DE102019129799A1 - Verfahren und vorrichtung zum laden eines elektrisch angetriebenen fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laden eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (110), wobei ein maximaler Ladestrom (IMAX) eines Ladevorgangs (200) zum Laden des Fahrzeugs (110) vor Beginn des Ladevorgangs (200) basierend auf einem während zumindest einem vorhergehenden Ladevorgang ermittelten elektrischen Widerstand (RA, RB) zumindest einer Schnittstellenkomponente (102, 104) einer Schnittstelle (100) zwischen einem Ladegerät (108) und dem Fahrzeug (110) vorbestimmt wird.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Laden eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
• Stand der Technik
• Um eine Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs schnell zu laden, ist eine große elektrische Ladeleistung erforderlich. Da eine elektrische Spannung der Traktionsbatterie festgelegt ist, resultiert ein hoher elektrischer Stromfluss in einem Strompfad zum Schnellladen der Traktionsbatterie. Der Stromfluss verursacht eine Erwärmung von stromdurchflossenen Komponenten des Strompfads.
• Die Komponenten benötigen einen ausreichend dimensionierten Leitungsquerschnitt, um einen niedrigen elektrischen Widerstand zu erreichen und die Erwärmung beim Schnellladen innerhalb akzeptabler Werte zu begrenzen.
• Eine Ladebuchse des Fahrzeugs und ein Ladestecker eines Ladegeräts bilden eine gesteckte Schnittstelle im Strompfad aus. Insbesondere durch Veränderungen an Oberflächen der Ladebuchse und des Ladesteckers kann sich ein Übergangswiderstand an der Schnittstelle ergeben, der beim Schnellladen zu einer stärkeren Erwärmung der Schnittstelle führen kann als im Rest des Strompfads.
• Um Schäden an der Schnittstelle zu vermeiden, können Temperaturen der Ladebuchse und des Ladesteckers überwacht werden und bei Überschreiten einer bestimmten Temperaturschwelle Ladeleistung reduziert, also der Stromfluss begrenzt werden.
• Beschreibung der Erfindung
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Laden eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bereitzustellen.
• Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
• Es wird ein Verfahren zum Laden eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs vorgestellt, wobei ein maximaler Ladestrom eines Ladevorgangs zum Laden des Fahrzeugs vor Beginn des Ladevorgangs basierend auf einem während zumindest einem vorhergehenden Ladevorgang ermittelten elektrischen Widerstand zumindest einer Schnittstellenkomponente einer Schnittstelle zwischen einem Ladegerät und dem Fahrzeug vorbestimmt wird.
• Unter einem Laden des Fahrzeugs kann ein Laden einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs verstanden werden. Zwischen einem Ladegerät und der Traktionsbatterie kann eine lösbare Schnittstelle angeordnet sein. Eine Ladebuchse und ein Ladestecker können Schnittstellenkomponenten der Schnittstelle sein. Die Schnittstellenkomponenten können zusammengesteckt und wieder gelöst werden. Die Schnittstellenkomponenten können mehrere Steckverbinder aufweisen. Zwischen dem Ladegerät und dem Fahrzeug kann ein Ladekabel angeordnet sein. Das Ladekabel kann zumindest eine Hinleitung und eine Rückleitung zum Übertragen von elektrischer Energie aufweisen. Das Ladekabel kann auch Datenleitungen und Signalleitungen aufweisen. Die Leitungen können an der Schnittstelle elektrisch leitend verbunden und wieder getrennt werden. Das Ladekabel kann Bestandteil des Ladegeräts sein und über die Schnittstelle am Fahrzeug angesteckt sein. Das Ladekabel kann auch über eine erste Schnittstelle am Fahrzeug sowie über eine zweite Schnittstelle am Ladegerät angesteckt sein. Dann sind zwischen dem Ladegerät und der Traktionsbatterie zumindest zwei Schnittstellen angeordnet. Der hier vorgestellte Ansatz kann an jeder beliebigen Schnittstelle angewendet werden. Das Ladegerät kann beispielsweise als Wallbox oder als Ladesäule ausgeführt sein.
• Ein Ladevorgang kann ein Zeitraum sein, in dem die Schnittstellenkomponenten miteinander verbunden sind und ein Ladestrom über die Hinleitung und die Rückleitung fließt. Der Ladestrom ist ein elektrischer Stromfluss zum Übertragen von elektrischer Leistung vom Ladegerät zur Traktionsbatterie beziehungsweise einer Ladeelektronik der Traktionsbatterie. Ein maximaler Ladestrom kann ein voreingestellter Höchstwert für den Ladestrom sein. Der maximale Ladestrom begrenzt die maximal mögliche übertragene Leistung. Ein tatsächlicher Ladestrom kann geringer als der maximale Ladestrom sein.
• Der maximale Ladestrom kann auch vorbestimmt werden, wenn der elektrische Widerstand nur einer der Schnittstellenkomponenten bekannt ist. So kann beispielsweise ein Fahrzeug, das den hier vorgestellten Ansatz verwendet, auch an einem herkömmlichen Ladegerät geladen werden. Umgekehrt kann so ein herkömmliches Fahrzeug an einem Ladegerät geladen werden, das den hier vorgestellten Ansatz verwendet.
• Der maximale Ladestrom kann basierend auf dem Widerstand zumindest einer Schnittstellenkomponente des Ladegeräts und dem Widerstand zumindest einer Schnittstellenkomponente des Fahrzeugs vorbestimmt werden. Wenn die Schnittstelle zwischen dem Kabel und dem Fahrzeug angeordnet ist, kann der maximale Ladestrom basierend auf dem Widerstand zumindest einer Schnittstellenkomponente des Kabels und dem Widerstand zumindest einer Schnittstellenkomponente des Fahrzeugs vorbestimmt werden. Wenn die Schnittstelle zwischen dem Kabel und dem Ladegerät angeordnet ist, kann der maximale Ladestrom basierend auf dem Widerstand zumindest einer Schnittstellenkomponente des Kabels und dem Widerstand zumindest einer Schnittstellenkomponente des Ladegeräts vorbestimmt werden. Der maximale Ladestrom kann basierend auf den beiden unterschiedlichen Widerständen der miteinander verbundenen Schnittstellenkomponenten vorbestimmt werden. Da das Fahrzeug an unterschiedlichen Ladegeräten aufgeladen werden kann, können an den unterschiedlichen Ladegeräten auch unterschiedliche maximale Ladeströme vorbestimmt werden. Ebenso können am gleichen Ladegerät unterschiedliche Fahrzeuge aufgeladen werden und am gleichen Ladegerät für unterschiedliche Fahrzeuge unterschiedliche maximale Ladeströme vorbestimmt werden. Durch die Verwendung der Widerstände von beiden Schnittstellenkomponenten kann der maximale Ladestrom mit einer erhöhten Genauigkeit vorbestimmt werden.
• Eine Widerstandsermittlung zum Ermitteln des aktuellen elektrischen Widerstands der Schnittstelle kann während des aktuellen Ladevorgangs unter Verwendung einer aktuellen Temperatur der Schnittstelle und eines aktuellen Ladestroms über die Schnittstelle ausgeführt werden. Der ermittelte Widerstand kann für einen nachfolgenden Ladevorgang verwendet werden. Durch eine Ermittlung des Widerstands während des Ladevorgangs kann der zum Begrenzen des Ladestroms verwendete gespeicherte Widerstandswert einer Alterung der Schnittstelle beziehungsweise zumindest einer der Schnittstellenkomponenten nachgeführt werden. Der Widerstand kann unter Verwendung eines Modells ermittelt werden. Das Modell kann auf Messungen des Widerstands bei definierten Rahmenbedingungen basieren. Das Modell kann als Eingangsgröße die aktuelle Temperatur zumindest einer der Schnittstellenkomponenten und den aktuellen Ladestrom verwenden und als Ausgangsgröße den geschätzten elektrischen Widerstand bereitstellen.
• Der Widerstand der Schnittstelle kann unter Verwendung eines vom Fahrzeug bereitgestellten, einen geschätzten elektrischen Widerstand einer Schnittstellenkomponente des Fahrzeugs repräsentierenden Fahrzeugwiderstandswerts und eines vom Ladegerät bereitgestellten, einen geschätzten elektrischen Widerstand einer Schnittstellenkomponente des Ladegeräts repräsentierenden Ladegerätwiderstandswerts ermittelt werden. Widerstandswerte können von Ladevorgang zu Ladevorgang gespeichert werden. Die geschätzten Widerstände der Schnittstellenkomponenten können addiert werden. Durch wechselnde Partner an der Schnittstelle kann jeweils ein anderer maximaler Ladestrom vorbestimmt werden.
• Der aktuelle elektrische Widerstand der Schnittstellenkomponente des Fahrzeugs kann unter Verwendung des aktuellen elektrischen Widerstands der Schnittstelle und des im Ladegerät hinterlegten Ladegerätwiderstandswerts des vorhergehenden Ladevorgangs geschätzt werden. Der aktuelle elektrische Widerstand der Schnittstellenkomponente des Fahrzeugs kann im Ladegerät geschätzt werden. Im Ladegerät liegen dazu alle benötigten Werte vor. Der aktuelle elektrische Widerstand der Schnittstellenkomponente des Fahrzeugs kann in einem aktualisierten Fahrzeugwiderstandswert abgebildet werden und vom Ladegerät für das Fahrzeug bereitgestellt werden. Der Fahrzeugwiderstandswert kann über die Schnittstelle bereitgestellt werden. Der Fahrzeugwiderstandswert kann auch über einen anderen Kommunikationsweg bereitgestellt werden. Der im Fahrzeug hinterlegte Fahrzeugwiderstandswert kann unter Verwendung des geschätzten elektrischen Widerstands der Schnittstellenkomponente des Fahrzeugs während des aktuellen Ladevorgangs aktualisiert werden.
• Der aktuelle elektrische Widerstand der Schnittstellenkomponente des Ladegeräts kann unter Verwendung des aktuellen elektrischen Widerstands der Schnittstelle und des im Fahrzeug hinterlegten Fahrzeugwiderstandswerts des vorhergehenden Ladevorgangs geschätzt werden. Der aktuelle elektrische Widerstand der Schnittstellenkomponente des Ladegeräts kann im Fahrzeug geschätzt werden. Im Fahrzeug liegen dazu alle benötigten Werte vor. Der aktuelle elektrische Widerstand der Schnittstellenkomponente des Ladegeräts kann in einem aktualisierten Ladegerätwiderstandswert abgebildet werden und vom Fahrzeug für das Ladegerät bereitgestellt werden. Der Ladegerätwiderstandswert kann über die Schnittstelle bereitgestellt werden. Der Ladegerätwiderstandswert kann auch über einen anderen Kommunikationsweg bereitgestellt werden. Der im Ladegerät hinterlegte Ladegerätwiderstandswert kann unter Verwendung des geschätzten elektrischen Widerstands der Schnittstellenkomponente des Ladegeräts während des aktuellen Ladevorgangs aktualisiert werden.
• Das Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
• Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante des hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen.
• Das Steuergerät kann ein elektrisches Gerät mit zumindest einer Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest einer Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, und zumindest einer Schnittstelle und/oder einer Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind, sein. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein sogenannter System-ASIC oder ein Mikrocontroller zum Verarbeiten von Sensorsignalen und Ausgeben von Datensignalen in Abhängigkeit von den Sensorsignalen sein. Die Speichereinheit kann beispielsweise ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein. Die Schnittstelle kann als Sensorschnittstelle zum Einlesen der Sensorsignale von einem Sensor und/oder als Aktorschnittstelle zum Ausgeben der Datensignale und/oder Steuersignale an einen Aktor ausgebildet sein. Die Kommunikationsschnittstelle kann dazu ausgebildet sein, die Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben. Die Schnittstellen können auch Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
• Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
• Figurenliste
• Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
• 1 eine Darstellung einer Schnittstelle zwischen einer ersten Schnittstellenkomponente und einer zweiten Schnittstellenkomponente; und
• 2 eine Darstellung eines Ladevorgangs unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Detaillierte Beschreibung
• Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den 1-2 als Referenz beibehalten.
• 1 zeigt eine Darstellung einer Schnittstelle 100 zwischen einer ersten Schnittstellenkomponente 102 und einer zweiten Schnittstellenkomponente 104 der Schnittstelle 100. Die Schnittstelle 100 ist in einer Leitung 106 zwischen zwei Teilnehmern A, B eines Ladevorgangs angeordnet. Der Teilnehmer A kann beispielsweise ein Ladegerät 108 und der Teilnehmer B kann eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs 110 sein. Ebenso kann der Teilnehmer A die Traktionsbatterie des Fahrzeugs 110 und der Teilnehmer B das Ladegerät 108 sein. Jeder Teilnehmer A, B weist ein hier nicht dargestelltes Steuergerät zum Ansteuern des Ladevorgags auf. Die Steuergeräte sind dazu ausgebildet, miteinander Daten auszutauschen und einen maximalen Ladestrom I_MAX über die Schnittstelle 100 vor Beginn des Ladevorgangs in Abhängigkeit von einem Alterungszustand der Schnittstellenkomponenten 102, 104 vorzubestimmen.
• Die Schnittstellenkomponenten 102, 104 sind als Steckverbinder ausgebildet. Hier ist die erste Schnittstellenkomponente 102 beispielsweise als Buchse ausgebildet, während die zweite Schnittstellenkomponente 104 als Stecker ausgebildet ist. Hier ist zur Vereinfachung nur eine Leitung 106 der Schnittstelle 100 dargestellt. Die Schnittstelle 100 kann mehrere weitere Leitungen 106 aufweisen. Zumindest kann die Schnittstelle 100 eine Hinleitung und eine Rückleitung zum Übertragen einer elektrischen Ladeleistung zum Laden der Traktionsbatterie aufweisen.
• Ein elektrischer Stromfluss I_A/B durch die Leitung 106 fließt über eine Kontaktfläche 112 zwischen den Schnittstellenkomponenten 102, 104. Aufgrund eines Übergangswiderstands R_K an der Kontaktfläche 112 fällt an der Kontaktfläche 112 eine elektrische Spannung U_K ab und die Kontaktfläche 112 erwärmt sich durch eine resultierende Verlustleistung P_V . An den Teilnehmern A, B kann also beispielsweise jeweils eine unterschiedliche elektrische Spannung U_A , U_B gemessen werden. Der elektrische Stromfluss I_A/B an den Teilnehmern A, B bleibt gleich. Dabei kann der elektrische Stromfluss I_A/B an beiden Teilnehmern A, B separat gemessen werden. Aufgrund von Messungenauigkeiten ergeben sich dabei jeweils geringfügig unterschiedliche Werte für den elektrischen Stromfluss I_A/B über die Schnittstelle 100.
• Die Schnittstellenkomponenten 102, 104 werden temperaturüberwacht. An der ersten Schnittstellenkomponente 102 wird ein erster Temperaturwert T_A erfasst. An der zweiten Schnittstellenkomponente 104 wird ein zweiter Temperaturwert T_B erfasst. Da die Temperaturwerte T_A , T_B nicht direkt an der Kontaktfläche 112 gemessen werden, kann eine Temperatur T_K der Kontaktfläche 112 von den Temperaturwerten T_A , T_B abweichen.
• Unter Verwendung der vorliegenden Messwerte können der Übergangswiderstand R_K und die Verlustleistung P_V berechnet werden.
• Der Übergangswiderstand R_K ist abhängig von einem Zustand der Kontaktfläche 112. Der Zustand der Kontaktfläche 112 wird wiederum durch Zustände von die Kontaktfläche 112 ausbildenden Oberflächen der Schnittstellenkomponenten 102, 104 bestimmt. Beispielsweise können die Oberflächen durch Umwelteinflüsse altern und beispielsweise zumindest teilweise von Oxidschichten bedeckt sein, die einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Ebenso kann eine den Übergangswiderstand R_K verbessernde Beschichtung der Oberflächen mechanisch und/oder thermisch geschädigt sein. Die Beschichtungen können beispielsweise beschädigt werden, wenn die Temperatur T_K der Kontaktfläche 112 zumindest lokal auch nur kurzzeitig aufgrund eines zu hohen elektrischen Stromflusses I_A/B über die Schnittstelle 100 über einen Schadenswert ansteigt. Diese Überschreitung kann durch die Temperaturwerte T_A , T_B nur mit einer Verzögerung abgebildet werden, wodurch die Beschichtung bereits geschädigt sein kann, wenn die Temperaturwerte T_A , T_B entsprechend hohe Werte aufweisen.
• Durch den hier vorgestellten Ansatz kann eine solche Überschreitung der Temperatur T_K der Kontaktfläche 112 proaktiv verhindert werden, indem unter Berücksichtigung des während eines vorhergehenden Ladevorgangs ermittelten Übergangswiderstands R_K der maximaler Ladestrom I_MAX für den aktuellen Ladevorgang vorbestimmt wird.
• 2 zeigt eine Darstellung eines Ladevorgangs 200 unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren kann beispielsweise an einer Schnittstelle, wie sie in 1 dargestellt ist, angewandt werden. Während des Ladevorgangs 200 wird der maximale Ladestrom I_MAX des Ladevorgangs 200 zum Laden des Fahrzeugs 110 vor Beginn des Ladevorgangs 200 basierend auf dem während zumindest einem vorhergehenden Ladevorgang ermittelten elektrischen Widerstand R_A/B zumindest einer Schnittstellenkomponente A, B der Schnittstelle 100 zwischen einem Ladegerät 108 und dem Fahrzeug 110 vorbestimmt. Der vorhergehende Ladevorgang ist vor Beginn des aktuellen Ladevorgangs 200 beendet worden. Die Schnittstelle 100 ist dabei zwischen dem vorhergehenden Ladevorgang und dem aktuellen Ladevorgang 200 getrennt worden. Das Fahrzeug 110 kann zwischen den Ladevorgängen bewegt worden sein. In einem Ausführungsbeispiel ist der vorhergehende Ladevorgang in Kombination mit einem anderen Ladegerät oder einem anderen Fahrzeug ausgeführt worden. Zwischen dem aktuellen Ladevorgang 200 und einem nachfolgenden Ladevorgang wird ebenfalls die Schnittstelle 100 getrennt.
• Der Widerstand R_A/B setzt sich dabei aus einem elektrischen Widerstand R_A der ersten Schnittstellenkomponente A und einem elektrischen Widerstand R_B der zweiten Schnittstellenkomponente B zusammen. Das Ladegerät 108 stellt dabei einen den elektrischen Widerstand R_A der ersten Schnittstellenkomponente A während eines vorhergehenden Ladevorgangs abbildenden Ladegerätwiderstandswert R_A,n bereit, während das Fahrzeug 110 einen den elektrischen Widerstand R_B der zweiten Schnittstellenkomponente B während eines vorhergehenden Ladevorgangs abbildenden Fahrzeugwiderstandswert R_B,m bereitstellt. Die Widerstandswerte R_A,n R_B,m werden kombiniert und der maximale Ladestrom I_MAX für den aktuellen Ladevorgang 200 vorbestimmt.
• Während des aktuellen Ladevorgangs 200 werden im Ladegerät ein tatsächlicher Stromfluss I_A und eine Temperatur T_A der ersten Schnittstellenkomponente A erfasst. Unter Verwendung eines Modells der Schnittstelle 100 wird daraus der aktuelle Widerstand R_K der Schnittstelle während des aktuellen Ladevorgangs 200 geschätzt. Da der Ladegerätwiderstandswert R_A,n bekannt ist kann unter Verwendung des aktuellen Widerstands R_K ein den geschätzten elektrischen Widerstand R_B der zweiten Schnittstellenkomponente B während des aktuellen Ladevorgangs 200 abbildender geschätzter Fahrzeugwiderstandswert ${\text{R}}_{B,n}^{\ast }$

  

  bestimmt werden.
• Im Fahrzeug werden während des aktuellen Ladevorgangs 200 ein tatsächlicher Stromfluss I_B und eine Temperatur T_B der zweiten Schnittstellenkomponente B erfasst. Unter Verwendung eines Modells der Schnittstelle 100 wird daraus der aktuelle Widerstand R_K der Schnittstelle während des aktuellen Ladevorgangs 200 geschätzt. Da der Fahrzeugwiderstandswert R_B,m bekannt ist kann unter Verwendung des aktuellen Widerstands R_K ein den geschätzten elektrischen Widerstand R_A der ersten Schnittstellenkomponente A während des aktuellen Ladevorgangs 200 abbildender geschätzter Ladegerätwiderstandswert ${\text{R}}_{A,m}^{\ast }$

  

  bestimmt werden.
• Der geschätzte Fahrzeugwiderstandswert ${\text{R}}_{B,n}^{\ast }$

  

  und der geschätzte Ladegerätwiderstandswert ${\text{R}}_{A,m}^{\ast }$

  

  werden während eines Datenaustauschs 202 ausgetauscht und als Schätzwerte R_A,n+1, R_B,m+1 unter Verwendung jeweils zumindest eines Gewichtungsfaktors zum Nachführen der hinterlegten Widerstandswerte R_A,n , R_B,m verwendet.
• In einem Ausführungsbeispiel werden die nachgeführten Widerstandswerte R_A,n , R_B,m an ein übergeordnetes Datenverarbeitungssystem gesendet. Dort kann unter Verwendung der Widerstandswerte R_A,n , R_B,m die Notwendigkeit einer Reparatur der Schnittstellenkomponenten A und/oder B abgeschätzt werden. Ebenso können die Widerstandswerte R_A,n , R_B,m in einer Datenbank hinterlegt werden, über die beispielsweise vorteilhafte Paarungen von Fahrzeugen 110 und Ladegeräten 108 gesucht werden können. So kann beispielsweise vermieden werden, dass ein Fahrzeug 110 mit einer neuwertigen Schnittstellenkomponente B an einem Ladegerät 108 mit einer vorgeschädigten Schnittstellenkomponente A geladen wird.
• Mit anderen Worten wird ein Verfahren zur Bestimmung der Ladekontaktflächenqualität beziehungsweise zur Optimierung der Ladestrategie von E-Fahrzeugen vorgestellt.
• Steigende Ladeströme bei E-Fahrzeugen machen die genaue Bestimmung der Qualität von Kontaktflächen, welche zum Übertragen des Ladestroms genutzt werden nötig, um eine thermische Überlastung der Steckverbindung zu verhindern. Die Qualität der Kontaktflächen bestimmt dabei die Übergangswiderstände an den Stecker-Pins. Herkömmlicherweise kann die Temperatur der Kontakte bestimmt und der Ladestrom gemäß der ermittelten Temperatur verringert werden. Da die Temperatur jedoch nur mit einer gewissen Zeitverzögerung beziehungsweise Totzeit gemessen werden kann, ist die Reaktionszeit auf eine fehlerhafte Verbindung begrenzt und eine thermische Überlastung kann nicht immer ausgeschlossen werden.
• Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden die gemessene Pintemperatur und der gemessene Ladestrom genutzt, um den Übergangswiderstand der aktuellen Steckverbindung zu schätzen. Dieser Wert wird über die Lebensdauer der Komponente fortlaufend aktualisiert, wobei ein Datenaustausch zwischen Fahrzeug und Ladesäule genutzt wird, um Alterungserscheinungen der Kontaktelemente zu ermitteln und somit den Anteil des Übergangswiderstands von Fahrzeug- und Infrastrukturseite zu bestimmen. Somit wird für jedes am Ladevorgang beteiligte Kontaktelement die aktuelle Oberflächengüte bestimmt und die Ladestrategie prädiktiv angepasst. D.h. ein temperaturbedingtes Derating beziehungsweise eine Herabsetzung des maximalen Ladestroms findet nicht erst bei Detektion einer Überhitzung statt sondern schon vorher und verhindert damit ein frühzeitiges Altern des intakten Kontaktelements.
• Bisher werden reaktive Verfahren eingesetzt um ein Überhitzen der Steckverbindung zu vermeiden. Dafür wird fortlaufend die Temperatur der Kontaktelemente gemessen und bei zu hohen Temperaturen eine Reduktion des Ladestroms vorgenommen. Bei einer starken Abnutzung oder Beschädigung eines Kontaktelements, was zu einem deutlich erhöhten Übergangswiderstand der Steckverbindung führt, kann insbesondere bei sehr hohen Ladeströmen wie 500A und mehr eine temporäre Überhitzung und damit einhergehende weitere Schädigung des Kontakts nicht immer zuverlässig vermieden werden. Im schlimmsten Fall werden sogar die Kontakte z.B. der Ladedose des Fahrzeugs geschädigt, wenn mit einem stark abgenutzten Kontakt auf Infrastrukturseite geladen wird. Zwar kann der Übergangswiderstand auch jetzt schon bestimmt werden, allerdings fehlt die Kenntnis über den Kontaktflächenzustand des Ladepartners, sodass eine Alterungsüberwachung des eigenen Kontakts nicht oder höchstens ungenau möglich ist.
• Alternativ kann eine Ladedose verwendet werden, in der eine besonders schnelle und genaue Temperaturmessung möglich ist. Die technische Umsetzung einer solchen Temperaturmessung ist jedoch sehr aufwändig und kostspielig, besonders wenn eine hohe Dynamik der Messung erreicht werden soll. Die hier vorgestellte Einbeziehung der gemessenen Daten der Ladesäule kann die Notwendigkeit einer solchen teuren Lösung verringern, da alterungsbedingte und damit schleichend auftretende Degradierungen der Kontakte fortlaufend erfasst werden und präventiv die Ladestrategie angepasst werden kann. Der hier vorgestellte Ansatz kann beispielweise in zukünftige Hochleistungsladeinfrastruktur integriert werden.
• Durch die fortlaufende Bestimmung des „eigenen“ Übergangswiderstands bei jedem Ladevorgang und insbesondere bei wechselnden Ladepartnern, kann eine Beschädigung von intakten Kontaktelementen bei einem Ladeversuch mit einem geschädigten Ladepartner verhindert werden, indem die Ladestrategie bereits vor dem Auftreten von erhöhten Temperaturen angepasst wird.
• Für den hier vorgestellten Ansatz tauschen beide am Ladevorgang beteiligte Parteien die nötigen Daten über eine Kommunikation von Fahrzeug und Infrastruktur aus. Die Kommunikation kann dabei drahtgebunden über die Schnittstelle und alternativ oder ergänzend drahtlos per Funk beziehungsweise über die Cloud erfolgen.
• Grundlage des hier gezeigten Verfahrens ist die Ermittlung von Kontakttemperatur und Ladestrom sowohl auf Fahrzeug- als auch auf Infrastrukturseite, also an der Ladesäule oder Wallbox. Die Ermittlung dieser Werte erfolgt auch bisher bereits mit einer hohen Genauigkeit.
• Die Strommessung im Fahrzeug ist eine der wichtigsten zu ermittelnden Kenngrößen in einem E-Fahrzeug. Die Strommessung auf der Infrastrukturseite ist u.a. für eine genaue Abrechnung der Kosten erforderlich. (Stichwort Eichung) Die Temperaturmessung auf beiden Seiten ist eine sicherheitsrelevante Funktion, um eine Überlastung bei hoher Ladeleistung zu verhindern. Die unabhängige Messung von Plus- und Minuspol ist dabei per Standard vorgegeben.
• Somit liegen diese Messwerte in den Steuergeräten A und B als Input für eine Ermittlung der Kontaktflächenqualität vor. Die Kontaktflächenqualität hängt dabei direkt mit dem Übergangswiderstand an der Kontaktfläche zwischen den Komponenten A und B zusammen.
• Nachfolgend wird nicht mehr spezifisch zwischen Fahrzeug- und Infrastrukturseite unterschieden, da das Verfahren auf beiden Seiten gleichermaßen Anwendung finden kann. Es wird nur noch zwischen den Teilnehmern eines Ladevorgangs (A und B) unterschieden.
• Der Übergangswiderstand zwischen den Ladekontakten von A und B wird direkt in der am Kontakt gemessenen Temperatur abgebildet. Durch den Übergangswiderstand R_K zwischen den Kontakten entsteht beim Laden eine Verlustleistung, welche direkt mit dem Ladestrom I_A/B zusammenhängt. $$P_{Verlust}=I_{A/B}{}^2\cdot R_K$$

  
• Zur Bestimmung der Verlustleistung wird ein thermisches Modell des Ladesystems herangezogen, welches die Temperaturwerte und den Ladestrom mit der Verlustleistung in Relation setzt. Dafür wird die konstruktiv bedingte Wärmeabfuhr, z.B. über eine aktive Kühlung oder über die angebundenen thermischen Massen, wie Kabel oder Fahrzeugkarosserie zu berücksichtigt. Dieses Verhalten kann schon während der Entwicklung der am Ladevorgang beteiligten Komponenten unter kontrollierten Bedingungen bestimmt werden.
• Durch Einprägen einer definierten Verlustleistung am Kontaktelement und der Messung des zeitlichen Temperaturverlaufs ist die Ableitung eines thermischen Ersatzschaltbildes, bestehend aus thermischen Widerständen und Kapazitäten, möglich. Vorteilhafterweise kann dies an mehreren Stellen des thermischen Gesamtsystems erfolgen. Ist ein ausreichend genau beschreibendes thermisches Ersatzschaltbild erstellt, kann dieses Modell wie bei dem hier vorgestellten Ansatz herangezogen werden, um „rückwärts“ von einem Temperaturverlauf auf die eingeprägte Verlustleistung zu schließen.
• Des Weiteren kann zur Bestimmung der Verlustleistung die Ladespannung der Ladesäule mit der gemessenen Spannung im Fahrzeug verglichen werden. Die Spannungsdifferenz multipliziert mit dem Ladestrom ergibt genau die Verlustleistung, allerdings werden beispielsweise Leitungswiderstände in diesem Fall mit gemessen, so dass diese Spannungsmessung nicht allein für die Berechnung der Verlustleistung am Steckkontakt herangezogen werden kann.
• Es wird angenommen, dass sich der Übergangswiderstand aus oberflächenspezifischen Anteilen für die Einzelkontakte zusammensetzt. $$R_K=R_A+R_B$$

  
• Zu Beginn des Lebenszyklus eines Ladekontakts, wird dessen spezifischer Anteil am Übergangswiderstand mit R_A,0 bzw. R_B,0 bestimmt und im Steuergerät des jeweiligen Ladeteilnehmers A bzw. B als Initialwert hinterlegt. Wird nun ein Ladevorgang vorgenommen, so wird der Übergangswiderstand R_K für diesen einen spezifischen Ladevorgang auf beiden Seiten ermittelt und der jeweils hinterlegte aktuelle spezifische Anteil R_A bzw. R_B davon abgezogen um einen Schätzwert für den Übergangswiderstand des Ladepartners zu ermitteln.
• Als konkretes Beispiel wird davon ausgegangen, dass A zum ersten Mal einen Ladevorgang erlebt (Zählvariable n = 0), somit also noch den Initialwert R_A,0 hinterlegt hat. Für diesen ersten Ladevorgang bestimmt das Steuergerät in A über den Strom I_A und die Temperatur T_A den von A ermittelten Gesamtübergangswiderstand $R_{AB\mathrm{,0}}^A\text{.}$

  

  Dieser setzt sich aus dem aktuell hinterlegten Anteil R_A,0 und dem geschätzten Anteil $R_{B\mathrm{,0}}^{\ast }$

  

  zusammen. $$R_{AB\mathrm{,0}}^A=R_{A\mathrm{,0}}+{\text{R}}_{B\text{,0}}^{\ast }$$

  
• Mit Abschluss des Ladevorgangs übermittelt A den geschätzten Anteil an den Ladepartner B und bekommt im Gegenzug den Schätzwert $R_{A\text{,0}}^{\ast }$

  

  für seinen eigenen Anteil zurückgemeldet. Dieser Vorgang kann als „Voting“ bezeichnet werden, da sich die Ladepartner gegenseitig Abstimmen und Bewerten.
• Der Schätzwert $R_{A\mathrm{,0}}^{\ast }$

  

  wird von A nun verwendet, um seinen intern hinterlegten Widerstandsanteil zu aktualisieren, wodurch sich der neue Wert R_A,1 ergibt. $$R_{A\mathrm{,1}}=R_{A\mathrm{,0}}+k\cdot R_{A\mathrm{,0}}^{\ast }$$

  
• Der Faktor k dient hierbei zur Normierung und Gewichtung des geschätzten Widerstandsanteils. Da die Qualität der Strom- und Temperaturmessung bei verschiedenen Ladepartnern variieren und damit auch die Genauigkeit des geschätzten Widerstandsanteils schwanken kann, wird dieser Schätzwert nicht ohne weitere Evaluierung übernommen. Beispielsweise wird nicht der tatsächliche elektrische Widerstandswert genutzt, sondern ein vergleichbarer Ersatzwert, welcher die Oberflächenqualität des Ladekontakts normiert darstellt. Die Normierung kann beispielsweise auf einer prozentualen Skala mit 100% = neuwertiger Kontakt dargestellt werden.
• Der neue Widerstandsanteil R_A,1 wird nun als aktueller Wert im Steuergerät von A hinterlegt und dient im nächsten Ladevorgang (n = 1) als Grundlage für die Anteilsbestimmung. B führt dasselbe Verfahren durch, sodass beide Teilnehmer nach dem Ladevorgang eine Aktualisierung ihres geschätzten Widerstandanteils durchgeführt haben. Bei wechselnden Ladepartnern führt dieses Verfahren dazu, dass die Teilnehmer voneinander lernen und ihren eigenen Widerstandsanteil mit steigender Genauigkeit bestimmen können. Als Beispiel kann hier eine öffentliche Schnellade-Station angenommen werden, welche täglich von verschiedenen Fahrzeugen genutzt wird. Eine alterungsbedingte Verschlechterung der Kontaktflächenqualität wird somit sukzessive in der Ladestation hinterlegt.
• Wenn die Ladepartner A und B stets dieselben sind, können die Anteile verfälscht werden, da eine Alterung von A bei gleichbleibender Kontaktqualität von B zu einer Gleichverteilung des steigenden Übergangswiderstands auf beide Teilnehmer führen würde. Dies liegt daran, dass jeder Teilnehmer die eigene Kontaktqualität des vorhergehenden Ladevorgangs als aktuellen Wert annimmt. Ist diese jedoch seit dem letzten Ladevorgang gesunken, also der Anteil des Übergangswiderstands größer geworden, so geht dies direkt als Fehler in das Voting ein und der eigene Widerstandsanstieg wird dem Partner zugerechnet.
• Durch wechselnde Ladepartner werden solche Extremfälle ausgeglichen, da sich solche Fehler nicht aufsummieren sondern auf die größere Anzahl an Ladepartnern verteilt und gleichermaßen von diesen ausgeglichen wird. Eine merkliche Alterung der Kontakte zwischen zwei Ladevorgängen wird als Extremfall angesehen. Alternativ ist eine Anpassung des Gewichtungsfaktors k möglich, welcher beim wiederholten Laden mit gleichem Ladepartner verringert wird, sodass sich ein entsprechender Fehler nicht mit jedem Ladezyklus verstärkt.
• Das Verfahren stellt also eine Möglichkeit dar, für jeden Ladekontakt, bei dem die Temperatur und der Strom spezifisch bestimmt werden kann, z.B. DC+ und DC- beim Gleichstromladen, die Alterungserscheinungen der jeweiligen Kontaktoberfläche über die Lebensdauer zu bestimmen.
• Vorteilhaft zeigt sich dies insbesondere am Szenario eines neuwertigen E-Fahrzeugs mit entsprechend neuwertigen Ladekontakten. Das Fahrzeug wird an einer vielgenutzten öffentlichen Ladesäule geladen. Es sei angenommen, dass die Kontakte der Ladesäule bereits einen stark erhöhten Übergangswiderstand beitragen und somit beim Laden mit hoher Leistung, beispielsweise 500A high power charging, eine sehr schnelle Erhitzung aller Ladekontakte erfolgt. Da eine hochdynamische Temperaturmessung von Ladekontakten aktuell nur unzureichend möglich ist steigt die Temperatur an den Ladekontakten , insbesondere direkt an der Kontaktfläche, sehr schnell an, was durch die integrierte Temperaturmessung aber nur mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung und verringerter Dynamik erfasst werden kann. Der gemessene Temperaturanstieg am Sensor entspricht also nicht dem Temperaturanstieg an der Kontaktstelle und die gemessene Temperatur am Sensor liegt u.U. deutlich unter der Temperatur an der Kontaktstelle. Wenn nun also auf den Sensorwert reagiert wird und nach einer gemessenen Temperaturerhöhung der Ladestrom verringert wird, kann die Temperatur an der Kontaktstelle bereits deutlich höher liegen und eine thermisch bedingte Alterung der Kontaktelemente erfolgt sein. Für das neuwertige Fahrzeug bedeutet dies eine vorzeitige Alterung der Ladekontakte aufgrund des fehlenden Wissens um den erhöhten Widerstandsanteil des Ladepartners. Die reaktive Ladestrategie konnte in diesem Fall also eine Schädigung/unnötige Alterung der Ladekontakte nicht verhindern.
• Mit dem vorgestellten Verfahren ist es nun möglich, dass sich die Teilnehmer A und B vorab über die Qualität ihrer Ladekontakte austauschen und die Ladestrategie somit präventiv angepasst wird, um eine thermische Alterung der neuwertigen Kontakte schon im vornherein zu verhindern.
• Dafür kann die gleiche Kommunikationsschnittstelle verwendet werden, welche auch für das Voting benötigt wird. Dafür ist sowohl eine direkte Kommunikation zwischen den Ladepartnern (bspw. über Powerline Communication, CAN oder NFC), als auch eine Cloudbasierte Kommunikation denkbar. Bei letzterer Variante wäre das Berücksichtigen der Kontaktqualität bereits beim Suchen einer geeigneten Ladestation möglich.
• Des Weiteren bietet das Verfahren einen geeigneten Input für predictive maintenance Ansätze, bei denen die Ladekontakte einer Ladesäule bereits getauscht werden können, bevor diese zu thermischen Überlastungen führen können.
• Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft gewählt.
• Bezugszeichenliste

100

Schnittstelle

102

erste Schnittstellenkomponente

104

zweite Schnittstellenkomponente

106

Leitung

108

Ladegerät

110

Fahrzeug

112

Kontaktfläche

IA/B

elektrischer Stromfluss

RK

Übergangswiderstand

UK

elektrische Spannung

PV

Verlustleistung

UA

erste elektrische Spannung

UB

zweite elektrische Spannung

TA

erster Temperaturwert

TB

zweiter Temperaturwert

TK

Temperatur

IMAX

maximaler Ladestrom

200

Ladevorgang

202

Datenaustausch

RA

erster elektrischer Widerstand

RB

zweiter elektrischer Widerstand

RA,n

Ladegerätwiderstandswert

RB,m

Fahrzeugwiderstandswert

IA

erster Stromfluss

geschätzter Fahrzeugwiderstandswert

IB

zweiter Stromfluss

geschätzter Ladegerätwiderstandswert

Claims (11)

1. Verfahren zum Laden eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (110), wobei ein maximaler Ladestrom (I_MAX) eines Ladevorgangs (200) zum Laden des Fahrzeugs (110) vor Beginn des Ladevorgangs (200) basierend auf einem während zumindest einem vorhergehenden Ladevorgang ermittelten elektrischen Widerstand (R_A, R_B) zumindest einer Schnittstellenkomponente (102, 104) einer Schnittstelle (100) zwischen einem Ladegerät (108) und dem Fahrzeug (110) vorbestimmt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der maximale Ladestrom (I_MAX) basierend auf dem Widerstand (R_A) zumindest einer Schnittstellenkomponente (102) des Ladegeräts (108) und dem Widerstand (R_B) zumindest einer Schnittstellenkomponente (104) des Fahrzeugs (110) vorbestimmt wird.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Widerstandsermittlung zum Ermitteln des aktuellen elektrischen Widerstands (R_K) der Schnittstelle (100) während des aktuellen Ladevorgangs (200) unter Verwendung einer aktuellen Temperatur (T_K) der Schnittstelle (100) und eines aktuellen Ladestroms (I_A/B) über die Schnittstelle (100) ausgeführt wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Widerstand (R_K) der Schnittstelle (100) unter Verwendung eines vom Fahrzeug (110) bereitgestellten, einen geschätzten elektrischen Widerstand einer Schnittstellenkomponente (104) des Fahrzeugs (110) repräsentierenden Fahrzeugwiderstandswerts (R_B,m) und eines vom Ladegerät (108) bereitgestellten, einen geschätzten elektrischen Widerstand einer Schnittstellenkomponente (102) des Ladegeräts (108) repräsentierenden Ladegerätwiderstandswerts (R_A,n) ermittelt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4 und rückbezogen auf Anspruch 3, bei dem der aktuelle elektrische Widerstand $\left({\text{R}}_{B,n}^{\ast }\right)$

   

   der Schnittstellenkomponente (104) des Fahrzeugs (110) unter Verwendung des aktuellen elektrischen Widerstands (R_K) der Schnittstelle (100) und des im Ladegerät (108) hinterlegten Ladegerätwiderstandswerts (R_A,n) des vorhergehenden Ladevorgangs geschätzt wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der im Fahrzeug (110) hinterlegte Fahrzeugwiderstandswert (R_B,m) unter Verwendung des geschätzten elektrischen Widerstands $\left({\text{R}}_{B,n}^{\ast }\right)$

   

   der Schnittstellenkomponente (104) des Fahrzeugs (110) während des aktuellen Ladevorgangs (200) aktualisiert wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 4 und rückbezogen auf Anspruch 3, bei dem der aktuelle elektrische Widerstand $\left({\text{R}}_{A,m}^{\ast }\right)$

   

   der Schnittstellenkomponente (102) des Ladegeräts (108) unter Verwendung des aktuellen elektrischen Widerstands (R_K) der Schnittstelle (100) und des im Fahrzeug (110) hinterlegten Fahrzeugwiderstandswerts (R_B,m) des vorhergehenden Ladevorgangs geschätzt wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem der im Ladegerät hinterlegte Ladegerätwiderstandswert (R_A,n) unter Verwendung des geschätzten elektrischen Widerstands $\left({\text{R}}_{A,m}^{\ast }\right)$

   

   der Schnittstellenkomponente (102) des Ladegeräts (108) während des aktuellen Ladevorgangs (200) aktualisiert wird.
9. Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in entsprechenden Einrichtungen auszuführen, umzusetzen und/oder anzusteuern.
10. Computerprogrammprodukt, das dazu eingerichtet ist, einen Prozessor bei Ausführung des Computerprogrammprodukts dazu anzuleiten, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen, umzusetzen und/oder anzusteuern.
11. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 10 gespeichert ist.

Images