WO2018202580A1 - Vorrichtung, system und verfahren zum laden eines energiespeichers sowie fahrzeug - Google Patents

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Isaac Lund
Simon LUX
Pascal Viala
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a device, a system and a method for charging an electrochemical energy store, in particular a vehicle battery, as well as a vehicle with such a system.
  • electrochemical energy storage devices are usually provided in the vehicles.
  • the vehicles can usually be connected to the public power grid or use special charging stations, which provide depending on the standard alternating, rotary or direct current for charging.
  • wired and wireless energy transmission systems are in development, which allow a particularly comfortable and easy charging of energy storage.
  • the energy stores usually charge taken and used to heat the energy storage during charging.
  • an ohmic heating element can be integrated into the energy store or arranged in the region of the energy store, by means of which the energy store can be heated to a predetermined or required temperature.
  • This object is achieved by a device, a system and a method for charging an electrochemical energy store according to the independent claims and a vehicle with such a system.
  • a device for charging an electrochemical energy store, in particular a vehicle battery, has a charging device and a heater on.
  • the charging device is set up for charging the electrochemical energy store and has a first electric circuit which is electrically coupled or can be coupled to the electrochemical energy store.
  • the heating device is adapted to heat the electrochemical energy storage and has a separate from the first circuit second circuit with an inductively heated by an external magnetic alternating field induction heating, wherein the induction heating is thermally coupled to the electrochemical energy storage or can be coupled.
  • a system according to the invention for charging an electrochemical energy store has an electrochemical energy store, in particular a vehicle battery, and a device according to the invention for charging the electrochemical energy store.
  • a vehicle according to the invention in particular a motor vehicle, has a system according to the invention for charging an electrochemical energy store.
  • An inventive method for charging an electrochemical energy storage device comprises the following steps: generating an external alternating magnetic field; Heating the electrochemical energy store by an induction heating element thermally coupled to the electrochemical energy store, which is inductively heated by the external alternating magnetic field; and charging the electrochemical energy storage by electrically coupling a first circuit, which is separated from a second electric circuit having the induction heating, to the electrochemical energy storage.
  • One aspect of the invention is based on the approach to heat an electrochemical energy storage prior to charging and / or during charging via an induction heating, wherein for charging a first circuit and for heating one of the first circuit, in particular spatially and / or electrically, separated and so that independently controllable second circuit is provided.
  • heating process to be controlled independently of the charging process and be adapted, for example, to the state of charge and / or a temperature of the energy store or to an ambient temperature.
  • the induction heating element is inductively heated by the external alternating magnetic field
  • the heating operation of the energy storage device can be performed externally, i. from outside of a vehicle, in which the energy storage is located, controlled or influenced.
  • the heating power is provided externally and does not need to be removed from the energy storage itself, which this less burdened and its life can be increased.
  • the invention enables an improved, in particular efficient, and energy-saving, charging of an energy store.
  • the inductive heating of the induction heating element or of the energy store is preferably started as soon as the vehicle is positioned, in particular switched off, in the area of a charging station or on a parking space, for example in a garage.
  • the energy store can already be brought to a temperature, in particular above a melting point of an electrolyte contained in the energy store, before the actual charging process starts, for example by connecting a charging cable to the charging device.
  • the first circuit has an induction element in which a current for charging the electrochemical energy store can be induced by the external alternating magnetic field.
  • the induction element is formed as a coil, which is penetratable by the magnetic flux of the external alternating magnetic field.
  • the induction element has a first coil, which is adapted to energy of the external magnetic alternating field at the first harmonic (fundamental frequency) of the external magnetic Absorb alternating field.
  • the absorption in the first harmonic of the alternating magnetic field enables a particularly efficient transmission of the energy for charging the energy store.
  • the induction heating element has a high-impedance second coil, which is set up to absorb energy of the external alternating magnetic field at the first harmonic (fundamental frequency) and / or a higher harmonic of the external alternating magnetic field.
  • the second coil is preferably made of a material having a high electrical resistance, in particular a resistivity of 0.1 ⁇ mm 2 / m or higher, preferably of 0.4 ⁇ mm 2 / m or higher, in particular of 1 ⁇ mm 2 / m or higher, made.
  • the second coil is preferably made of one or more alloys containing nickel, manganese, copper and / or chromium and / or transition metal compounds. It can thereby be achieved that the second coil strongly heats up when absorbing the energy of the external magnetic alternating field. This allows efficient and reliable heating of the energy storage.
  • the second coil is adapted to absorb energy of the external alternating magnetic field at a higher harmonic of the external alternating magnetic field
  • the amount of energy absorbed by the second coil is independent of that in the first harmonic in the first coil of the first circuit coupled-in energy adaptable.
  • a large part, in particular over half, of the energy of the external alternating magnetic field for charging the energy store and a smaller part, in particular less than half, of the energy of the external alternating magnetic field can be used to heat the energy store.
  • excessive heating of the energy storage can be avoided and the energy storage can be charged efficiently.
  • the heating device has a line arranged in the region of the induction heating element, which is designed to transport a heatable by the heated induction heating medium to the electrochemical energy storage.
  • This can be a reliable thermal coupling of the induction heating with the electrochemical energy storage are possible.
  • it is not absolutely necessary to arrange the energy store in the region of the second circuit or induction heating element, whereby the integration of the device according to the invention in a vehicle is significantly simplified.
  • the heating of the energy storage done without the energy storage is put into operation, which power losses can be avoided by a so-called stand voltage during heating.
  • the line is, in particular helically, arranged around the induction heating element, in particular wound.
  • the induction heating element in particular helical, can be arranged around the line, in particular wound.
  • the heatable medium is heated efficiently and / or reduces the radiation of unusable heat loss.
  • the line is integrated into the induction heating element, in particular cut, whereby the gravimetric performance of the system can be significantly increased.
  • a coolant of an energy storage cooling system which is used for cooling the energy storage in operation, i. in the removal of electrical energy from the energy storage is formed.
  • the line arranged in the region of the induction heating element is preferably part of the energy storage cooling system.
  • the device according to the invention has a control device which is set up in such a way to control a first switching element of the first circuit for interrupting or closing the first circuit and / or a second switching element for interrupting or closing the second circuit, in a first control mode, the electrochemical energy store is heated, in particular only heated, in a second control mode the electrochemical energy store is charged, in particular only charged, and in a third control mode the electrochemical energy store is heated and charged at the same time.
  • the heating of the electrochemical energy store can be adapted and controlled dynamically, for example, to the state of charge of the energy store.
  • the device according to the invention has a temperature sensor unit which is set up to detect a temperature of the electrochemical energy store.
  • the control device is preferably configured to change from the first control mode to the second control mode when the determined temperature reaches or exceeds a predetermined temperature threshold value.
  • the control device is set up to change from the second control mode into the first control mode if the determined temperature falls below a predetermined temperature threshold value.
  • the second circuit has a temperature-dependent electrical resistance which regulates, in particular limits, the heating of the induction heating element or of the second circuit when the predetermined temperature threshold value is reached or exceeded.
  • the system according to the invention has an excitation coil device for generating the external alternating magnetic field.
  • the excitation coil device is preferably configured to generate the external magnetic alternating field with a stable predetermined basic frequency, the so-called first harmonic.
  • the first and / or second coil of the first or second circuit can be easily introduced into the external alternating magnetic field, so that an electric current for charging the energy storage can be reliably induced or an inductive heating of the induction heating element can be effected.
  • FIG. 1 shows an example of a system for charging an electrochemical energy store
  • Fig. 2 shows an example of a heater and an energy storage.
  • FIG. 1 shows an example of a system 1 00 for charging an electrochemical energy store 2 with a device 1 for charging the electrochemical energy store 2, which has a charging device 1 1 with an induction element 5 and a heating device 1 2 with an induction heating element 6.
  • the system 100 further includes an exciting coil means 3 which generates an external alternating magnetic field 4, shown schematically in the figure by an arrow whose magnetic flux penetrates a first coil 5 'of the induction element 5 and a second coil 6' of the induction heating element 6.
  • the polarity of the external alternating magnetic field 4 changes with a predetermined fundamental frequency, the so-called first harmonic.
  • the fundamental frequency is preferably 40 to 130 kHz, preferably 60 to 110 kHz, in particular essentially 85 kHz.
  • the external alternating magnetic field 4 induces an electric current in each of the first coil 5 'and the second coil 6'.
  • the excitation coil device 3 and / or the first coil 5 'and / or the second coil 6' are preferably aligned coaxially with each other.
  • the first coil 5 ' is part of a first electric circuit 7, which is electrically coupled to the electrochemical energy storage 2.
  • the current induced in the first coil 5 ' is used, if necessary after rectification, to charge the electrochemical energy store 2.
  • the electrical current induced in the second coil 6 'or in the induction heating element 6 leads to a heating of the induction heating element 6.
  • the second coil 6' or the induction heating element 6 is part of a second electric circuit 8 and / or spatially separate from the first electric circuit 7 thermally coupled to the electrochemical energy storage 2.
  • the thermal coupling can, as indicated in Figure 1, for example, by an arrangement of the electrochemical energy storage device 2 in the area, in particular in the immediate vicinity of the induction heating 6 are realized.
  • the second coil 6 ' is preferably a high-resistance coil which has a high electrical resistance and is preferably made of a heating conductor alloy or of a resistance alloy, in particular according to DIN 17471.
  • the first circuit 7 has a first switching element T, which is set up to close or interrupt the first circuit 7.
  • the second circuit 8 a second switching element 8 ', which is arranged to close or interrupting the second circuit 8.
  • the first and second switching elements 7 ', 8' can be controlled by a control device 9, which preferably has three different control modes.
  • the first switching element T interrupts the first circuit 7 and the second switching element 8 'closes the second circuit 8, so that only in the induction heating element 6, an electric current is induced.
  • the induction heating element 6 heats up without the energy store being charged.
  • substantially the entire absorbed energy of the alternating magnetic field 4 is used for heating the energy store 2.
  • the switching element T closes the first circuit 7 and the second switching element 8 'interrupts the second circuit 8, so that only in the induction element 5, an electric current is induced.
  • the switching element 7 'closes the first circuit 7 and the second switching element 8' the second circuit 8, so that in each case an electrical current is induced in both the induction element 5 and the induction heating element 6.
  • the energy of the alternating magnetic field 4 is absorbed both by the induction element 5 and the induction heating element 6 and used to charge the energy storage device 2 on the one hand and for the simultaneous heating of the energy storage device 2 on the other hand.
  • both the first coil 5 'and the second coil 6' are adapted to absorb the energy of the alternating magnetic field 4 in the first harmonic see the alternating magnetic field 4.
  • the first and second coil 5 ', 6' each achieve an absorption efficiency of about 98%.
  • the first and second coils 5 ', 6' absorb the energy of the alternating magnetic field 4 to substantially equal parts, in particular to substantially 48%.
  • the second coil 6 ' may also be configured to absorb the energy of the alternating magnetic field 4 in the second or higher harmonic of the alternating magnetic field 4. As a result, the absorption coefficient of the second coil 6 'is reduced to substantially 45%.
  • the absorption ratio and thus the charging or heating ratio of the first and second coils 5 ', 6' can be set and the charging process can be made particularly efficient.
  • a temperature sensor unit 10 is preferably arranged, which is set up to detect a temperature of the energy store 7.
  • the control device 9 can control the opening or closing of the switching elements 7 ', 8', ie the closing or interrupting of the first and / or second electric circuits 7, 8.
  • the control device 9 can change based on the determined temperature in the first, second or third control mode or be operated in response to the determined temperature in the first, second or third control mode.
  • the control device can 9 in the first control mode first cause heating of the energy storage 2. If the temperature of the energy store 2 has finally reached or exceeded the temperature threshold value, the control device 9 can change to the second control mode and cause charging of the energy store 2. If the temperature drops again during charging, the second control mode switches back to the first control mode. This ensures that the energy storage 2 is gently and efficiently charged.
  • a temperature threshold value for example the melting temperature of an electrolyte of the energy store 2
  • the control device 9 in the first control mode first cause heating of the energy storage 2. If the temperature of the energy store 2 has finally reached or exceeded the temperature threshold value, the control device 9 can change to the second control mode and cause charging of the energy store 2. If the temperature drops again during charging, the second control mode switches back to the first control mode. This ensures that the energy storage 2 is gently and efficiently charged.
  • FIG. 2 shows, by way of example, a heating device 12 with an induction heating element 6, which is thermally coupled to an energy store 2.
  • the induction heating element 6 has a second coil 6 ', in particular a high-resistance coil, which is set up to absorb energy from an external alternating magnetic field (not shown) and heats up.
  • the thermal coupling of the induction heating element 6 to the energy store 2 is realized in this example by a line 13 which is adapted to transport a heatable medium, for example a coolant, from the second coil 6 'to the energy store 2.
  • the line 13 is wound around the second coil 6 'in the region of the induction heating element 6, so that the heat resulting from inductive heating in the second coil 6' can be absorbed and stored by the heatable medium as it flows through the line in the area of the induction heating element 6 , In the area of the energy store 2, the heated medium can then release the stored heat back to the energy store 2.

Abstract

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

Description

VORRICHTUNG, SYSTEM UND VERFAHREN ZUM LADEN EINES ENERG IESPEICHERS SOWIE FAHRZEUG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Laden eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, so- wie ein Fahrzeug mit einem solchen System.
Um elektrisch angetriebene Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, mit der notwendigen Energie zu versorgen, sind in den Fahrzeugen in der Regel elektrochemische Energiespeicher vorgesehen. Zum Wiederaufladen der Energiespeicher existieren unterschiedliche Ladestandards. Die Fahrzeuge können üblicherweise an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden oder spezielle Stromtankstellen nutzen, welche je nach Standard Wechsel-, Dreh- oder Gleichstrom zum Laden zur Verfügung stellen. Als Alternative zu kabelgebundenen befinden sich auch drahtlose Energieübertragungssysteme in der Entwicklung, welche ein besonders komfortables und einfaches Laden der Energiespeicher ermöglichen. Um ein effizientes und schonendes Wiederaufladen der Energiespeicher zu ermöglichen, wird den Energiespeichern üblicherweise Ladung entnommen und diese dazu genutzt, die Energiespeicher beim Ladevorgang zu erwärmen. Dazu kann z.B. ein ohmsches Heizelement in den Energiespeicher integriert oder im Bereich des Energiespeichers angeordnet sein, durch welches der Energiespeicher auf eine vorgege- bene bzw. erforderliche Temperatur erwärmt werden kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den Ladevorgang eines elektrochemischen Energiespeichers weiter zu verbessern, insbesondere eine hohe Leistungsaufnahme durch den Energiespeicher bei gleichzeitig erhöhter Lebensdauer des Energiespeichers zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Laden eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß den unabhängigen Ansprüchen sowie ein Fahrzeug mit einem solchen System.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, weist eine Aufladeeinrichtung und eine Heizeinrichtung auf. Die Aufladeeinrichtung ist zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers eingerichtet und weist einen ersten Stromkreis auf, welcher mit dem elektrochemischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist oder gekoppelt werden kann. Die Heizeinrichtung ist zum Beheizen des elektrochemi- sehen Energiespeichers eingerichtet und weist einen vom ersten Stromkreis getrennten zweiten Stromkreis mit einem durch ein äußeres magnetisches Wechselfeld induktiv erwärmbaren Induktionsheizelement auf, wobei das Induktionsheizelement mit dem elektrochemischen Energiespeicher thermisch gekoppelt ist oder gekoppelt werden kann. Ein erfindungsgemäßes System zum Laden eines elektrochemischen Energiespeichers weist einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden des elektrochemischen Energiespeichers auf.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, weist ein erfin- dungsgemäßes System zum Laden eines elektrochemischen Energiespeichers auf.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, weist die folgenden Schritte auf: Erzeugen eines äußeren magnetischen Wechselfelds; Beheizen des elektrochemischen Energiespeichers durch ein mit dem elektrochemischen Energiespeicher ther- misch gekoppeltes Induktionsheizelement, welches durch das äußere magnetische Wechselfeld induktiv erwärmt wird; und Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers durch elektrisches Koppeln eines ersten Stromkreises, welcher von einem das Induktionsheizelement aufweisenden zweiten Stromkreis getrennt ist, an den elektrochemischen Energiespeicher. Ein Aspekt der Erfindung basiert auf dem Ansatz, einen elektrochemischen Energiespeicher vor dem Aufladen und/oder während des Aufladens über ein Induktionsheizelement zu erwärmen, wobei zum Aufladen ein erster Stromkreis und zum Erwärmen ein vom ersten Stromkreis, insbesondere räumlich und/oder elektrisch, getrennter und damit unabhängig steuerbarer zweiter Stromkreis vorgesehen ist.
Dadurch kann der Erwärmungsprozess unabhängig vom Aufladeprozess gesteuert und beispielsweise an den Ladezustand und/oder eine Temperatur des Energiespeichers bzw. an eine Umgebungstemperatur angepasst werden.
Da das Induktionsheizelement durch das äußere magnetische Wechselfeld induktiv erwärmt wird, kann die Beheizungsvorgang des Energiespeichers von extern, d.h. von außerhalb eines Fahrzeugs, in welchem sich der Energiespeicher befindet, gesteuert bzw. beeinflusst werden. Insbesondere wird dabei die Heizleistung extern zur Verfügung gestellt und muss nicht dem Energiespeicher selbst entnommen werden, wodurch dieser weniger belastet und dessen Lebensdauer erhöht werden kann. Insgesamt ermöglicht die Erfindung ein verbessertes, insbesondere effizientes und den Energiespeicher schonendes, Aufladen eines Energiespeichers.
Die induktive Erwärmung des Induktionsheizelements bzw. des Energiespeichers wird vorzugsweise gestartet, sobald das Fahrzeug im Bereich einer Stromtankstelle oder auf einem Stellplatz, etwa in einer Garage, positioniert, insbesondere abge- stellt, wird. Dadurch kann der Energiespeicher bereits auf eine Temperatur, insbesondere oberhalb eines Schmelzpunkts eines im Energiespeicher enthaltenen Elektrolyten, gebracht werden, bevor der eigentliche Aufladeprozess, beispielsweise durch Verbinden eines Ladekabels mit der Aufladeeinrichtung, startet.
In einer bevorzugten Ausführung weist der erste Stromkreis ein Induktionselement auf, in welchem durch das äußere magnetische Wechselfeld ein Strom zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers induzierbar ist. Vorzugsweise ist das Induktionselement als Spule, welche von dem magnetischen Fluss des äußeren magnetischen Wechselfelds durchdringbar ist, ausgebildet. Dadurch kann die Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds vorteilhafterweise sowohl zur Erwär- mung des elektrochemischen Energiespeichers vor dem Aufladeprozess oder während des Aufladeprozesses als auch zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers genutzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist das Induktionselement eine erste Spule auf, welche dazu eingerichtet ist, Energie des äußeren magnetischen Wech- selfelds bei der ersten Harmonischen (Grundfrequenz) des äußeren magnetischen Wechselfelds zu absorbieren. Dabei ermöglicht die Absorption bei der ersten Harmonischen des magnetischen Wechselfelds eine besonders effiziente Übertragung der Energie zum Aufladen des Energiespeichers.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist das Induktionsheizelement eine hochohmige zweite Spule auf, welche dazu eingerichtet ist, Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds bei der ersten Harmonischen (Grundfrequenz) und/oder einer höheren Harmonischen des äußeren magnetischen Wechselfelds zu absorbieren. Vorzugsweise ist die zweite Spule dabei aus einem Material mit einem hohen elektrischen Widerstand, insbesondere einem spezifischen Widerstand von 0, 1 Ω mm2/m oder höher, bevorzugt von 0,4 Ω mm2/m oder höher, insbesondere von 1 Ω mm2/m oder höher, gefertigt. Bevorzugt ist die zweite Spule dabei aus einer oder mehreren Legierungen gefertigt, welche Nickel, Mangan, Kupfer und/oder Chrom und/oder Übergangsmetallverbindungen enthält. Dadurch kann erreicht werden, dass sich die zweite Spule bei Absorption der Energie des äußeren magneti- sehen Wechselfelds stark erwärmt. Dies ermöglicht eine effiziente und zuverlässige Erwärmung des Energiespeichers.
Indem die zweite Spule dazu eingerichtet ist, Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds bei einer höheren Harmonischen des äußeren magnetischen Wechselfelds zu absorbieren, ist die Menge der von der zweiten Spule absorbierten Ener- gie unabhängig von der bei der ersten Harmonischen in die erste Spule des ersten Stromkreises eingekoppelten Energie anpassbar. Insbesondere kann ein Großteil, insbesondere über die Hälfte, der Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds zum Aufladen des Energiespeichers und ein kleinerer Teil, insbesondere weniger als die Hälfte, der Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds zum Erwärmen des Energiespeichers verwendet werden. Dadurch kann eine übermäßige Erwärmung des Energiespeichers vermieden und der Energiespeicher effizient aufgeladen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Heizeinrichtung eine im Bereich des Induktionsheizelements angeordnete Leitung auf, welche dazu eingerichtet ist, ein durch das erwärmte Induktionsheizelement erwärmbares Medium zum elektrochemischen Energiespeicher zu transportieren. Dadurch kann eine zuverlässige thermische Kopplung des Induktionsheizelements mit dem elektrochemischen Energiespeicher ermöglicht werden. Insbesondere ist es dabei nicht zwingend notwendig, den Energiespeicher im Bereich des zweiten Stromkreises bzw. Induktionsheizelements anzuordnen, wodurch die Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Fahrzeug deutlich vereinfacht wird. Vorzugsweise kann in dieser Ausführung die Beheizung des Energiespeichers erfolgen, ohne dass der Energiespeicher in Betrieb genommen wird, wodurch Leistungsverluste durch eine sogenannte Standspannung während der Beheizung vermieden werden können.
Vorzugsweise ist die Leitung dabei, insbesondere wendeiförmig, um das Induktions- heizelement herum angeordnet, insbesondere gewickelt. Alternativ kann aber auch das Induktionsheizelement, insbesondere wendeiförmig, um die Leitung herum angeordnet, insbesondere gewickelt, sein. In beiden Fällen wird das erwärmbare Medium effizient erwärmt und/oder die Abstrahlung von nicht nutzbarer Verlustwärme vermindert. In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Leitung in das Induktionsheizelement integriert, insbesondere eingeschnitten, wodurch die gravimetrische Leistung des Systems signifikant erhöht werden kann.
Es ist ferner bevorzugt, als erwärmbares Medium ein Kühlmittel eines Energiespei- cherkühlsystems zu verwenden, welches zur Kühlung des Energiespeichers im Be- trieb, d.h. bei der Entnahme von elektrischer Energie aus dem Energiespeicher, ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die im Bereich des Induktionsheizelements angeordnete Leitung Teil des Energiespeicherkühlsystems.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, ein erstes Schaltelement des ersten Stromkreises zum Unterbrechen bzw. Schließen des ersten Stromkreises und/oder ein zweites Schaltelement zum Unterbrechen bzw. Schließen des zweiten Stromkreises derart zu steuern, dass in einem ersten Steuermodus der elektrochemische Energiespeicher erwärmt, insbesondere nur erwärmt, in einem zweiten Steuermodus der elektrochemische Energiespeicher aufgeladen, insbeson- dere nur aufgeladen, und in einem dritten Steuermodus der elektrochemische Energiespeicher erwärmt und gleichzeitig aufgeladen wird. Dadurch kann die Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds gezielt und effizient zum Erwärmen und/oder Aufladen des Energiespeichers verwendet werden. Ferner kann die Erwärmung des elektrochemischen Energiespeichers dynamisch, beispielsweise an den Ladezustand des Energiespeichers, angepasst und gesteuert werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Temperatursensoreinheit auf, welche dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers zu erfassen. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dabei dazu eingerichtet, von dem ersten Steuermodus in den zweiten Steuermodus zu wechseln, wenn die ermittelte Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert erreicht oder überschreitet. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, von dem zweiten Steuermodus in den ersten Steuermodus zu wechseln, wenn die ermittelte Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert unterschreitet. Durch beide Ausführungen kann zuverlässig vermieden werden, dass der Energiespeicher bei einer niedrigen Temperatur, insbesondere unterhalb des Schmelzpunktes eines Elektrolyten des Energiespeichers, aufgeladen wird. Somit wird ein schonendes und effizientes Aufladen des Energiespeichers ermöglicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist der zweite Stromkreis einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand auf, der bei Erreichen oder Überschreiten des vorgegebenen Temperaturschwellenwerts die Erwärmung des Induktionsheizelements bzw. des zweiten Stromkreises reguliert, insbesondere begrenzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist das erfindungsgemäße System eine Erregerspuleneinrichtung zum Erzeugen des äußeren magnetischen Wechselfeldes auf. Vorzugsweise ist die Erregerspuleneinrichtung dabei dazu eingerichtet, das äußere magnetische Wechselfeld mit einer stabilen vorgegebenen Grundfrequenz, der sog. ersten Harmonischen, zu erzeugen. Dadurch kann die erste und/oder zweite Spule des ersten bzw. zweiten Stromkreises einfach in das äußere magnetische Wechselfeld eingebracht werden, so dass ein elektrischer Strom zum Aufladen des Energiespeichers zuverlässig induziert bzw. eine induktive Erwärmung des Induktionsheizelements bewirkt werden kann. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren, in denen durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet werden. Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:
Fig. 1 ein Beispiel eines Systems zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers; und
Fig. 2 ein Beispiel einer Heizeinrichtung und eines Energiespeichers.
Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Systems 1 00 zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers 2 mit einer Vorrichtung 1 zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers 2, welche eine Aufladeeinrichtung 1 1 mit einem Induktionselement 5 und eine Heizeinrichtung 1 2 mit einem Induktionsheizelement 6 aufweist.
Das System 1 00 weist ferner eine Erregerspuleneinrichtung 3 auf, die ein äußeres magnetisches Wechselfeld 4 erzeugt, in der Figur durch einen Pfeil schematisch dargestellt, dessen magnetischer Fluss eine erste Spule 5' des Induktionselements 5 und eine zweite Spule 6' des Induktionsheizelements 6 durchdringt. Dabei ändert sich die Polung des äußeren magnetischen Wechselfelds 4 mit einer vorgegebenen Grundfrequenz, der sog. ersten Harmonischen. Die Grundfrequenz beträgt vorzugsweise 40 bis 1 30 kHz, bevorzugt 60 bis 1 10 kHz, insbesondere im Wesentli- chen 85 kHz. Somit induziert das äußere magnetische Wechselfeld 4 in der ersten Spule 5' und in der zweiten Spule 6' jeweils einen elektrischen Strom.
Die Erregerspuleneinrichtung 3 und/oder die erste Spule 5' und/oder die zweite Spule 6' sind vorzugsweise koaxial zueinander ausgerichtet.
Die erste Spule 5' ist Teil eines ersten Stromkreises 7, welcher mit dem elektroche- mischen Energiespeicher 2 elektrisch gekoppelt ist. Der in der ersten Spule 5' induzierte Strom wird, ggf. nach einer Gleichrichtung, zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers 2 verwendet. Der in der zweiten Spule 6' bzw. im Induktionsheizelement 6 induzierte elektrische Strom führt zu einer Erwärmung des Induktionsheizelements 6. Die zweite Spule 6' bzw. das Induktionsheizelement 6 ist Teil eines vom ersten Stromkreis 7 elektrisch und/oder räumlich getrennten zweiten Stromkreises 8 und thermisch mit dem elekt- rochemischen Energiespeicher 2 gekoppelt. Die thermische Kopplung kann, wie in Figur 1 angedeutet, beispielsweise durch eine Anordnung des elektrochemischen Energiespeichers 2 im Bereich, insbesondere in unmittelbarer Nähe, des Induktionsheizelements 6 realisiert werden.
Die zweite Spule 6' ist vorzugsweise eine hochohmige Spule, welche einen hohen elektrischen Widerstand aufweist und vorzugsweise aus einer Heizleiterlegierung o- der einer Widerstandslegierung, insbesondere nach DIN 17471 , gefertigt ist.
Der erste Stromkreis 7 weist ein erstes Schaltelement T auf, welches zum Schließen bzw. Unterbrechen des ersten Stromkreises 7 eingerichtet ist. Ebenso weist der zweite Stromkreis 8 ein zweites Schaltelement 8' auf, welches zum Schließen bzw. Unterbrechen des zweiten Stromkreises 8 eingerichtet ist.
Das erste und zweite Schaltelement 7', 8', können durch eine Steuereinrichtung 9 gesteuert werden, die vorzugsweise drei verschiedene Steuermodi aufweist. Im ersten Steuermodus unterbricht das erste Schaltelement T den ersten Stromkreis 7 und das zweite Schaltelement 8' schließt den zweiten Stromkreis 8, so dass nur im Induktionsheizelement 6 ein elektrischer Strom induziert wird. Dadurch erwärmt sich das Induktionsheizelement 6, ohne dass der Energiespeicher geladen wird. Dadurch wird im Wesentlichen die gesamte absorbierte Energie des magnetischen Wechselfelds 4 zum Erwärmen des Energiespeichers 2 eingesetzt.
Im zweiten Steuermodus schließt das Schaltelement T den ersten Stromkreis 7 und das zweite Schaltelement 8' unterbricht den zweiten Stromkreis 8, so dass nur im Induktionselement 5 ein elektrischer Strom induziert wird. Dadurch wird im Wesentlichen die gesamte absorbierte Energie des magnetischen Wechselfelds 4 zum Aufladen des Energiespeichers 2 eingesetzt. Im dritten Steuermodus schließt das Schaltelement 7' den ersten Stromkreis 7 und das zweite Schaltelement 8' den zweiten Stromkreis 8, so dass sowohl im Induktionselement 5 als auch im Induktionsheizelement 6 jeweils ein elektrischer Strom induziert wird. Die Energie des magnetischen Wechselfelds 4 wird dabei sowohl vom Induktionselement 5 als auch vom Induktionsheizelement 6 absorbiert und zum Aufladen des Energiespeichers 2 einerseits und zum gleichzeitigen Erwärmen des Energiespeichers 2 andererseits genutzt.
Vorzugsweise sind sowohl die erste Spule 5' als auch die zweite Spule 6' dazu eingerichtet, die Energie des magnetischen Wechselfelds 4 bei der ersten harmoni- sehen des magnetischen Wechselfelds 4 zu absorbieren. Dabei erreichen die erste und zweite Spule 5', 6' jeweils eine Absorptionseffizienz von etwa 98 %. Im dritten Steuermodus absorbieren die erste und die zweite Spule 5', 6'die Energie des magnetischen Wechselfelds 4 daher zu im Wesentlichen gleichen Teilen, insbesondere zu im Wesentlichen 48 %. Alternativ kann die zweite Spule 6' aber auch dazu eingerichtet sein, die Energie des magnetischen Wechselfelds 4 bei der zweiten oder einer höheren harmonischen des magnetischen Wechselfelds 4 zu absorbieren. Dadurch reduziert sich die Absorptionseffizient der zweiten Spule 6' auf im Wesentlichen 45 %. Im dritten Steuermodus absorbiert die erste Spule 5' daher einen größeren Teil der Energie des magnetischen Wechselfelds 4 als die zweite Spule 6'. Somit kann das Absorptionsverhältnis und damit das Lade- bzw. Heizverhältnis der ersten und zweiten Spulen 5', 6' eingestellt und der Aufladeprozess besonders effizient gestaltet werden.
Im Bereich des Energiespeichers 2 ist vorzugsweise eine Temperatursensoreinheit 1 0 angeordnet, welche dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des Energiespei- chers 7 zu erfassen. Die Steuereinrichtung 9 kann anhand der erfassten Temperatur das Öffnen bzw. Schließen der Schaltelemente 7', 8', d.h. das Schließen bzw. Unterbrechen des ersten und/oder zweiten Stromkreises 7, 8, steuern. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 9 anhand der ermittelten Temperatur in den ersten, zweiten oder dritten Steuermodus wechseln bzw. in Abhängigkeit von der ermittel- ten Temperatur im ersten, zweiten oder dritten Steuermodus betrieben werden. Befindet sich ein mit dem Energiespeicher 2 und der Vorrichtung 1 zum Aufladen des Energiespeichers 2 ausgestattetes Fahrzeug in einer kalten Umgebung, so dass die Temperatur des Energiespeichers 2 unterhalb eines Temperaturschwellenwerts, beispielsweise der Schmelztemperatur eines Elektrolyten des Energiespei- chers 2, liegt, kann die Steuereinrichtung 9 im ersten Steuermodus zunächst ein Erwärmen des Energiespeichers 2 veranlassen. Hat die Temperatur des Energiespeichers 2 schließlich den Temperaturschwellwert erreicht oder überschritten, kann die Steuereinrichtung 9 in den zweiten Steuermodus wechseln und ein Aufladen des Energiespeichers 2 veranlassen. Sollte die Temperatur beim Aufladen wieder fallen, wird vom zweiten Steuermodus wieder in den ersten Steuermodus umgeschaltet. Dadurch wird sichergestellt, dass der Energiespeicher 2 schonend und effizient aufgeladen wird.
In Figur 2 ist beispielhaft eine Heizeinrichtung 12 mit einem Induktionsheizelement 6 dargestellt, welches thermisch mit einem Energiespeicher 2 gekoppelt ist. Das Induktionsheizelement 6 weist eine zweite Spule 6', insbesondere eine hochoh- mige Spule, auf, welche zur Absorption von Energie eines äußeren magnetischen Wechselfelds (nicht dargestellt) eingerichtet ist und sich dabei erwärmt. Die thermische Kopplung des Induktionsheizelements 6 an den Energiespeicher 2 wird in diesem Beispiel durch eine Leitung 13 realisiert, welche dazu eingerichtet ist, ein er- wärmbares Medium, beispielsweise ein Kühlmittel, von der zweiten Spule 6' zum Energiespeicher 2 zu transportieren.
Die Leitung 13 ist dabei im Bereich des Induktionsheizelements 6 um die zweite Spule 6' gewunden, so dass die mittels induktiver Erwärmung in der zweiten Spule 6' entstehende Wärme von dem erwärmbaren Medium beim Durchströmen der Leitung im Bereich des Induktionsheizelements 6 aufgenommen und gespeichert werden kann. Im Bereich des Energiespeichers 2 kann das erwärmte Medium die gespeicherte Wärme dann wieder an den Energiespeicher 2 abgeben.
Die in Figur 2 gezeigte Anordnung von Energiespeicher 2, Leitung 1 3 und Induktionsheizelement 6 ist besonders vorteilhaft, da der Energiespeicher 2 und das Induktionsheizelement 6 nicht in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert werden müs- sen, um eine zuverlässige thermische Kopplung zu erreichen. Dies erleichtert die Integration des Energiespeichers 2 und der Heizeinrichtung 12 in das Fahrzeug erheblich.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers
2 elektrochemischer Energiespeicher
3 Erregerspuleneinrichtung
4 magnetisches Wechselfeld
5 Induktionselement
5' erste Spule
6 Induktionsheizelement
6' zweite Spule
7 erster Stromkreis
8 zweiter Stromkreis
9 Steuereinrichtung
1 0 Temperatursensoreinrichtung
1 1 Aufladeeinrichtung
1 2 Heizeinrichtung
1 3 Leitung
1 00 System zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers

Claims

ANSPRÜCHE
Vorrichtung (1 ) zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers (2), insbesondere einer Fahrzeugbatterie, mit
-einer Aufladeeinrichtung (1 1 ), welche zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers (2) eingerichtet ist, mit einem ersten Stromkreis (7), welcher mit dem elektrochemischen Energiespeicher (2) elektrisch gekoppelt ist, und
-einer Heizeinrichtung (12), welche zum Beheizen des elektrochemischen Energiespeichers (2) eingerichtet ist, mit einem vom ersten Stromkreis (7) getrennten zweiten Stromkreis (8), welcher ein durch ein äußeres magnetisches Wechselfeld (4) induktiv erwärmbares Induktionsheizelement (6) aufweist, das mit dem elektrochemischen Energiespeicher (2) thermisch gekoppelt ist.
Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei der erste Stromkreis (7) ein Induktionselement (5) aufweist, in welchem durch das äußere magnetische Wechselfeld (4) ein Strom zum Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers (2) induzierbar ist.
Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 2, wobei das Induktionselement (5) eine erste Spule (5') aufweist, welche dazu eingerichtet ist, Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds (4) bei der ersten Harmonischen (Grundfrequenz) des äußeren magnetischen Wechselfelds (4) zu absorbieren.
Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Induktionsheizelement (6) eine hochohmige zweite Spule (6') aufweist, welche dazu eingerichtet ist, Energie des äußeren magnetischen Wechselfelds (4) bei der ersten Harmonischen (Grundfrequenz) und/oder einer höheren Harmonischen des äußeren magnetischen Wechselfelds (4) zu absorbieren. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heizeinrichtung (12) eine im Bereich des Induktionsheizelements (6) angeordnete Leitung (13) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, ein durch das erwärmte Induktionsheizelement (6) erwärmbares Medium zum elektrochemischen Energiespeicher (2) zu transportieren.
Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Steuereinrichtung (9), welche dazu eingerichtet ist, ein erstes Schaltelement (7') des ersten Stromkreises (7) zum Unterbrechen bzw. Schließen des ersten Stromkreises (7') und/oder ein zweites Schaltelement (8') zum Unterbrechen bzw. Schließen des zweiten Stromkreises (8) derart zu steuern, dass in einem ersten Steuermodus der elektrochemische Energiespeicher (2) erwärmt, in einem zweiten Steuermodus der elektrochemische Energiespeicher (2) aufgeladen und in einem dritten Steuermodus der elektrochemische Energiespeicher (2) erwärmt und gleichzeitig aufgeladen wird.
Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 6 mit einer Temperatursensoreinheit (10), welche dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers (2) zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung (9) dazu eingerichtet ist, von dem ersten Steuermodus in den zweiten Steuermodus zu wechseln, wenn die erfasste Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert erreicht oder überschreitet, und/oder von dem zweiten Steuermodus in den ersten Steuermodus zu wechseln, wenn die erfasste Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert unterschreitet.
System (100) zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers (2) mit
-einem elektrochemischen Energiespeicher (2), insbesondere einer Fahrzeugbatterie, und
-einer Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
System (100) nach Anspruch 8 mit einer Erregerspuleneinrichtung (3) Erzeugen des äußeren magnetischen Wechselfeldes (4).
0. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem System (1 00) zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers (2) nach Anspruch 8. 1 . Verfahren zum Aufladen eines elektrochemischen Energiespeichers (2), ins- besondere einer Fahrzeugbatterie, mit den folgenden Schritten :
- Erzeugen eines äußeren magnetischen Wechselfelds (4);
- Beheizen des elektrochemischen Energiespeichers (2) durch ein mit dem elektrochemischen Energiespeicher (2) thermisch gekoppeltes Induktionsheizelement (6), welches durch das äußere magnetische Wechselfeld (4) induktiv erwärmt wird; und
-Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers (2) durch elektrisches Koppeln eines ersten Stromkreises (7), welcher von einem das Induktionsheizelement (6) aufweisenden zweiten Stromkreis (8) getrennt ist, an den elektrochemischen Energiespeicher (2).
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