DE102014114768A1

DE102014114768A1 - Verfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102014114768A1
Application number: DE102014114768.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Spesser
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2016-04-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeuges mithilfe eines Ladegerätes des Fahrzeuges, wobei die Batterie und das Ladegerät über ein gemeinsames Kühlsystem gekühlt werden, wobei eine Temperatur der Batterie ermittelt wird, wobei die Temperatur mit einem Grenzwert verglichen wird, wobei ein Wirkungsgrad des Ladegerätes reduziert wird, um mehr Verlustleistung beim Laden der Batterie zu erzeugen, wenn die Temperatur der Batterie unter dem Grenzwert liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeuges gemäß Patentanspruch 1, ein Ladegerät gemäß Patentanspruch 6 und ein Fahrzeug mit einem Ladegerät gemäß Patentanspruch 12.
Aus US 2011/0316486 A1 ist ein Fahrzeug mit einem Ladegerät bekannt, wobei das Ladegerät von einer externen Spannungsquelle mit Strom versorgt wird. Das Ladegerät ist ausgebildet, um abhängig von der Temperatur der Batterie des Fahrzeuges den Ladevorgang der Batterie zu steuern. Weiterhin weist das Fahrzeug eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Batterie auf. Zudem weist das Fahrzeug eine Vorrichtung zum Aufheizen der Batterie auf. Liegt die Temperatur der Batterie unter einer vorgegebenen Grenztemperatur, so wird die Batterie vor dem Laden der Batterie mithilfe der Heizeinrichtung erwärmt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes Ladegerät zum Laden der Batterie des Fahrzeuges bereitzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1, durch das Ladegerät gemäß Patentanspruch 6 und durch das Fahrzeug gemäß Patentanspruch 12 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Vorteil des beschriebenen Verfahrens und des Ladegerätes besteht darin, dass die Batterie ohne Zusatzaufwand erwärmt werden kann, wenn die Temperatur zum Laden der Batterie unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt. Dieser Vorteil wird dadurch erreicht, dass die Verlustleistung des Ladegerätes absichtlich erhöht wird, um die Batterie wenigstens nicht weiter abzukühlen bzw. um die Batterie zu erwärmen. Dazu ist das Ladegerät mit dem gleichen Kühlsystem wie die Batterie verbunden. Durch die Erhöhung der Verlustleistung des Ladegeräts wird vom Ladegerät Verlustwärme an das Kühlsystem abgegeben. Da die Batterie mit dem gleichen Kühlsystem gekoppelt ist, wird eine Erhöhung der Temperatur der Batterie erreicht.
In einer Ausführungsform wird das Ladegerät von einer externen Stromquelle mit Strom versorgt. Auf diese Weise ist es möglich, die Verlustwärme zum Erwärmen der Batterie von der externen Stromquelle zu beziehen. Somit wird die Ladung der Batterie des Fahrzeuges geschont.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein effizienter Einsatz des Ladegerätes zum Erwärmen der Batterie erreicht. Dies wird dadurch möglich, dass bei steigender Temperatur der Batterie die Verlustleistung des Ladegerätes reduziert wird. Somit wird eine unnötige Erzeugung von Verlustwärme durch das Ladegerät vermieden. Bei steigender Temperatur der Batterie, insbesondere bei Überschreiten der Grenztemperatur, ist es weniger bzw. nicht mehr erforderlich, dass das Ladegerät zusätzliche Verlustwärme an das Kühlsystem abgibt.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Ladegerät einen Gleichrichter und einen Gleichspannungswandler auf. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann der Wirkungsgrad des Gleichrichters und/oder der Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers zur Erzeugung der Verlustwärme verändert werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Wirkungsgrad des Ladegerätes durch eine Änderung einer Stromsollwertvorgabe eines Wechselstromeinganges und/oder durch eine Änderung einer Spannungsvorgabe des Wechselstromeinganges und/oder durch eine Änderung einer Stromsollwertvorgabe eines Gleichspannungsausganges und/oder eine Änderung einer Spannungsvorgabe des Gleichspannungsausganges und/oder eine Änderung einer Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers und/oder eine Änderung einer Resonanzfrequenzvorgabe des Gleichspannungswandlers erreicht. Abhängig vom gewählten Ausführungsbeispiel können eine oder mehrere der genannten Parameter zur Erhöhung der Verlustwärme des Ladegerätes geändert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges mit einem Ladegerät,
2 einen schematischen Programmablauf zum Laden der Batterie des Fahrzeuges, und
3 eine schematische detaillierte Darstellung des Ladegerätes.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Fahrzeug 1, das eine elektrische Batterie 4 aufweist. Die Batterie 4 ist beispielsweise vorgesehen, um einen Antriebsmotor des Fahrzeuges und/oder weitere elektrische Verbraucher des Fahrzeuges mit Strom zu versorgen. Weiterhin ist ein im Fahrzeug 1 eingebautes Ladegerät 2 vorgesehen, das einen Anschluss 3 zum Anschließen einer externen Spannungsquelle aufweist. Weiterhin ist ein Steuersystem 5 vorgesehen, das mit einem Temperatursensor 6 und mit einem Datenspeicher 10 in Verbindung steht. Der Temperatursensor 6 ist ausgebildet, um eine Temperatur der Batterie 4 zu erfassen. Dabei kann der Temperatursensor 6 direkt in Wirkverbindung mit der Batterie 4 stehen. Zudem ist das Steuersystem 5 über eine Steuerleitung 8 mit dem Ladegerät 2 verbunden. Das Ladegerät 2 steht über elektrische Ladeleitungen 9 mit den elektrischen Anschlüssen der Batterie 4 in Verbindung. Die Batterie 4 und das Ladegerät sind mit einem Kühlkreislauf 7 verbunden.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Ablauf eines Ladevorganges der Batterie 4. Bei Programmpunkt 100 wird eine externe Stromquelle über den Anschluss 3 an das Ladegerät 2 angeschlossen. Anschließend wird bei Programmpunkt 110 über den Temperatursensor 6 die Temperatur der Batterie erfasst. Bei einem folgenden Programmpunkt 120 überprüft das Steuersystem 5, ob die erfasste Temperatur der Batterie 4 unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt. Der Grenzwert ist in einem Datenspeicher 10 abgelegt, der mit dem Steuersystem 5 in Verbindung steht. Ergibt die Abfrage bei Programmpunkt 120, dass die Temperatur der Batterie 4 über der Grenztemperatur liegt, so steuert das Steuersystem 5 das Ladegerät 2 in der Weise an, dass das Ladegerät 2 die Batterie 4 mit einem hohen Wirkungsgrad, das heißt mit einer geringen Verlustleistung, auflädt. Nach Erreichen eines gewünschten Ladezustandes der Batterie 4 wird der Ladevorgang bei Programmpunkt 140 beendet.
Ergibt die Abfrage bei Programmpunkt 120, dass die Temperatur der Batterie 4 unter dem Grenzwert liegt, so wird zu Programmpunkt 150 verzweigt. Bei Programmpunkt 150 steuert das Steuersystem 5 das Ladegerät 2 in der Weise an, dass ein gewünschter Ladestrom zum Aufladen der Batterie 4 bereitgestellt wird, wobei jedoch der Wirkungsgrad des Ladegeräts 2 kleiner als ein möglicher höchster Wirkungsgrad ist. Durch den kleineren Wirkungsgrad wird mehr Verlustwärme vom Ladegerät 2 an das Kühlsystem 7 und damit an die Batterie 4 abgegeben. Auf diese Weise wird durch die zusätzlich erzeugte Verlustleistung die Batterie 4 erwärmt bzw. vermieden, dass die Batterie 4 weiter abgekühlt wird. Es wird in festgelegten Zeitabständen bei Programmpunkt 160 überprüft, ob ein gewünschter Ladezustand der Batterie 4 erreicht ist. Ist dies der Fall, so wird zu Programmpunkt 140 verzweigt. Ist dies nicht der Fall, so wird zu Programmpunkt 120 zurückverzweigt. Bei Programmpunkt 120 wird erneut überprüft, ob die Temperatur der Batterie über dem Grenzwert liegt. Abhängig von dem Ergebnis des Vergleiches wird, wie bereits oben erläutert, der Ladevorgang gemäß Programmpunkt 130 oder gemäß Programmpunkt 150 weitergeführt.
Zum Erfassen des Ladezustandes der Batterie können entsprechende Messsysteme vorgesehen sein, die mit dem Ladegerät 2 verbunden sind.
Das Fahrzeug 1 kann beispielsweise als Hybridfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein.
Durch die Verlustleistung der Batterie wird die Kühlflüssigkeit des Kühlsystems 7 erwärmt. Da die Batterie 4 in Wirkverbindung mit der Kühlflüssigkeit des Kühlsystems 7 steht, wird auch die Batterie entsprechend erwärmt. Durch das beschriebene Verfahren kann beispielsweise auf eine Zusatzheizung verzichtet werden. Damit wird Bauraum und Gewicht eingespart. Zudem wird der Aufbau des Ladegeräts vereinfacht. Versuche haben gezeigt, dass mithilfe des beschriebenen Systems eine Verlustleistung von bis zu ca. 1000 Watt an das Kühlsystem abgegeben werden kann. Diese Wärmeleistung wird nicht durch die Batterie des Fahrzeuges, sondern direkt aus der Netzleistung der externen Spannungsquelle entnommen.
Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann das Steuersystem 5 über Steuerprogramme verfügen, die abhängig von unterschiedlichen Temperaturen der Batterie 4 unterschiedliche Verlustleistungen des Ladegerätes 2 einstellen. Mithilfe des beschriebenen Systems übernimmt das Ladegerät 2 nicht nur die Funktion des Ladens der Batterie, sondern auch die Funktion des Aufwärmens der Batterie 4.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ladegerät 2 mit dem Steuersystem 5. Das Ladegerät 2 weist einen Wechselspannungseingang 11 auf, der mit dem Anschluss 3 verbunden ist. Der Wechselspannungseingang 11 dient zur Entstörung, der Gleichrichtung und der Siebung der Wechselspannung, die beispielsweise 230 Volt und eine Frequenz von 50 Hertz aufweist. Dem Wechselspannungseingang 11 ist eine Schalteinheit 12 nachgeordnet. Die Schalteinheit 12 wird von einem Steuergerät 13 in der Weise angesteuert, dass eine geschaltete Spannung mit einer Frequenz im Kilohertzbereich erzeugt wird. Am Ausgang des Gleichspannungseinganges 11 liegt eine hohe Gleichspannung vor, die beispielsweise im Bereich von 325 Volt oder höher liegt.
Der Ausgang der Schalteinheit 12 wird einem Gleichspannungswandler 14 übertragen. Der Gleichspannungswandler 14 wandelt die geschaltete Spannung in eine Gleichspannung um, wobei die Höhe der Gleichspannung niedriger ist als die Höhe der geschalteten Spannung. Beispielsweise ist die Höhe der Gleichspannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers 14 im Bereich von 12 oder 40 Volt. Die Gleichspannung des Gleichspannungswandlers 14 wird über die Ladeleitungen 9 der Batterie zugeführt. Der Ausgang des Gleichspannungswandlers 14 steht mit dem Steuergerät 13 in Verbindung. Im Steuergerät 13 wird eine analoge Regelung der Gleichspannung, eine Potentialtrennung und eine Steuerung und Überwachung verschiedener Funktionen des Ladegerätes 2 ausgeführt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel steht das Steuergerät 13 zudem mit dem Steuersystem 5 in Verbindung. Das Steuersystem 5 gibt dem Steuergerät 13 abhängig von der Temperatur der Batterie ein Steuersignal, um den Wirkungsgrad des Ladegerätes zu reduzieren, wenn eine Erwärmung der Batterie erfolgen soll. Die Erwärmung der Batterie soll immer dann erfolgen, wenn die Temperatur der Batterie unter dem Grenzwert liegt.
Eine Anpassung des Wirkungsgrades kann das Steuergerät 13 beispielsweise durch die Stromsollwertvorgabe beim Wechselspannungseingang 11, durch die Spannungsvorgabe beim Wechselspannungseingang 11, durch die Stromsollwertvorgabe am Ausgang des Gleichspannungswandlers 14, durch die Spannungsvorgabe am Ausgang des Spannungswandlers 14, durch eine Schaltfrequenz der Schalteinheit 12 und durch eine Resonanzfrequenzvorgabe des Gleichspannungswandlers 14 erreichen.
Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann die Funktionsweise des Steuersystems 5 auch im Ladegerät 2 integriert sein, insbesondere kann das Steuergerät 13 die Funktionen des Steuersystems 5 übernehmen. Dazu ist das Steuergerät 13 mit dem Temperatursensor 6 und dem Datenspeicher 10 verbunden.
Mit dem beschriebenen System kann beispielsweise ein Leistungskorrekturfilter des Ladegerätes und/oder eine Gleichspannungswandlerstufe derart angesteuert werden, dass bei einer vorgegebenen Ladeleistung bei tiefen Außentemperaturen der Batterie 4 die Verlustleistung des Ladegerätes 2 erhöht wird. Dadurch wird mehr Wärme an das Kühlsystem 7 abgegeben. Dadurch kann beispielsweise ein zusätzliches Heizelement samt Verkabelung ersatzlos entfallen. Aufgrund einer adaptiven Regelung kann nach einer entsprechenden Erwärmung des Kühlsystems die Verlustleistung des Ladegerätes wieder verringert werden, wenn eine geringere bzw. keine Verlustleistung mehr für die Erwärmung der Batterie benötigt wird.
Bei tiefen Außentemperaturen wird die Batterie nur mit einer relativ niedrigen Ladeleistung, zum Beispiel 5 Ampere, über das Ladegerät geladen, da die Batterie auch nur eine der niedrigen Außentemperatur entsprechende Temperatur aufweist. Bei solch niedrigen Ladeleistungen weist jedoch das Ladegerät nur eine relativ geringe Verlustleistung auf. Wenn nun das Kühlsystem betrieben wird, kann sich in Summe eine Kühlung der Batterie ergeben. Dies würde zu einer Verlängerung der Ladedauer führen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2011/0316486 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeuges mithilfe eines Ladegerätes des Fahrzeuges, wobei die Batterie und das Ladegerät über ein gemeinsames Kühlsystem gekühlt werden, wobei eine Temperatur der Batterie ermittelt wird, wobei die Temperatur mit einem Grenzwert verglichen wird, wobei ein Wirkungsgrad des Ladegerätes reduziert wird, um mehr Verlustleistung beim Laden der Batterie zu erzeugen, wenn die Temperatur der Batterie unter dem Grenzwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ladegerät von einer externen Stromquelle mit Strom versorgt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verlustleistung des Ladegerätes bei steigender Temperatur der Batterie reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ladegerät einen Gleichrichter und einen Spannungswandler aufweist, wobei der Wirkungsgrad des Gleichrichters und/oder der Wirkungsgrad des Spannungswandlers abhängig von der Temperatur der Batterie verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wirkungsgrad des Ladegerätes durch eine Änderung einer Stromsollwertvorgabe eines Wechselstromeingangs und/oder durch eine Änderung einer Spannungsvorgabe des Wechselstromeingangs und/oder durch eine Änderung einer Stromsollwertvorgabe eines Gleichspannungsausgangs und/oder durch eine Änderung einer Spannungsvorgabe des Gleichspannungsausgangs und/oder durch eine Änderung einer Schaltfrequenz eines Gleichspannungswandlers und/oder durch eine Änderung einer Resonanzfrequenzvorgabe des Gleichspannungswandlers erreicht wird.
Ladegerät (2) zum Laden einer Batterie (4) des Fahrzeugs (1), wobei das Ladegerät (2) ausgebildet ist, um in einem Fahrzeug (1) dauerhaft montiert zu werden, wobei das Ladegerät (2) ausgebildet ist, um von einem Kühlsystem (7) der Batterie (4) gekühlt zu werden, wobei das Ladegerät (2) ein Steuersystem (5) aufweist, wobei das Steuersystem (5) ausgebildet ist, um abhängig von einer Temperatur der Batterie (4) einen Wirkungsgrad des Ladegeräts (2) zu verändern.
Ladegerät nach Anspruch 6, wobei das Ladegerät (2) ausgebildet ist, um von einer vom Fahrzeug (1) unabhängigen Stromquelle versorgt zu werden.
Ladegerät nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das Steuersystem (5) ausgebildet ist, um die Verlustleistung bei steigender Temperatur der Batterie (4) zu reduzieren.
Ladegerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Ladegerät (2) einen Gleichrichter (11) und einen Spannungstransformator (14) aufweist, wobei das Steuersystem (5) ausgebildet ist, um den Wirkungsgrad des Gleichrichters (11) und/oder des Spannungstransformators (14) abhängig von der Temperatur der Batterie (4) zu verändern.
Ladegerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Steuersystem (5) ausgebildet ist, um eine Temperatur der Batterie (4) zu erfassen, um die Temperatur mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen, und um den Wirkungsgrad des Ladegeräts (2) zu reduzieren, um mehr Verlustleistung beim Laden der Batterie (4) zu erzeugen, wenn die Temperatur der Batterie (4) unter dem Grenzwert liegt.
Ladegerät nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Steuersystem ausgebildet ist, um den Wirkungsgrad des Ladegeräts durch eine Änderung einer Stromsollwertvorgabe eines Wechselstromeingangs (11) und/oder eine Änderung einer Spannungsvorgabe des Wechselstromeingangs (11) und/oder durch eine Änderung einer Stromsollwertvorgabe eines Gleichspannungsausgangs (14) und/oder durch eine Änderung einer Spannungsvorgabe des Gleichspannungsausgangs (14) und/oder durch eine Änderung einer Schaltfrequenz eines Gleichspannungswandlers (12, 14) und/oder durch eine Änderung einer Resonanzfrequenzvorgabe des Gleichspannungswandlers (14) zu erreichen.
Fahrzeug (1) mit einer Batterie (4), mit einem Kühlsystem für die Batterie (4), und mit einem Ladegerät (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 11.