist beispielsweise bekannt, dass die erzeugte Vibration beim Anhalten und/oder Starten des Motors oder immer dann, wenn der Motor nicht gleichmäßig auf allen Zylindern zündet, größer ist, und daher kann ein zweiter Betriebszustand bereitgestellt sein, der solche Effekte während des Ladens der Batterie ausnutzt.
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Alternativ kann die vibrationserzeugende Vorrichtung im primären Betriebszustand generell keine erhebliche Vibration erzeugen. Dies ist beispielsweise bei Aktoren in Servolenkungen oder aktiven Federungssystemen der Fall. In einem solchen Fall kann die vibrationserzeugende Vorrichtung dazu eingerichtet sein, einen sekundären Betriebszustand bereitzustellen, in dem eine Vibration der Batteriezellen erzeugt wird. Dies kann erreicht werden, indem die vibrationserzeugende Vorrichtung dazu verwendet wird, eine relativ unspezifische Vibration zumindest eines Teils des Fahrzeugs zu erzeugen, beispielsweise durch die Verwendung von Aktoren in der aktiven Aufhängung, um den Teil des Fahrzeugs, der dem Batteriepack am nächsten ist, während des Ladens in Vibration zu versetzen. Eine spezifische Vibration des Batteriepacks, einzelner Batteriemodule oder einzelner Batteriezellen kann jedoch durch die Anordnen einer Verbindung zwischen der vibrationserzeugenden Vorrichtung und dem Batteriepack/den Batteriemodulen/den Batteriezellen erreicht werden, die während des Ladens der Batterie betätigt werden kann. Die Verbindung kann beispielsweise eine mechanische Verbindung zwischen der vibrationserzeugenden Vorrichtung und dem Batteriepack/den Batterlemodulen/den Batteriezellen sein. Die mechanische Verbindung kann dazu eingerichtet sein, nur dann betätigt zu werden, wenn sich die vibrationserzeugende Vorrichtung im sekundären Betriebszustand befindet, wodurch eine Beeinträchtigung der Funktion der vibrationserzeugenden Vorrichtung in ihrem primären Betriebszustand möglicherweise vermieden wird.
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Steuereinheit
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Die Steuereinheit ist dazu konfiguriert, sicherzustellen, dass die vibrationserzeugende Vorrichtung zumindest während eines Zeitraums einer Ladedauer des Batteriepacks in einem Vibrationsbetriebszustand ist. Die Steuereinheit kann auch dazu konfiguriert sein, das Laden des Batteriepacks zu überwachen und zu regeln.
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Vibration der Batteriezellen
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Eine Vibration des Batteriepacks, der Batteriemodule oder der Batterlezellen kann mit einem oder mehreren Sensoren erfasst werden, beispielsweise mit Beschleunigungssensoren wie piezoelektrischen oder MEMS-Beschleunigungssensoren. Alternativ kann die Vibration der Batteriezellen während des Ladens indirekt erfasst werden, indem die Auswirkung auf das Ladeverhalten des Batteriepacks überwacht wird.
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1 zeigt schematisch die erreichbare Kapazität einer Batterie (% Kapazität - y-Achse) bei verschiedenen Laderaten (C - x-Achse). Die Laderate C Ist die Rate, die erforderlich ist, um eine Batterie relativ zu ihrer maximalen Kapazität zu laden oder zu entladen. 1C ist die Rate, die erforderlich ist, um eine Batterie in einer Stunde zu entladen oder zu laden. Wenn die Batterie also eine Kapazität von 50 Ah aufweist, wäre 1C eine Rate von 50 A, während 2C eine Rate von 100 A wäre. Die Linie 101 veranschaulicht das typische Ladeverhalten einer Batterie, die nur einen diffusiven Massentransport innerhalb des Elektrolyten hat, d.h. eine Batterie, die unbewegt ist. Die Linie 103 veranschaulicht das typische Ladeverhalten für eine Batterie mit sowohl diffusivem als auch konvektivem Massentransport im Elektrolyten, d.h. eine in Vibration versetzte Batterie. Wie aus 1 ersichtlich ist, wird die maximale Kapazität sowohl für in Vibration versetzte (Linie 103) als auch für nicht in Vibration versetzte (Linie 101) Batterien nur bei niedrigen C-Raten erreicht. Bei Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten liegt diese typischerweise im Bereich von etwa 0,5 oder darunter. In einer nicht in Vibration versetzten Batterie (Linie 101) sinkt die erreichbare Kapazität ziemlich rasch, wenn die C-Rate erhöht wird. In einer in Vibration versetzten Batterie (Linie 103) ist die Abnahme der erreichbaren Kapazität jedoch weniger ausgeprägt, wenn die C-Rate erhöht wird, d.h. bei höheren C-Raten zeigen in Vibration versetzte Batterien eine verbesserte Ladeleistung im Vergleich zu nicht in Vibration versetzten (unbewegten) Batterien.
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Verfahren zum Laden eines Batteriepacks
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2 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren zum Laden des Batteriepacks des elektrifizierten Fahrzeugs schematisch darstellt. Beim Laden des Batteriepacks werden die folgenden Schritte durchgeführt:
- - Anordnen des Batteriepacks in Verbindung mit einer Stromversorgung zum Laden (s201);
- - Laden des Batteriepacks für eine Zeitdauer (s202); und
- - Betreiben der vibrationserzeugenden Vorrichtung in einem Vibrationsbetriebszustand zumindest während eines Zeitraums einer Ladedauer des Batteriepacks (s203).
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Die Stromversorgung kann eine externe Stromversorgung sein, wie beispielsweise eine Ladestation für elektrifizierte Fahrzeuge, oder sie kann eine interne Stromversorgung sein, wie beispielsweise ein Generator in einem Serien-Hybridfahrzeug. Wenn es sich bei der Stromversorgung um eine Interne Stromversorgung handelt, kann der Batteriepack dauerhaft oder teil-dauerhaft in Verbindung mit der Stromversorgung angeordnet sein.
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Sobald der Batteriepack in Verbindung mit der Stromversorgung angeordnet ist, kann das Laden gestartet werden. Wie oben beschrieben wurde, beträgt die nominale Ladedauer für einen Batteriepack, der mit einer Rate von 1C geladen wird, eine Stunde, 2 Stunden für eine Laderate von 0,5C, und so weiter.
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Während der Ladedauer ist die Steuereinheit aktiv, um sicherzustellen, dass sich die vibrationserzeugende Vorrichtung zumindest für eine bestimmte Zeitdauer während des Ladens in einem Vibrationsbetriebszustand befindet. Dazu kann es erforderlich sein, dass die Steuereinheit einen Vibrationsbetriebszustand initiiert, beispielsweise durch Starten eines Verbrennungsmotors. In einigen Fällen kann jedoch bereits ein Vibrationsbetriebszustand vorliegen, beispielsweise im Falle eines Serien-Hybridfahrzeugs, bei dem der Verbrennungsmotor in Betrieb ist, um den Batteriepack zu laden.
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Die vibrationserzeugende Vorrichtung kann im Wesentlichen für die gesamte Ladedauer in einen Vibrationsbetriebszustand versetzt werden, beispielsweise für mindestens 90 % der Ladedauer des Batteriepacks. Es kann jedoch auch ausreichend sein, die Batteriezellen für einen kürzeren Anteil der Ladedauer in Vibration zu versetzen, wie beispielsweise für mindestens 70 %, mindestens 50 % oder mindestens 30 %. Die Batteriezellen können während eines einzigen Zeitraums während des Ladens in Vibration versetzt werden, oder ein In-Vibration-Versetzen kann während mehrerer Zeiträume erfolgen, beispielsweise während einer festen Anzahl und Dauer von Zeiträumen pro Ladung oder für eine feste Anzahl und Dauer von Zeiträumen pro Zeit. Die Gesamtzeitdauer ist dabei die Summe der einzelnen Vibrationszeiträume.
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Die Steuereinheit kann auch dazu eingerichtet sein, die Ladecharakteristik des Batteriepacks zu überwachen und die Vibration der Batteriezellen basierend auf der Ladecharakteristik des Batteriepacks zu steuern. Auf diese Weise müssen die Batteriezellen nur dann in Vibration versetzt werden, wenn die Ladecharakteristiken anzeigen, dass sich ein erheblicher Konzentrationsgradient im Elektrolyt der Zellen ausgebildet hat.
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Das Laden kann mit variablen Raten unter Verwendung eines kombinierten Protokolls von Vibration sowie schnellem und langsamem Laden durchgeführt werden. Das Laden kann für einen festen Zeitraum durchgeführt werden, oder das Laden kann gestoppt werden, wenn eine bestimmte Strom- oder Spannungsgrenze erreicht ist.
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Die Erfindung wird nun anhand der dargestellten Ausführungsformen weiter erläutert.
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3 zeigt schematisch ein elektrifiziertes Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das elektrifizierte Fahrzeug 301 ist ein Hybrid-Elektrofahrzeug, das einen Batteriepack 303, einen Verbrennungsmotor 305, eine Steuereinheit 307 und einen Elektromotor 309 umfasst. Der Batteriepack 303 ist über ein Stromkabel 313 mit einer Ladestation 311 verbunden. Während des Ladens wird der Verbrennungsmotor 305 durch das Steuergerät 307 periodisch gestartet, betrieben und gestoppt, um Vibrationen zu erzeugen. Diese Vibrationen werden durch das Fahrzeug auf den Batteriepack 303 übertragen und versetzen so die Batteriezellen im Batteriepack 303 in Vibration. Die Fahrzeug-Kraftübertragung (nicht dargestellt) kann während dieses Vorgangs vom Antriebsstrang entkoppelt werden, um den Verbrennungsmotor 305 zu betreiben, ohne das Fahrzeug 301 anzutreiben.
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4 zeigt schematisch ein elektrifiziertes Fahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das elektrifizierte Fahrzeug 401 ist ein batterieelektrisches Fahrzeug, das einen Batteriepack 403, eine Steuereinheit 407 und einen Elektromotor 409 umfasst. Das elektrische Fahrzeug umfasst ferner eine aktive Aufhängung mit elektromechanischen Aktoren 415. Der Batteriepack 403 ist über ein Stromkabel 413 mit einer Ladestation 411 verbunden. Während des Ladens werden die elektromechanischen Aktoren 415 von der Steuereinheit 407 gezielt angesteuert, um Vibrationen zu erzeugen. Diese Vibrationen werden durch das Fahrzeug auf den Batteriepack 403 übertragen, wodurch die Batteriezellen im Batteriepack 403 in Vibration versetzt werden.
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5 stellt schematisch ein elektrifiziertes Fahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar. Das elektrifizierte Fahrzeug 501 ist ein batterieelektrisches Fahrzeug, das einen Batteriepack 503, eine Steuereinheit 507 und einen Elektromotor 509 umfasst. Das elektrische Fahrzeug umfasst ferner eine Servolenkung mit einem elektromechanischen Aktor 517. Eine mechanische Verbindung 519 verbindet den elektromechanischen Aktor 517 während des Ladens mit dem Gehäuse des Batteriepacks 503. Der Batteriepack 503 ist über ein Stromkabel 513 mit einer Ladestation 511 verbunden. Während des Ladens wird der elektromechanische Aktor 517 von der Steuereinheit 507 periodisch angesteuert, um eine Bewegung zu erzeugen, die über die mechanische Verbindung 519 auf das Gehäuse des Batteriepacks 503 übertragen wird und so die Batteriezellen im Batteriepack 503 in Vibration versetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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