DE102015113771A1

DE102015113771A1 - Fahrzeugbatterie-Ladeystem-Benachrichtigung

Info

Publication number: DE102015113771A1
Application number: DE102015113771.2A
Authority: DE
Inventors: Lu Chen; Michael W. Degner; Allan Roy Gale; Paul Theodore Momcilovich
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2016-03-03
Also published as: CN105391104B; US10029573B2; US20160059716A1; CN105391104A

Abstract

Ein Batterie-Elektrofahrzeug oder Plug-in-Hybridelektrofahrzeug enthält eine Batterie, die von einer elektrischen Ladestation, die an ein Elektrizitätsnetz gekoppelt ist, geladen werden kann. Zum Maximieren der Ladeeffizienz und damit Verkürzen der Ladezeit können die Spannung und der Strom, die dem Elektrizitätsnetz entnommen werden, genau überwacht werden. Basierend auf der Überwachung der Spannung und des Stroms eines elektrischen Stromkreises, der ein Batterieladegerät versorgt, kann eine Benachrichtigung über sich verändernde Bedingungen der Ladecharakteristika, die Verkabelungswiderstand, Leistungsverlust oder Verkabelungseffizienz des elektrischen Stromkreises enthalten, erzeugt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft die Detektion und Benachrichtigung sich ändernder elektrischer Bedingungen während des Ladens einer Fahrzeugbatterie.
HINTERGRUND
Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEV) und Batterie-Elektrofahrzeuge (BEV) setzen sich immer mehr durch und werden an mehr Orten eingesetzt und Gleiches gilt für die Installation elektrischer Ladestationen für die Traktionsbatterien dieser Fahrzeuge. Elektrische Ladestationen für Fahrzeug-Traktionsbatterien können einen beträchtlichen Strom entnehmen, um den Anforderungen der Benutzer hinsichtlich von Ladezeiten zu entsprechen, da Fortschritte bei Fahrzeugantrieb und Batterietechnologie eingetreten sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Fahrzeugbatterie-Ladesystem enthält ein Batterieladegerät, das konfiguriert ist, an einen Elektrizitätsnetz-Verteilerknoten gekoppelt zu werden. Das Fahrzeugbatterie-Ladesystem enthält außerdem mindestens eine Steuerung, die programmiert ist, ein Signal zu übertragen, das ein Charakteristikum des Verteilerknotens während einer Batterieladeprozedur angibt. Das Signal basiert auf Veränderungen beim Ladegerät-Eingangsstrom und Veränderungen bei der Ladegerät-Eingangsspannung, die eine Veränderung des Widerstands des Verteilerknotens angeben.
Ein Fahrzeug enthält ein Batterieladegerät, das imstande ist, an einen Elektrizitätsnetz-Verteilerknoten gekoppelt zu werden. Das Fahrzeug enthält außerdem mindestens eine Steuerung, die programmiert ist, ein Signal zu übertragen, das ein Charakteristikum des Verteilerknotens während einer Batterieladeprozedur angibt. Das Charakteristikum des Verteilerknotens basiert auf einem Widerstand des Verteilerknotens. Der Widerstand basiert auf einer Veränderung, über ein Zeitintervall, eines Ladegerät-Eingangsstroms und einer Veränderung, über ein Zeitintervall, einer Ladegerät-Eingangsspannung.
Ein Verfahren der Batterieladung-Benachrichtigung enthält Messen einer Veränderung der Eingangsspannung und einer Veränderung des Eingangsstroms eines Batterieladegeräts, das mit einem Elektrizitätsnetz-Verteilerknoten verbunden ist. Die Veränderungen werden über ein im Voraus bestimmtes Zeitintervall gemessen. Das Verfahren enthält ferner Ausgeben einer Benachrichtigungsnachricht, die ein Charakteristikum angibt, basierend auf einer Veränderung des Widerstands eines Elektrizitätsnetz-Verteilerknotens.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Haushaltselektrizitätstopologie vom Masttransformator zu dem Elektrofahrzeug.
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Haushaltsstromkreises einschließlich des Transformators.
3 zeigt einen Graphen der Auswirkungen verschiedener elektrischer Lasten auf den beispielhaften Haushaltsstromkreis.
4A zeigt eine graphische Ansicht des Batterieladegerät-Eingangsstroms im Verhältnis zur Zeit für den beispielhaften Haushaltsstromkreis.
4B zeigt eine grafische Ansicht der Eingangsspannung im Verhältnis zur Zeit für den beispielhaften Haushaltsstromkreis.
5A zeigt eine grafische Ansicht eines Histogramms eines Stromkreiswiderstands, basierend auf einem ersten Abtastintervall, des beispielhaften Fahrzeugladesystems.
5B zeigt eine grafische Ansicht eines Histogramms des Stromkreiswiderstands, basierend auf einem zweiten Abtastintervall, des beispielhaften Fahrzeugladesystems.
5C zeigt eine grafische Ansicht einer Veränderung eines Stromkreiswiderstands, basierend auf dem ersten und zweiten Abtastintervall, des beispielhaften Fahrzeugladesystems.
5D zeigt eine grafische Ansicht eines Histogramms eines Stromkreiswiderstands, basierend auf einem Abtastintervall, eines beispielhaften Fahrzeugladesystems.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen vielfältige und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten überbetont oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Einzelheiten nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung verschiedenartig anzuwenden. Wie Durchschnittsfachleute im Fachgebiet verstehen werden, können verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, kombiniert werden, um Ausführungsformen zu produzieren, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Abwandlungen der Merkmale in Übereinstimmung mit den Lehren der Offenbarung könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
Fahrzeuge können viele Konfigurationen des Antriebsstrangs aufweisen, wobei einige der Konfigurationen elektrische Antriebssysteme enthalten, in denen Antriebsleistung in einer Traktionsbatterie gespeichert werden kann. Beispiele enthalten Batterie-Elektrofahrzeuge (BEVs) und Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs). Eine Traktionsbatterie kann während des Betriebs durch verschiedene Verfahren einschließlich von Rekuperationsbremsung und Betrieb eines Verbrennungsmotors (ICE) zum Drehen eines Generators wiederaufgeladen werden. Zusätzlich zum Laden der Traktionsbatterie während des ICE-Betriebs kann die Traktionsbatterie konfiguriert sein, aus einem Elektrizitätsnetz wiederaufgeladen zu werden. Wenn ein Fahrzeug aus dem Elektrizitätsnetz geladen wird, ist es vorteilhaft, die Ladeeffizienz zu maximieren und die Zeit, die zum Laden der Batterie erforderlich ist, zu minimieren. Zum Erreichen einer optimalen Performance von einem Batterieladegerät ist es wünschenswert und empfehlenswert, das Batterieladegerät an einem dedizierten Stromkreis zu haben. Aufgrund von Variationen bei Hausbau und Anordnungen ist eine dedizierte Netzsteckdose unter Umständen nicht einfach verfügbar. Das Laden der Fahrzeug-Traktionsbatterie kann von einer separaten Ladestation durchgeführt werden, die einen Ladestandard nutzt, der J1777 und EVSE (elektrische Fahrzeug-Versorgungsausrüstung) enthält, oder kann ein dediziertes Protokoll zum Laden der Traktionsbatterie nutzen.
Ein Fahrzeug kann eine Traktionsbatterie, um Leistung für den Antrieb bereitzustellen, und eine einzelne Steuerung oder mehrere Steuerungen, die zur Steuerung mehrerer Fahrzeugsysteme und -funktionen verwendet werden, enthalten. Eine Funktion, die von einer Steuerung durchgeführt werden kann, ist Steuerung des Ladens von Traktionsbatterien für PHEVs oder BEVs. Zum Beispiel kann sich die Fahrzeug-Traktionsbatterie-Ladesteuervorrichtung in einer Fahrzeugsteuerung befinden (z. B. eine Fahrzeugsystem-Steuerung (VSC), ein Antriebsstrang-Steuermodul (PCM), ein Leistungselektronik-Steuermodul (PECM), ein Leistungsumwandlungsmodul, ein Leistungswandler und ein Leistungswechselrichter). Der Fahrzeug-Ladesteuerabschnitt der Steuerung kann in dem Modul als Software eingebettet sein oder kann eine separate Schaltung oder Hardware sein. Die Fahrzeugsteuerung enthält im Allgemeinen eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, ASICs, ICs, Speicher (z. B. FLASH, ROM, RAM, EPROM und/oder EEPROM) und Softwarecode, um zum Ausführen einer Reihe von Operationen miteinander zusammenzuwirken. Die Fahrzeugsteuerung kann auch dedizierte Hardware zum Durchführen dieser Funktion sein. Die Fahrzeugsteuerung kann ferner mindestens einen Sensor zum Messen einer Ladespannung und eines Ladestroms, einen Zeitgeber zum Messen eines Zeitfensters und einen Mikroprozessor zum Verarbeiten von Informationen über Spannung, Strom und Zeit enthalten. Die Steuerung kann den Ladestrom und die Ladespannung über eine Zeitperiode verarbeiten und eine Veränderung des Stroms und eine Veränderung der Spannung über die Zeitperiode berechnen. Die Ladespannung und der -strom können im Wesentlichen gleichzeitig gemessen werden oder ein im Voraus bestimmtes Zeitintervall zwischen der Messung der Spannung und des Stroms zur Kompensation des Sensorbetriebs aufweisen. Die Fahrzeugsteuerung steht im Allgemeinen in elektrischer Kommunikation mit der Fahrzeugbatterie und empfängt Signale, die das Ladeniveau der Batterie angeben. Die Signale können außerdem die Batterieladespannung und den Batterieladestrom zusammen mit der Ladegerät-Eingangsspannung und dem Ladegerät-Eingangsstrom zum Fahrzeugladegerät enthalten. Die Fahrzeugsteuerung kann ferner mit anderen Steuerungen über eine drahtgebundene Fahrzeugverbindung unter Verwendung eines gewöhnlichen Bus-Protokolls (z. B. CAN, LIN, FlexRay) kommunizieren, diese Verbindung kann jedoch auch eine drahtlose Verbindung sein (z. B. WiFi, Bluetooth). Die Fahrzeugsteuerung kann auch mit der Ladestation, einem Computersystem oder einem entfernten Kundenelektroniksystem (z. B. ein intelligentes Mobiltelefon, ein Personal-Computer oder ein Computer-Tablet) kommunizieren. Diese Kommunikation kann über eine direkte physikalische Verknüpfung wie eine verdrahtete Verbindung oder über drahtlose Kommunikation wie eine drahtlose Nahbereichs-Kommunikation einschließlich von, aber nicht darauf beschränkt, Nahbereich 802,11, 802,15 und 802,16 und eine drahtlose Fernbereichs-Kommunikation einschließlich von, aber nicht darauf beschränkt, GSM, CDMA, UMTS, 3G, W-CDMA und 4G-LTE erreicht werden. Die Verwendung von vorstehend angeführten drahtgebundenen und drahtlosen IEEE-Protokollen kann als IEEE-802-Datennetzwerke bezeichnet werden.
Das Fahrzeugladegerät kann auf mehreren Weisen an die Fahrzeug-Traktionsbatterie gekoppelt sein (z. B. leitende Kopplung, induktive Kopplung). Die Ladegerätsteuerung kann eingebettete Software enthalten, die programmierbar ist, den vom Fahrzeugladegerät bereitgestellten Leistungsfluss zu regeln. Die in der Ladegerätsteuerung enthaltene Software und Hardware können außerdem einen Zeitgeber enthalten, um vergangene Zeit zwischen gekennzeichneten Ereignissen zu verfolgen oder zu messen. Unter ausgewählten Bedingungen oder nach Empfang designierter Anweisungen kann die Ladegerätsteuerung den Leistungsfluss durch das Ladegerät aktivieren, deaktivieren oder reduzieren. Das Fahrzeugladegerät kann konfiguriert sein, Signale, die Ladeanweisungen angeben, von einer Fahrzeugsteuerung zu empfangen.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Haushaltselektrizitätstopologie 100, die Elektrizitätsnetzverteilung und einen Elektrizitätsnetz-Verteilerknoten von einem Masttransformator 102 oder Versorger-Masttransformator zu einem Elektrofahrzeug 104, das an ein Fahrzeugladegerät 106 gekoppelt ist, darstellt. Es ist zu beachten, dass das Fahrzeugladegerät sich in dem Fahrzeug befinden kann oder eine unabhängige Ladestation sein kann, an das das Fahrzeug elektrisch gekoppelt ist. Ein Haus 108 kann dadurch verteilte Elektrizität für die Nutzung der Bewohner aufweisen. Die Grundsätze dieses Beispiels können jedoch auch an gewerblichen Standorten verwendet werden. Die Leistungsverteilung wird durch individuelle Haushaltsstromkreise 110 erreicht, häufig auch als lokale Haushaltsschaltungen, Stromkreise, Elektrizitätsnetz-Verteilerknoten oder Verteilerknoten bezeichnet. Der Stromkreis 110 für häusliche Verwendung wird typischerweise an einem Generator eines Versorgerunternehmens erzeugt und über eine Kombination von Hochspannungs-Übertragungsleitungen, die Spannungen von 138 kV bis 765 kV enthalten können, und Mittelspannungs-Übertragungsleitungen oder Verteilerleitungen, die Spannungen von 4800 V bis 41.600 V enthalten können, zum Haus 108 geführt. Die Spannung von den Verteilerleitungen wird von einem Masttransformator 102 zu einer Nennspannung heruntertransformiert, die 240 V Effektivstrom pro Phase betragen kann, den die Versorgerunternehmen auf +/–5% oder 228 V bis 252 V Effektivstrom regeln. Der Masttransformator 102 kann mit einer 3-adrigen Sekundärwicklung konfiguriert sein (d. h. ein neutraler Anschluss und zwei „heiße” oder spannungsführende Anschlüsse). Die Spannung über einem einzelnen spannungsführenden Anschluss und dem neutralen Anschluss beträgt 120 V Effektivstrom mit der gleichen prozentualen Regulierung wie als einzelne Phase und die Spannung über den beiden spannungsführenden Anschlüssen beträgt 240 V einphasig. Die drei Anschlüsse können mit einem Stromzähler 114 zum Messen der vom Haushalt verbrauchten Leistung verbunden sein. Die durchschnittliche Wechselstromleistung kann als die Spannung multipliziert mit dem Strom multipliziert mit dem Cosinus des Phasenwinkels zwischen der Spannung und dem Strom berechnet werden. Für eine rein widerstandsbehaftete Last ist 1 der Cosinus des Phasenwinkels, was in der durchschnittlichen Wechselstromleistung gleich der Spannung multipliziert mit dem Strom resultiert.
Jeder einzelne Haushaltsstromkreis 110 oder Haushaltskreis ist mit einem Sicherungskasten 112 verbunden, auch als Unterbrecherkasten oder Netzstromunterbrecher-Schaltanlage bezeichnet. In dem Sicherungskasten 112 befinden sich einzelne Sicherungen (nicht dargestellt), wobei diese Sicherungen eine spezifische Strombelastbarkeit (z. B. 15 A, 20 A, 30 A, 50 A und 100 A) aufweisen können, die mit der Nennspannung des Haushalts assoziiert ist. Es können spezifische Anforderungen (d. h. The U.S. National Electrical Code) für die Größe des in einem Haushaltsstromkreis 110 verwendeten elektrischen Drahts bestehen. Zum Beispiel wird für einen Stromkreis mit einer Sicherung von 120 V, 15 A typischerweise Kupferdraht der Stärke 14 verwendet und für einen Stromkreis mit einer Sicherung von 120 V, 20 A typischerweise Kupferdraht der Stärke 12 verwendet. Jeder Stromkreis 110 kann mehrere Steckdosen 116 enthalten. Die Anzahl der Steckdosen 116 (z. B. Duplexstecker, Elektrostecker, elektrische Anschlussbuchsen) kann durch einen Standard (z. B. The U.S. National Electrical Code) dahingehend beschränkt sein, wie viele Steckdosen 116 an einer bestimmten Sicherung erlaubt sind. Zum Beispiel kann eine Sicherung von 120 V/15 A maximal 8 Steckdosen gestatten und eine Sicherung von 120 V/20 A kann maximal 10 Steckdosen gestatten. Dies kann schwanken, wenn Hausbauer und Elektriker die spezifischen Bedürfnisse des Standorts und der Bewohner erfüllen.
An eine der Steckdosen 110 kann ein Fahrzeugladegerät 106 angeschlossen sein, das ein Fahrzeug 104 laden kann. Das Fahrzeugladegerät 106 kann sich in dem Fahrzeug befinden und Elektronik zur Anpassung an Änderungen des Leistungsfaktors enthalten, um den Leistungsfaktor bei 1 zu halten (d. h. der Phasenwinkel würde 0 sein und der Cosinus des Phasenwinkels würde 1 sein). Das Fahrzeugladegerät 106 kann imstande sein, hohe Ströme zu entnehmen, und die Fähigkeit aufweisen, den Leitungsstrom und die -spannung zu überwachen, um Schwankungen auszugleichen, die durch den Stromkreis 110 und etwaige elektrische Geräte, Verbraucherprodukte oder elektrische Komponenten, die am Stromkreis 110 angeschlossen sind, verursacht werden.
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines lokalen Haushaltsstromkreises, der einen Transformator 202 enthält. Ein vereinfachter Haushaltsstromkreis 200 enthält den Transformator 202, der primäre Anschlüsse 204 und sekundäre Anschlüsse 206 aufweist. Der dargestellte Transformator weist zwei primäre und zwei sekundäre Anschlüsse auf, andere Transformatorkonfigurationen können jedoch auch verwendet werden (z. B. ein Transformator mit 3 sekundären Anschlüssen). Ein Widerstand der Leistung vor dem Stromkreis 110 wird als R_s 208 repräsentiert, wobei der Widerstand einem Meterwiderstand, einem Drahtwiderstand, einer Drahtverbindung oder einer Drahtkopplung unterschiedlicher Materialien zugeschrieben werden kann. Der Strom wird durch Lasten einschließlich des Ladegeräts 212 und anderer Lasten im Stromkreis (z. B. load1, load2, ... loadn) (214, 216, 218) entnommen. Es ist zu beachten, dass load2–loadn in einem Spannungsabfall über R_s 208 und über R_circuit1 210 und R_circuit2 230 resultieren wird. Da jedoch ein Abschnitt des Stromkreises, Rs 208, mehrere Stromkreise versorgen muss, siehe 1, kann von einem Standard (d. h. The National Electric Code (NEC)) gefordert werden, eine viel niedrigere Impedanz zu haben als R_circuit1 210 und R_circuit2 230, der Teil nur eines Stromkreises mit typischerweise einer niedrigen Strombelastbarkeit ist (z. B. kann I_(Rs) für einen Dauerstrom von 150 A ausgelegt sein, während der Stromkreis für 15 A ausgelegt sein kann, weshalb R_s einen viel niedrigeren Widerstand als R_circuit1 oder R_circuit2 haben kann). Der Stromkreis 200 weist einen parasitären Widerstand auf, der Drahtwiderstand und Fassungswiderstand enthält, ausgedrückt als R_circuit1 210 und R_circuit2 230. Der Haushaltsstromkreis 200 kann mehrere elektrische Lasen aufweisen, die parallel verbunden sind, wobei eine der Lasten das Fahrzeug-Batterieladegerät 212 ist. Andere Lasten können load1 (z. B. ein Kühlschrank) 214, load2 (z. B. eine Waschmaschine) 216, load3 (z. B. Lampen) 218 oder andere elektrische Komponenten enthalten. An die Lasten, die parallel angeschlossen sind, ist im Allgemeinen die gleiche Spannung angelegt. Es werden jedoch Schwankungen auftreten, abhängig von Faktoren wie Drahtlänge und Drahtstärke zwischen den einzelnen Lasten, die in individuellen Widerständen resultieren, die Spannungsabfälle in Abhängigkeit von der individuellen Laststromentnahme verursachen. Im Stromkreis 200 wird der Spannungsabfall über die Lasten durch die Summe der Ströme, die individuell durch jeden Widerstand fließen, verursacht. Die Spannung des Ladegeräts kann ausgedrückt werden als
mit I_s = I_Charger + I_load1 + I_load2 + I_load3 + ... + Iloadn. (2)
Wenn I_Charger sich um eine Veränderung (ΔI) verändert, kann die Spannung am Ladegerät ausgedrückt werden als
Kombinieren von Gleichung 1 und Gleichung 3 und Auflösen nach der Veränderung der Ladegerätspannung lässt sich ausdrücken als ΔV_charger = ΔI·(R_s + R_circuit1 + R_circuit2) (4)
Der Leistungsverlust in dem Draht (P_(Wire)) kann aufgelöst und ausgedrückt werden als
oder in einer alternativen Form ausgedrückt werden
Die Gleichung 4 ist außerdem gültig für jeden Strom, der load2–n zuzuschreiben ist. Zum Beispiel verläuft der Strom in load1 durch R_circuit1, aber nicht R_circuit2. Der fehlende Verlauf durch R_circuit2 reduziert den durch load1 induzierten Spannungsabfall über V_Charger. Anders ausgedrückt, würde der Spannungsabfall größer sein, wenn der Strom von beliebigen der anderen Vorrichtungen ausgegangen wäre. Wenn demgemäß die Veränderung der Ladegerätspannung mit den berechneten Werten von R_circuit1 und R_circuit2 basierend auf einem Laststrom von load1 unter Verwendung von Gleichung 3 verwendet wird, kann der Strom größer als der oder gleich dem berechneten Wert sein. Die Differenz zwischen dem tatsächlichen Strom und dem berechneten Strom kann als ein Fehler ausgedrückt werden, wobei dieser Fehler auch vorhanden wäre, wenn Gleichung 5 zum Berechnen des Leistungsverlusts verwendet würde, und wieder kann der Verlust gleich dem oder höher als das berechnete Ergebnis aus der Gleichung sein.
Die Leistung, die das Ladegerät 212 verwendet, ist gleich dem Ladegerät-Strom 220 multipliziert mit der Ladegerät-Spannung 222. Aufgrund des Wunsches, die Ladezeit zu minimieren, kann das Ladegerät 212 periodisch die Ladegerät-Spannung 222 überwachen und den Ladegerät-Strom 220 basierend auf der Ladegerät-Spannung 222 anpassen. Andere Lasten an dem Stromkreis können load1 (z. B. Kühlschrank) 214, die eine Nennleistung von ungefähr 600 Watt haben kann, load2 (z. B. Waschmaschine) 216, die eine Nennleistung von ungefähr 600 Watt haben kann, eine Geschirrspülmaschine, die eine Nennleistung von 1200 Watt haben kann, oder load3 (z. B. Glühbirnen) 218 enthalten.
Wenn Lasten parallel verbunden sind, ist der gesamte Strom I_s die Summe der individuellen Lastströme, siehe Gleichung 2, und kann den Auslösepunkt einer Sicherung übersteigen.
3 zeigt eine grafische Repräsentation 300 von Lastströmen und der assoziierten Stromkreisspannung (V_Charger) im Verhältnis zur Zeit. Jede individuelle Last weist einen Strom 302 auf, der die Spannung V_Charger 304 beeinflusst, wenn sich die Stromentnahme im Verlauf der Zeit 306 verändert. Die in dem Graphen dargestellten individuellen Ströme sind der Kühlschrank-Strom 308, der Fahrzeugladegerät-Strom 320 und der Lampenstrom 312. Geräte weisen Betriebscharakteristika auf, die als Musternachweise eingestuft werden können, analog zu Reifenprofil und Fußspuren von Menschen. Einige Geräte weisen eine im Allgemeinen lineare Stromentnahme auf (z. B. Glühbirnen), einige weisen Muster auf, die unterschiedliche Zyklen während des Betriebs anzeigen (z. B. Geschirrspülmaschinen, Waschmaschinen, Sumpfpumpen), und andere Geräte sind im Allgemeinen periodisch (z. B. ein Kühlschrank). Es soll die periodische Fluktuation des Stromprofils 308 betrachtet werden. Diese Fluktuation resultiert in einem Abfall der Stromkreisspannung 314, gemessen am Ladegerät 222, aufgrund von Gleichung 3 in Assoziation mit der Stromentnahme der Last (z. B. der Kühlschrank).
Betrachtet werden soll das Zeitintervall in 3 von ungefähr 2 Sekunden bis 8 Sekunden. Während dieses Intervalls nimmt der Ladegerät-Strom zu und keine anderen Ströme im Stromkreis 110 ändern sich. Vor und nach jedem Schritt oder jeder Gruppe von Schritten kann V_Charger zur gleichen Zeit wie I_Charger gemessen werden. Zu jedem Zeitpunkt kann die Spannung am Ladegerät durch Gleichung 3 ausgedrückt werden und kann die Veränderung des Ladegerät-Stroms durch Gleichung 4 durch Anwendung von Gleichung 1 ausgedrückt werden, in der V_Charger1 die Spannung 222 ist, gemessen am Batterieladegerät 212 zum ersten Zeitpunkt. Aufgrund der elektrischen Charakteristika des Transformators 202 und des niedrigen Widerstands der Leitung zwischen dem Transformator und dem Sicherungskasten (R_s) 208 kann die Veränderung der Spannung V_s relativ zu E_s über eine Veränderung der Zeit vernachlässigbar sein, wenn die Veränderung der Zeit, gewöhnlich als ein Zeitintervall oder eine Zeitperiode bezeichnet, klein ist. Ein kleines Zeitintervall (z. B. ungefähr 2 Sekunden oder weniger) wird bevorzugt, um Fälle zu reduzieren, in denen E_s sich verändern kann. Dies gestattet Gleichung 4, den Stromkreiswiderstand 210 auszudrücken als
oder in einer alternativen Form als
Die Kombination der Gleichungen 1 und 2, wie in den Gleichungen 4 und 5 ausgedrückt, ist basierend auf der Annahme zulässig, dass V_s sich im Verlauf der Zeit nicht verändert.
Jetzt soll der Zeitbereich in 3 von 20 Sekunden bis 40 Sekunden betrachtet werden. Während dieses Zeitbereichs ist eine periodische Spannungsänderung ersichtlich, die load1 308 zugeschrieben werden kann. Durch Bestimmen des Widerstands (z. B. Anwendung der Gleichung 8) und Schätzung der durch die Last verursachten minimalen Veränderung des Stroms (z. B. Nutzung von Gleichung 4) kann der Typ der Last weiter charakterisiert werden. Basierend auf der gemessenen Veränderung des Ladegerät-Stroms und der Veränderung der Ladegerät-Spannung im Vergleich mit Daten, die von der Flotte von Testfahrzeugen und Testgeräten erhoben wurden, kann der Typ der Last als ein Kühlschrank, der sich im selben Stromkreis befindet, charakterisiert werden.
Wieder Bezug nehmend auf 1, ist aufgrund der Drahtgröße und des -materials ein Widerstand des Stromkreises vom Transformator 102 zum Sicherungskasten 112 im Allgemeinen viel kleiner als der Widerstand vom Sicherungskasten 112 zu den Steckdosen 116. Wenn dies auf die 3 angewandt wird, ist der Widerstand R_s 208 im Allgemeinen im Verhältnis zum Widerstand R_circuit (210, 230) unerheblich. Wirksame Berechnung von R_circuit1 und R_circuit2 (210, 230) kann jedoch durch Bestimmen einer optimalen Zeitperiode erreicht werden. Wenn die Zeitperiode zu klein ist, kann das Erfordernis an Empfindlichkeit oder Auflösung der Veränderung von Strom und Spannung sehr groß sein. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass die Veränderungen kleine Fluktuationen sind, die schwer zu messen sind. Wenn die Zeitperiode zu groß ist, ist die Spannung V_s unter Umständen während der Zeitperiode nicht konstant, wodurch die Genauigkeit des Ergebnisses reduziert wird.
Nachdem R_circuit1 und R_circuit2 bestimmt sind, können Gleichung 5 und Gleichung 6 verwendet werden, die im Draht oder Stromkreis verlorene Leistung zu schätzen. Der Stromkreis ist im Allgemeinen auf einen maximalen Dauerwert begrenzt (z. B. Anforderungen der NEC-Regeln). Der Spannungsabfall unter Aufrechterhaltung des Stroms wird in einer niedrigeren Ladeleistung resultieren. Der Zähler 114 wird jedoch sowohl die im Draht verlorene Leistung als auch die Ladeleistung aufzeichnen. Das Ergebnis ist, dass dem Kunden unter Umständen der Leistungsverlust im Draht in Rechnung gestellt wird, er längere Ladezeiten erdulden muss und, im Fall anderer Lasten, Überlastung der Sicherung riskiert.
Wenn R_s im Vergleich zu R_circuit1 210 + R_circuit2 230 klein ist, kann die Effizienz der Stromkreisverdrahtung (η) für die Rechnungsstellung basierend auf Gleichung 5 wie folgt ausgedrückt werden:
4A zeigt eine graphische Ansicht des gemessenen Ladegerät-Eingangsstroms 402 im Verhältnis zur Zeit 404 für einen beispielhaften Haushaltsstromkreis. 4B zeigt eine graphische Ansicht der gemessenen Ladegerät-Eingangsspannung 406 im Verhältnis zur Zeit 404 für den Haushaltsstromkreis. Der Ladegerät-Eingangsstrom 408 bleibt im Allgemeinen im Verlauf der Zeit 404 konstant, es wird jedoch gezeigt, dass die Ladegerät-Eingangsspannung 410 sich im Verlauf der Zeit verändert. Diese Veränderung im Verlauf der Zeit kann dem Betrieb der Geräte load1 bis loadn (z. B. der Kühlschrank, die Waschmaschine und die Lampen), die an den Stromkreis angeschlossen sind, zugeschrieben werden. Wenn die Geräte Strom entnehmen (Strom von load1 224, Strom von load2 226 und Strom von load3 228), wird die Spannung anderer parallel angeschlossener elektrischer Komponenten entsprechend abfallen. Wenn das Gerät zu einer Zeit 412 eingeschaltet wird, erfolgt bei allen angeschlossenen elektrischen Komponenten ein Spannungsabfall. Das Ladegerät, das die Leitungsspannung überwacht, detektiert den Abfall der Leitungsspannung zur Zeit 412 und reduziert als Reaktion auf den Abfall der Leitungsspannung die Stromentnahme. Dies ist als der korrespondierende kurze Abfall des Eingangsstroms 408 zur Zeit 412 dargestellt. Das Ladegerät fährt fort, die Leitungsspannung zu überwachen, und nimmt als Reaktion auf die Stabilisierung der Leitungsspannung den Ladebetrieb wieder auf. Die Zunahmen der Leitungsspannung zur Zeit 414 können einer Reduktion der Stromentnahme durch das Gerät, detektiert zur Zeit 412, zugeschrieben werden.
5A zeigt eine grafische Ansicht eines Histogramms eines Stromkreiswiderstands 504, basierend auf einem ersten Abtastintervall, eines beispielhaften Fahrzeugladesystems. Die X-Achse ist Stromkreiswiderstand 500 und die Y-Achse ist die Anzahl der Vorkommnisse 502. Das Histogramm 504 kann nützlich Informationen für einen Fahrzeugbenutzer darstellen, zum Beispiel können diese Daten als Widerstand angezeigt werden, durch Anwendung von Gleichung 6 in Leistungsverlust umgerechnet werden oder durch Anwendung der Gleichungen 7 oder 8 in Effizienz der Stromkreisverdrahtung umgerechnet werden und können den Ladestandort bereitstellen, wenn GPS-Informationen verfügbar sind. Außerdem können diese Daten für Dritte nützlich sein, einschließlich von Fahrzeug-Unternehmen, Versorgerunternehmen, Batterie-Anbieter, Besitzer von Ladestationen oder Hersteller von Komponenten, aber nicht darauf beschränkt. Diese Daten können Fahrzeugbetreibern, -besitzern und Dritten helfen, Leistungsverlust, Effizienz und Dienst zu verstehen und können sogar Auftragnehmer benachrichtigen, dass das Fahrzeugladesystem repariert werden muss. Diese Daten können außerdem helfen, eine Verschlechterung von Verdrahtung oder Komponenten zu identifizieren, wenn der Widerstand von Ladung zu Ladung verglichen wird. Oder zur Bereitstellung einer Benachrichtigung über Leistungsverlust in der Verdrahtung, die zur Leistungsversorgung des Fahrzeugladesystems dient, um eine Reduktion des Leistungsverlusts zu fördern. Diese Daten können einem elektronischen Verbraucherprodukt (z. B. ein Smartphone, Tablet, Personal-Computer oder Server) oder einer Anzeige in dem Fahrzeug (z. B. Instrumentenfeld, Fahrzeug-Informationszentrum, Fahrzeug-Infotainmentanzeige oder elektronisches Ziffernblatt) bereitgestellt oder dorthin übertragen oder gesandt werden. Diese Informationen können bei der nächsten Verwendung des Fahrzeugs durch den Betreiber vom Fahrzeug angezeigt werden oder auf Anforderung des Fahrzeugbetreibers angezeigt werden.
5B zeigt eine grafische Ansicht eines Histogramms des Stromkreiswiderstands, basierend auf einem zweiten Abtastintervall, zur Zeit 506 (z. B. eine Endzeit der Ladeprozedur) eines beispielhaften Fahrzeugladesystems. Die X-Achse ist Stromkreiswiderstand 500 und die Y-Achse ist die Anzahl der Vorkommnisse 502. Wiederum können diese Daten verwendet werden, Veränderungen zu identifizieren und Fahrzeugbetreiber, -besitzer und Dritte zu benachrichtigen, indem Daten bereitgestellt werden, die Leistungsverlust, Effizienz und Dienst repräsentieren, und können sogar Auftragnehmer benachrichtigen, dass das Fahrzeugladesystem repariert werden muss. Diese Daten können außerdem helfen, eine Verschlechterung von Verdrahtung oder Komponenten zu identifizieren, wenn der Widerstand von Ladung zu Ladung verglichen wird. Oder zur Bereitstellung einer Benachrichtigung über Leistungsverlust in der Verdrahtung, die zur Leistungsversorgung des Fahrzeugladesystems dient, um eine Reduktion des Leistungsverlusts zu fördern. Diese Daten können einem elektronischen Verbraucherprodukt (z. B. ein Smartphone, Tablet, Personal-Computer oder Server) oder einer Anzeige in dem Fahrzeug (z. B. Instrumentenfeld, Fahrzeug-Informationszentrum, Fahrzeug-Infotainmentanzeige oder elektronisches Ziffernblatt) bereitgestellt oder dorthin übertragen oder gesandt werden. Diese Informationen können bei der nächsten Verwendung des Fahrzeugs durch den Betreiber vom Fahrzeug angezeigt werden.
5C zeigt eine grafische Ansicht einer Veränderung eines Stromkreiswiderstands, basierend auf dem ersten und zweiten Abtastintervall, des beispielhaften Fahrzeugladesystems. Die X-Achse ist Veränderung des Stromkreiswiderstands 508 und die Y-Achse ist die Anzahl der Vorkommnisse 510. In diesem Beispiel wird, basierend auf Daten aus 5A und 5B, ein Histogramm 512 der Veränderung des Widerstands vom ersten Intervall einer Batterieladeprozedur zum zweiten Zeitintervall dargestellt. Diese Veränderung des Widerstands kann auf mehreren Faktoren einschließlich einer Veränderung der Verdrahtungs- oder Stromkreistemperatur beruhen. Die Veränderung der Temperatur, assoziiert mit der Veränderung des Widerstands, kann wie folgt ausgedrückt werden: R₂ = R₁(1 + α·ΔT) (10)
wobei α eine Konstante ist, im Allgemeinen gleich 0,393% K^–1 für Kupferdraht.
5D zeigt eine grafische Ansicht eines Histogramms eines Stromkreiswiderstands, von einem anderen Fahrzeug basierend auf einem Abtastintervall, eines Fahrzeugladesystems. Die X-Achse ist Stromkreiswiderstand 514 und die Y-Achse ist die Anzahl der Vorkommnisse 516. In diesem Beispiel ist die Anzahl der Male, die ein Widerstand während des ersten Intervalls einer Batterieladeprozedur berechnet wurde, als ein Histogramm 518 dargestellt. In diesem Histogramm 518 wurde eine Ladung durchgeführt, bei der der Widerstand als ungefähr 3 Ohm 520 berechnet wurde. Anwendung von Gleichung 6 unter Verwendung eines Durchschnitts des Stroms 408 aus 4A resultiert in einem Leistungsverlust von ungefähr 500 Watt. Unter der Annahme eines Stromkreises von 120 V/15 A, der für dauerhaft 12 A ausgelegt ist (gemäß NEC-Erfordernis), kann dieser Stromkreiswiderstand darin resultieren, dass das Ladegerät 1000 W zum Laden der Batterie nutzt, mit einem Leistungsverlust durch den Stromkreis zum Ladegerät (z. B. die Verdrahtung) von ungefähr 500 W, so dass der Stromzähler 1500 W verbrauchter Energie anzeigen würde. Diese Daten können im Fahrzeug unter Verwendung von Fahrzeug-Datennetzwerken (z. B. CAN, FlexRay, LIN oder Ethernet AVB wie 802.1BA) oder über nicht fahrzeuggebundenen Drahtleitungen (z. B. IEEE802.3, IEEE 1394 oder UART) und drahtlosen oder zellularen Datennetzwerken (z. B. IEEE 802.11, 802.15, 802.16, GSM oder CDMA) übertragen oder gesandt werden.
Die hierin offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer zugeführt/dadurch implementiert werden, die/der jede bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder dedizierte elektronische Steuereinheit enthalten kann. Gleichermaßen können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen, die von einer Steuerung oder einem Computer ausführbar sind, in vielen Formen gespeichert werden, einschließlich von, aber nicht darauf beschränkt, Informationen, die auf nicht beschreibbaren Speichermedien wie ROM-Vorrichtungen dauerhaft gespeichert sind, und Informationen, die auf beschreibbaren Speichermedien wie Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Vorrichtungen und anderen magnetischen und optischen Medien veränderbar gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem Software-ausführbaren Objekt implementiert werden. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardware-Komponenten wie anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), feldprogrammierbare Gatteranordnungen (FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderen Hardware-Komponenten oder -Vorrichtungen oder einer Kombination von Hardware-, Software- und Firmware-Komponenten verkörpert werden.
Während vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die die Patentansprüche umschließen. Die in der Patentschrift verwendeten Wörter sind Wörter der Beschreibung und nicht der Einschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne das Wesen und den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Wie vorher beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Während verschiedene Ausführungsformen so hätten beschrieben werden können, dass sie in Bezug auf ein oder mehrere gewünschte Kennzeichen Vorteile bereitstellen oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik bevorzugt werden, erkennen Durchschnittsfachleute im Fachgebiet an, dass ein oder mehrere Merkmale oder Kennzeichen kompromittiert werden können, um gewünschte Attribute des gesamten Systems zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängig sind. Diese Attribute können, Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktungsfähigkeit, Erscheinungsbild, Aufbau, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit des Zusammenbaus usw. enthalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Daher sind Ausführungsformen, die in Bezug auf ein oder mehrere Kennzeichen als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Rahmens der Offenbarung und können für besondere Anwendungen wünschenswert sein.
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 Nicht-Patentliteratur

IEEE-Protokollen [0017]
IEEE-802-Datennetzwerke [0017]
IEEE802.3 [0040]
IEEE 1394 [0040]
IEEE 802.11, 802.15, 802.16 [0040]

Claims

Fahrzeugbatterie-Ladesystem, umfassend: ein Batterieladegerät, das konfiguriert ist, an einen Elektrizitätsnetz-Verteilerknoten gekoppelt zu werden; und mindestens eine Steuerung, die programmiert ist, während einer Batterieladeprozedur ein Signal zu übertragen, das ein Charakteristikum des Verteilerknotens angibt, wobei das Signal auf einer Vielzahl von Veränderungen des Ladegerät-Eingangsstroms und der Ladegerät-Eingangsspannung zu verschiedenen Zeitpunkten basiert, die eine Veränderung des Widerstands des Verteilerknotens angeben.
System nach Anspruch 1, wobei der Verteilerknoten Haushaltsstromkreise von einem Stromversorger-Leistungstransformator zu einem elektrischen Steckverbinder, der mit dem Batterieladegerät elektrisch verbunden ist, enthält.
System nach Anspruch 1, wobei der Verteilerknoten einen Haushaltsstromkreis von einem Sicherungskasten zu einem elektrischen Steckverbinder enthält.
System nach Anspruch 1, wobei das Charakteristikum eine Veränderung der Temperatur proportional zu einer Veränderung des Widerstands ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Charakteristikum eine minimale Größenordnung eines Laststroms des Verteilerknotens außer dem Ladegerät ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Charakteristikum Leistungsverlust über den Verteilerknoten ist.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Steuerung ferner programmiert ist, das Signal über ein zellulares Datennetzwerk, ein IEEE-802-Datennetzwerk oder ein Fahrzeug-Datennetzwerk zu übertragen.
System nach Anspruch 1, wobei die verschiedenen Zeitpunkte während eines im Voraus definierten Zeitintervalls vorkommen.
System nach Anspruch 8, wobei das im Voraus definierte Zeitintervall 50 Mikrosekunden bis 2 Sekunden beträgt.
Fahrzeug, umfassend: ein Batterieladegerät, das konfiguriert ist, an einen Elektrizitätsnetz-Verteilerknoten gekoppelt zu werden; und mindestens eine Steuerung, die programmiert ist, ein Signal zu übertragen, das ein Charakteristikum des Verteilerknotens während einer Batterieladeprozedur angibt, wobei das Charakteristikum auf einem Widerstand des Verteilerknotens basiert und wobei der Widerstand auf einer Veränderung, über ein Zeitintervall, eines Ladegerät-Eingangsstroms und einer Veränderung, über das Zeitintervall, einer Ladegerät-Eingangsspannung basiert.
Fahrzeug nach Anspruch 10, wobei das Charakteristikum eine Veränderung des Widerstands oder eine Veränderung der Temperatur des Verteilerknotens ist.
Fahrzeug nach Anspruch 10, ferner eine Anzeige umfassend, die an das Ladegerät gekoppelt ist und konfiguriert ist, das Charakteristikum anzuzeigen.
Fahrzeug nach Anspruch 10, wobei die mindestens eine Steuerung ferner programmiert ist, das Signal über ein zellulares Datennetzwerk, ein IEEE-802-Datennetzwerk oder ein Fahrzeug-Datennetzwerk zu übertragen.
Fahrzeug nach Anspruch 10, wobei das Charakteristikum eine Veränderung der Stromentnahme ist, die einer zweiten Komponente zugeschrieben wird, die parallel mit dem Ladegerät verbunden ist.
Fahrzeug nach Anspruch 14, wobei die mindestens eine Steuerung ferner programmiert ist, einen Typ elektrischer Last basierend auf dem Charakteristikum und einem gespeicherten Charakteristikumsprofil einer Vielzahl von Lasttypen zu übertragen.
Verfahren der Batterieladung-Benachrichtigung, umfassend: Messen einer Veränderung der Eingangsspannung und einer Veränderung des Eingangsstroms, während eines im Voraus bestimmten Zeitintervalls, eines Batterieladegeräts, das mit einem Elektrizitätsnetz-Verteilerknoten verbunden ist; und Ausgeben einer Benachrichtigungsnachricht, die ein Charakteristikum des Verteilerknotens basierend auf den Veränderungen angibt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Charakteristikum eine Veränderung des Widerstands oder eine Veränderung der Temperatur des Verteilerknotens ist.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend, die Benachrichtigungsnachricht über ein zellulares Datennetzwerk, ein IEEE-802-Datennetzwerk oder ein Fahrzeug-Datennetzwerk zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend, einen Typ elektrischer Last an dem Verteilerknoten basierend auf dem Charakteristikum und einem gespeicherten Charakteristikumsprofil einer Vielzahl von Lasttypen auszugeben.