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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen einer Stromzuführung beim Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Überwachungseinrichtung. Schließlich bezieht sich die Erfindung auf ein Ladegerät.
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Elektrofahrzeuge oder Plug-in-Hybridfahrzeuge besitzen als Energiespeicher eine aufladbare Batterie, die je nach Batterietyp über ein elektrisches Ladegerät mit einer bestimmten Ladekennlinie geladen werden muss. Elektrische Ladegeräte zum Aufladen von Batterien von Elektrofahrzeugen oder Plug-In-Hybridfahrzeugen werden beim Aufladen an ein AC-Netz angeschlossen und beziehen die elektrische Energie zum Aufladen der Batterie aus dem AC-Netz. Solche Ladegeräte sind üblicherweise im Elektrofahrzeug integriert und werden zum Aufladen über ein meist etwa 5 m langes hochflexibles Ladekabel und einen Stecker für eine Haushaltssteckdose oder einen Stecker vom Typ 1 oder Typ 2 oder einen CEE-Stecker mit einer Stromtankstelle verbunden. Je nach Fahrzeugtyp und Leistungsaufnahme ist eine 1-Phasen-Verbindung oder eine 3-Phasenverbindung möglich. Das Ladekabel bzw. die Versorgungsleitung weist selbst einen Widerstand auf, an dem während des Aufladens der Batterie eine Spannung abfällt. Durch den Spannungsabfall kommt es zu einer Erwärmung der Versorgungsleitung. Ist die Versorgungsleitung nicht entsprechend dimensioniert, kann es zu Defekten oder gar Unfällen kommen. Insbesondere bei alten oder gealterten und nicht normgerechten Installationen oder der Verwendung von Verlängerungsleitungen oder Mehrfachsteckdosen können an den Leitungs- und Übergangswiderständen höhere Spannungsabfälle und damit Verlustleistungen auftreten, wodurch es zu Überhitzungen und sogar Bränden kommen kann.
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In
DE 10 2010 003 470 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung der Temperaturänderung einer Stromzuleitung eines Ladegeräts beschrieben. Bei dem Verfahren wird ein elektromagnetischer Eingangsimpuls in die Stromzuleitung eingekoppelt. Der elektromagnetische Eingangsimpuls kann in der Stromzuleitung reflektiert werden und der reflektierte Teil kehrt als reflektierter elektromagnetischer Ausgangsimpuls in das Ladegerät zurück. Anschließend wird die Impulsform des elektromagnetischen Ausgangsimpulses ermittelt. Die ermittelte Impulsform des reflektierten elektromagnetischen Ausgangsimpulses wird mit einer Referenzimpulsform verglichen. Aus dem Vergleich der beiden Impulsformen wird schließlich auf eine Temperaturänderung geschlossen.
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Es ist folglich Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen ein sicheres Aufladen von Batterien von elektrischen Energiespeichern von Kraftfahrzeugen ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Überwachungseinrichtung gemäß Patentanspruch 7 sowie ein Ladegerät gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überwachen einer Stromzuführung eines Ladegeräts wird zunächst ein erster Spannungswert einer an dem Ladegerät anliegenden elektrischen Netzspannung erfasst, bevor ein Ladevorgang gestartet wird. Als erster Messwert wird also die Netzspannung ohne Belastung mit einem Verbraucher gemessen. Dann wird der Ladevorgang gestartet und gleichzeitig, genauer gesagt, während des Erhöhens des Ladestroms, ein zweiter Spannungswert der an dem Ladegerät anliegenden elektrischen Netzspannung erfasst. Unter Belastung ist der gemessene Spannungswert um die an der Stromzuführung bzw. dem Ladekabel abfallende Spannung vermindert. Schließlich wird eine Netzimpedanz auf Basis der erfassten Spannungswerke erfasst. Die Netzimpedanz gibt Auskunft über den Zustand der Stromzuführung, sodass bei einer nicht im Nennbereich liegenden Netzimpedanz Gegenmaßnahmen ergriffen werden können. Aus der Netzimpedanz kann auf eine bei dem aktuellen Ladestrom vorliegende Verlustleistung geschlossen werden. Zu hohe Werte der Netzimpedanz lassen auf einen Defekt oder zumindest eine Verschlechterung der Leitfähigkeit des Ladekabels schließen.
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Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung weist eine Spannungserfassungseinheit auf, die dazu eingerichtet ist, einen ersten Spannungswert einer an einem Ladegerät anliegenden Netzspannung vor dem Start eines Ladevorgangs und einen zweiten Spannungswert der an dem Ladegerät anliegenden Netzspannung während des Ladevorgangs zu erfassen. Es können auch mehrere Spannungswerte während des Ladevorgangs gemessen werden. Beispielsweise können Spannungswerte der Netzspannung in vorbestimmten regelmäßigen Zeitintervallen gemessen werden. Zudem weist die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eine Ermittlungseinheit auf, die dazu eingerichtet ist, auf Basis der erfassten Spannungswerte eine Netzimpedanz zu ermitteln. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eine Vergleichseinheit, die dazu eingerichtet ist, die ermittelte Netzimpedanz mit einem Maximalwert der Impedanz zu vergleichen. Die Ermittlungseinheit und Vergleichseinheit können analog oder digital arbeiten. Beispielsweise können die Messwerte direkt mit Hilfe von Operationsverstärkern oder ähnlich arbeitenden analogen Schaltungen analog verarbeitet werden, d. h. die Ermittlungseinheit und/oder die Vergleichseinheit können analoge Datenverarbeitungseinheiten sein. Alternativ ist auch eine Wandlung der Messwerte in digitale Daten mittels eines Digital/Analog-Wandlers möglich. Der Digital/Analog-Wandler kann zum Beispiel zwischen die Spannungserfassungseinheit und die Ermittlungseinheit geschaltet sein oder Teil einer der genannten Einheiten, d. h. der Spannungserfassungseinheit, der Ermittlungseinheit oder der Vergleichseinheit sein, wobei in diesem Fall die dem Digital/Analog-Wandler nachgeschalteten Einheiten digital arbeiten. Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eine Ausgangsschnittstelle, die dazu eingerichtet ist, eine Warnmeldung oder einen Steuerbefehl auf Basis eines von der Vergleichseinheit ermittelten Vergleichsergebnisses auszugeben. Die genannten Einheiten können auch als Softwarelösung in eine bestehende Hardwareeinheit implementiert sein, so dass der Aufwand für die Realisierung der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung minimiert wird.
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Das erfindungsgemäße Ladegerät weist die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung sowie eine Stromsteuereinrichtung auf. Die Stromsteuereinrichtung umfasst eine Empfangseinheit, die dazu eingerichtet ist, einen von der Überwachungseinrichtung übermittelten Steuerbefehl zu empfangen, und eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Steuerbefehl den Ladestrom zu reduzieren oder zu beschränken.
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Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, wobei insbesondere die Möglichkeit besteht, die Ansprüche einer Kategorie entsprechend den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weiterzubilden.
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In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die ermittelte Netzimpedanz mit einem vorbestimmten Maximalwert der Netzimpedanz verglichen. Der Maximalwert kann beispielsweise von bestimmten Spezifika der Stromzuführung, wie zum Beispiel dem Leitungsdurchmesser, der Leitungslänge und dem Leitungsmaterial, abhängen, Weiterhin kann der Maximalwert der Impedanz auch in Abhängigkeit von einer maximalen Verlustleistung, einem maximalen Ladestrom und einer mit den genannten Größen korrelierten Temperatur des Ladekabels bei dem maximalen Ladestrom festgelegt werden. Der Maximalwert kann als absoluter Maximalwert anhand dieser physikalischen Größen festgelegt sein.
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In einer besonders leicht zu realisierenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Warnmeldung an einen Betreiber ausgegeben, falls der Maximalwert der Impedanz überschritten wird. Der Betreiber kann in Antwort auf die Warnmeldung beispielsweise den Ladevorgang abbrechen oder ein Stromzuführungskabel austauschen.
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In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, falls der Maximalwert überschritten wird, ein Ladestrom auf einen Wert reduziert, bei dem eine mit dem Maximalwert korrespondierende maximale Verlustleistung nicht überschritten wird. Beispielsweise kann eine maximale Verlustleistung aufgrund der an dem Ladekabel abfallenden Spannung als Schwellwert vorab ermittelt werden. Dann kann auf Basis der Spannungsmesswerte und der zugehörigen Stromstärken ermittelt werden, ob diese maximale Verlustleistung überschritten ist, und falls das der Fall ist, der Stromfluss beim Aufladen der Batterie auf einen Wert reduziert bzw. beschränkt werden, bei dem der Schwellwert für die Verlustleistung unterschritten wird.
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Alternativ kann zur Reduktion des Ladestroms durch die Stromzuführung auch ein Regelungsverfahren angewandt werden, womit eine Verlustleistung unterhalb eines vorbestimmten Maximalwerts einer Verlustleistung erreicht wird. Beispielsweise kann eine schrittweise Erhöhung des Ladestroms jeweils um einen vorbestimmten Wert erfolgen und bei Überschreitung des Maximalwerts der Verlustleistung die letzte Erhöhung des Ladestroms wieder zurückgenommen werden. Eventuell kann im Anschluss die Schrittweite der Erhöhung des Ladestroms angepasst, d. h. reduziert werden und der Ladestrom erneut erhöht werden, falls der Maximalwert der Verlustleistung unterschritten wird.
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Die Netzimpedanz bzw. der Wert der Netzimpedanz ergibt sich aus dem Quotient aus der Differenz des ersten Spannungswerts und des zweiten Spannungswerts und dem Ladestrom. Als zweiter Spannungswert kann auch ein beliebiger nach dem zweiten Spannungswert gemessener Spannungswert verstanden werden. Der erste Spannungswert wird bevorzugt nicht nur vor dem Start des Ladevorgangs gemessen, sondern auch im weiteren Verlauf des Ladeprozesses, wobei kurze Ladeunterbrechungen vorgenommen werden. Damit werden eventuelle Veränderungen in der Ruhespannung erfasst und verhindert, dass der Wert für die Impedanz sich unbemerkt ändert.
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Zudem kann die Überwachungseinrichtung eine Steuerbefehlerzeugungseinheit aufweisen, die einen Steuerbefehl in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis, welches von der Vergleichseinheit ermittelt wurde, erzeugt. Der Steuerbefehl wird an die Ausgangsschnittstelle weitergeleitet, welche den Steuerbefehl ausgibt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 ein Schaubild, welches das zeitliche Verhalten der an einem Ladegerät eines Elektrofahrzeugs anliegenden Netzspannung und des Ladestroms veranschaulicht,
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2 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Überwachen einer Stromzuführung eines Ladegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
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3 eine schematische Darstellung einer Überwachungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine schematische Darstellung eines Ladegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 1 ist ein Schaubild gezeigt, welches den zeitlichen Verlauf einer an einem Ladegerät anliegenden Netzspannung U sowie den Verlauf eines Ladestroms IL in Abhängigkeit von der Zeit veranschaulicht. Vor dem Start des Aufladens, zu einem Zeitpunkt t1, wenn der Ladestrom IL noch den Wert Null aufweist, liegt die Netzspannung U bei einem Wert, der im Folgenden als Ruhespannung URuhe bezeichnet wird. Wird anschließend der Ladestrom IL erhöht, so bewirkt die Impedanz des Ladekabels des Ladegeräts und der Versorgungsleitungen einen Abfall der an dem Ladegerät anliegenden Netzspannung U, welcher umso starker ausfällt, je größer der Ladestrom IL ist. Beispielsweise wird bei dem Zeitpunkt t2 eine im Vergleich zu der bei dem Zeitpunkt t1 gemessenen Spannung URuhe reduzierte Spannung UNetz gemessen. Ist der Ladestrom zeitlich konstant, so ist auch die an dem Ladegerät anliegende Netzspannung zeitlich konstant.
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In
2 ist ein Verfahren
200 zum Überwachen einer Stromzuführung eines Ladegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei dem Schritt
2.I wird vor dem Start des Ladevorgangs oder in einer kurzen Ladepause eine Ruhespannung U
Ruhe, d. h. die vor dem Start oder in einer Ladepause bei fehlendem Ladestrom an dem Ladegerät anliegende Netzspannung gemessen. Anschließend wird bei dem Schritt
2.II der Ladestrom langsam erhöht. Beispielsweise wird der Ladestrom I
L um einen vorbestimmten Wert I
s erhöht. Anschaulich gesprochen, wird beispielsweise eine Schrittweite I
s vorab festgelegt, mit der der Ladestrom I
L schrittweise, d. h. einmal bei dem Schritt
2.II und jeweils bei jedem Schleifendurchgang bei dem Schritt
2.VII des beschriebenen Verfahrens erhöht wird. Die erwähnte Schleife umfasst die Schritte
2.VII und
2.VIII. Der Ladestrom I
L beträgt also nach n Schleifendurchgängen (n + 1)·I
s. Bei dem Schritt
2.III wird eine Netzspannung U
Netz gemessen. Die Netzspannung ist abhängig von der Impedanz des Ladekabels sowie von der Höhe des aktuellen Ladestroms I
l. Bei dem Schritt
2.IV wird die Netzimpedanz Z
Netz bzw. die Impedanz des Ladekabels ermittelt. Sie ergibt sich wie folgt:
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Bei dem Schritt 2.V wird ermittelt, ob der ermittelte Wert der Netzimpedanz ZNetz einen Maximalwert Zmax überschreitet. Der Maximalwert Zmax ergibt sich aus der maximal zu tolerierenden Verlustleistung Pmax. Die Beziehung zwischen der maximal zu tolerierenden Verlustleistung Pmax und dem Maximalwert Zmax der Impedanz lautet wie folgt: Pmax = I 2 / L,max·Zmax (2)
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Der Maximalwert Z
max ist also abhängig von der Stärke eines vorbestimmten maximal zu erreichenden Ladestroms I
L,max. Falls der ermittelte Wert der Netzimpedanz Z
Netz den Maximalwert Z
max überschreitet, was in
2 mit „j” gekennzeichnet ist, so wird bei dem Schritt
2.VI der Maximalwert des Ladestroms I
L,max nach folgender Formel neu ermittelt:
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Anschließend wird zu dem Schritt 2.VII übergegangen. Falls der ermittelte Wert der Netzimpedanz ZNetz den Maximalwerft Zmax nicht überschreitet, was in der 2 mit „n” gekennzeichnet ist, wird direkt zu dem Schritt 2.VII übergegangen und der Ladestrom IL weiter um den vorbestimmten Wert Is erhöht. Nachfolgend wird bei dem Schritt 2.VIII ermittelt, ob der Maximalwert des Ladestroms IL,max erreicht ist. Falls das nicht der Fall ist, was in 2 mit einem „n” gekennzeichnet ist, wird zu dem Schritt 2.VII zurückgekehrt und der Ladestrom IL weiter erhöht. Wird bei dem Schritt 2.VIII ermittelt, dass der Maximalwert des Ladestroms IL,max erreicht ist, was in 2 mit einem „j” gekennzeichnet ist, so wird bei dem Schritt 2.IX ermittelt, ob ein Kriterium für eine Beendigung des Ladevorgangs erfüllt ist, beispielsweise wird ermittelt, ob eine vorbestimmte Energiemenge oder Ladezeit erreicht ist. Falls das der Fall ist, was in 2 mit einem „j” gekennzeichnet ist, wird bei dem Schritt 2.X der Ladevorgang beendet. Falls das genannte Kriterium nicht erfüllt ist, was in
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2 mit „n” gekennzeichnet ist, wird das Verfahren mit dem Schritt 2.XI fortgesetzt. Bei dem Schritt 2.XI wird ermittelt, ob ein vorbestimmtes Zeitintervall verstrichen ist, nach dem der Ladevorgang unterbrochen und eine erneute Messung der Ruhespannung URuhe durchgeführt werden soll. Falls das nicht der Fall ist, was in 2 mit „n” gekennzeichnet ist, so wird zu dem Schritt 2.IX zurückgekehrt. Falls das vorbestimmte Zeitintervall verstrichen ist, was in 2 mit „j” gekennzeichnet ist, wird bei dem Schritt 2.XII der Ladevorgang unterbrochen und es wird nachfolgend ermittelt, ob sich der Wert der Ruhespannung URuhe geändert hat. Falls das der Fall ist, was in 2 mit einem „j” gekennzeichnet ist, so wird zu dem Schritt 2.II zurückgekehrt und die folgenden Schritte werden mit der neu ermittelten Ruhespannung URuhe durchgeführt. Hat sich der Wert der Ruhespannung URuhe nicht geändert, was in 2 mit einem „n” gekennzeichnet ist, so wird zu dem Schritt 2.VII zurückgekehrt und der Ladevorgang fortgesetzt. Alternativ können die bei den Schritten 2.V und 2.VI ermittelten Werte Zmax und IL,max auch aus einem Kennlinienfeld abgelesen werden, welches in 3 gezeigt ist.
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In 3 ist der maximale Ladestrom IL,max in Abhängikeit von der Netzimpedanz ZNetz aufgetragen. Weiterhin ist der Maximalwert der Netzimpedanz Zmax eingezeichnet, bis zu dem keine Änderung des Ladestroms IL vorgenommen werden muss. Ist der Wert der Netzimpedanz ZNetz größer als Zmax, so muss der maximale Ladestrom IL,max entsprechend dem ermittelten Wert der Netzimpedanz ZNetz angepasst, d. h. reduziert werden.
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In 4 ist eine Überwachungseinrichtung 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Die Überwachungseinrichtung 40 weist eine Spannungserfassungseinheit 41 auf. Die Spannungserfassungseinheit misst die an dem Ladegerät anliegende Netzspannung UNetz sowohl vor dem Beginn des Ladens, wenn der Wert der Netzspannung UNetz bei dem Wert URuhe liegt, als auch während des Ladens der Batterie des Fahrzeugs. Die Überwachungseinrichtung 40 weist auch eine Ermittlungseinheit 42 auf, welche auf Basis der ermittelten Spannungswerte UNetz und URuhe sowie des Ladestroms IL eine Netzimpedanz ZNetz ermittelt. Weiterhin weist die Überwachungseinrichtung 40 auch eine Vergleichseinheit 43 auf, welche die ermittelte Netzimpedanz ZNetz mit einem Maximalwert Zmax vergleicht. Zudem kann die Überwachungseinrichtung 40 eine Steuerbefehlerzeugungseinheit 44 aufweisen, die einen Steuerbefehl SB in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis, welches von der Vergleichseinheit 43 ermittelt wurde, erzeugt. Schließlich umfasst die Überwachungseinrichtung eine Ausgangsschnittstelle 45, die den erzeugten Steuerbefehl SB ausgibt.
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In 5 ist ein Ladegerät 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch gezeigt. Das Ladegerät 50 umfasst die in 3 gezeigte Überwachungseinrichtung 40 sowie eine Stromsteuereinrichtung 51. Die Stromsteuereinrichtung 51 umfasst eine Empfangseinheit 52, welche Steuerbefehle SB von der Überwachungseinrichtung 40 empfängt. Weiterhin ist in dem Ladegerät 51 eine Steuereinheit 53 eingerichtet, die in Abhängigkeit von einem erfassten Steuerbefehl SB den Ladestrom IL steuert. Beispielsweise wird der Ladestrom IL auf Basis eines von der Überwachungseinrichtung 40 erzeugten Befehls SB reduziert oder beschränkt.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem in den Figuren dargestellten Verfahren bzw. der detailliert beschriebenen Überwachungseinrichtung und dem detailliert beschriebenen Ladegerät lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche in vielerlei Hinsicht modifiziert werden können. Weiterhin wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein, eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit” nicht aus, dass diese auch aus mehreren Untereinheiten besteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010003470 A1 [0003]
