WO2018166767A1 - Verfahren zum betrieb eines ladegeräts - Google Patents

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WO2018166767A1
WO2018166767A1 PCT/EP2018/054224 EP2018054224W WO2018166767A1 WO 2018166767 A1 WO2018166767 A1 WO 2018166767A1 EP 2018054224 W EP2018054224 W EP 2018054224W WO 2018166767 A1 WO2018166767 A1 WO 2018166767A1
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charger
charging
charge
energy storage
electrical energy
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PCT/EP2018/054224
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Bernd Dittmer
Peter Feuerstack
Taleb Janbein
Steffen Eppler
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H02J7/04—Regulation of charging current or voltage

Definitions

  • the present invention relates to a method of operating a charger. State of the art
  • Chargers are used to charge electrical energy storage devices to convert the AC mains supply current into DC current with voltage adapted for charging. Chargers are also used to charge, for example, electrical energy storage from DC networks when the voltage of the DC power supply network for charging electrical energy storage must be adjusted.
  • chargers for charging electrical energy storage such as accumulators or storage capacitors usually the so-called IU - method is used. By this method, the electrical energy storage are charged at a constant voltage or at a constant current. The maximum current and the maximum voltage are selected depending on the requirements of the electrical energy storage, the available capacity of the charger and the supply network.
  • the performance of the grid is less than the capacity of the charger, the power drawn from the grid for charging is limited so that there is no damage to the grid, or the guards fail to respond and interrupt the charging process.
  • the power and voltage limits of the energy storage and the performance of the charger and the supply network charging takes place each with the highest charging power of the respective
  • a discharged electrical energy store is charged with the maximum available charging current of the charger until reaching the voltage limit of the electrical energy store. Then it sinks the charging power at a constant charging voltage successively until reaching the charging end voltage by reducing the charging current.
  • a shop with too high charging current or too high a charging voltage would be the electrical
  • Destroy energy storage The heat loss occurring when charging the electrical energy storage is dissipated via various cooling methods such as air or liquid cooling from the electric charger and the electrical energy storage.
  • the charging process starts automatically after switching on the charger, via a time delay option, the beginning of the charging process can be specified by the user.
  • DE 11 2012 005 842 shows a charger for charging an electrical storage battery.
  • This charger controls the charging and discharging based on the different voltages of different electric storage batteries based on the IU method.
  • the charging of electrical energy storage takes place in a disadvantageous way so that the respective combination of charger and electrical energy storage to a
  • Cooling of the components are provided.
  • the corresponding energy storage must also be disadvantageously laboriously temperature monitored and cooled.
  • this disadvantage results in forced ventilation of buildings while charging electrical power
  • the inventive method with the characterizing part of claim 1 has the advantage that for charging an electrical energy storage charging time for the fastest charging and for slower charging with less heating of the components taking into account the efficiency maps of the
  • Charger and / or the electrical energy storage are issued on an interface.
  • a method for operating a charger for charging an electrical energy store from a first state of charge to a second state of charge, wherein the first state of charge is less than the second state of charge and the charger is connected to an interface comprising in a first step the communication the charger with the electrical energy storage to be charged for determining the first state of charge of the electrical energy storage. In a second step, the charger communicates with the electrical energy storage and obtains a first
  • the charger obtains a second efficiency map of the charger.
  • the charger determines a first charging time without
  • a second charging duration is determined taking into account the first efficiency map.
  • a sixth step becomes a third
  • a fourth charging duration is determined taking into account the first and the second efficiency map.
  • the first charge duration and the second charge duration and the third charge duration and the fourth charge time are output on the interface.
  • the energy losses occurring during charging can already be reduced by the fact that, for example, the cooling circuit does not have to be actively operated during the charging process.
  • the minimized heating of the components due to the reduced aging at lower thermal loads leads to an increase in the
  • the charger communicates with a server and queries the current electricity tariff.
  • the charger communicates with a server and queries the current electricity tariff.
  • the user can specify the beginning of the charging process so that the charging process is completed until the beginning of the planned next journey.
  • the charging process by the user can preferably also be placed in a period of expected low load of the supply network or in a period in which excess electrical energy from renewable sources is available.
  • the charger can automatically select the beginning of the charging process without user intervention. This is achieved in a simple manner that is reliably started in a present connection of the charger with the power supply even with a lack of user specification of the charging without user intervention.
  • the charger selects the time depending on the electricity tariff.
  • the charger can advantageously automatically select the beginning of the charging process so that a cost-effective electricity tariff during the
  • the user can choose between the fastest possible and the most energy-efficient charging method by specifying the charging time.
  • Fig. 2 a schematic representation of the loading
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the components in an electrically driven vehicle and an on-board charger at an AC charging station.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the components in an electrically driven vehicle without an on-board charger at one
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the invention
  • Method for charging an electrical energy store 20 In a first method step A, the charger 10 communicates with the
  • the charger 10 determines its first state of charge 22.
  • the subsequent second step B determines the charger 10, the first efficiency map 40 of the electrical energy storage 20.
  • a third step C determines the charger 10 a second efficiency map 41 of the charger 10.
  • the charger 10 determines a first charging time 50 without consideration of the first efficiency map 40 and the second efficiency map 41.
  • the charger 10 determines a second charging time 51, taking into account the first efficiency map 40.
  • the charger 10 determines the charger 10th a third charging period 52, taking into account the second efficiency map 41.
  • the charger 10 determines a fourth charging time 53 under
  • the charger 10 outputs the first charging time 50 and the second charging time 51 and the third charging time 52 and the fourth charging time 53 on the interface 12.
  • the displayed first charging time 50 takes into account only the
  • the efficiency maps 40 and 41 of the charging process involved in components 13 charger 10 and electrical energy storage 20 are not taken into account.
  • the first charging time 50 is advantageously provided when the electric
  • Energy store 20 is to be loaded as quickly as possible from a first state of charge 21 to a second state of charge 22.
  • the second charging duration 51 which is still indicated, takes into account not only the performance the charger 10 and the supply network 11 and the first
  • the second efficiency map 41 of the charger 10 is not taken into account.
  • the second charging time 51 is advantageously provided when the electrical energy storage device 20 from a first state of charge 21 to a second state of charge 22 with the
  • the also indicated third charging duration 52 takes into account, in addition to the first state of charge 21 and the second
  • Efficiency map 40 of the electrical energy storage device 20 is not taken into account.
  • the third charging duration 52 is advantageously appropriate when an electrical energy store 20 is to be charged as quickly as possible from a first charge state 21 to a second charge state 22 and the resulting power loss of the charger 10 should be low, for example when the charger 10 is inside the vehicle is mounted.
  • the fourth charge duration 53 which is also indicated, takes into account its first efficiency map 40 and the second efficiency map 41 of the charger 10.
  • Charging time 53 is the maximum efficiency of the charging process 13. The use of the fourth charging time 53 is the lowest possible
  • a user 14 via the interface 12 a charging time 50, 51, 52, 53 and the time of
  • Charge state 22 determines the charger 10, the charging time 50, 51, 52, 53 new.
  • Figure 2 shows a schematic representation of the loading of a
  • electrical energy storage 20 used components. Same
  • the charger 10 converts the electric power drawn from a supply network 11 so that the requirements for charging the electrical
  • the charger 10 converts the AC power drawn from a power supply 11 into
  • a charger 10 operating as a DC-DC converter converts a direct current drawn from a supply network 11 into one
  • Both the charger 10 and the electrical energy storage 20 are each
  • the active for the charging of the charging process 13 components charger 10 and electrical energy storage 20 Required ancillaries 76 are also powered by the charger 10 with energy. The power consumption of the accessories 76 contributes to the efficiency of the charging process 13. To determine the charging time 51, 52 and 53, the charger 10 communicates with the
  • the electrical energy storage 20 and asks the first state of charge 21 from the first data memory 30 and the first efficiency map 40 from the second data memory 31 of the electrical energy storage device 20 from.
  • the two data memories 30, 31 of the electrical energy store 20 can be integrated into a single data memory if it stores both the data of the first state of charge 21 and of the first efficiency map 40.
  • the charging time 50, 51, 52 and 53 are from the charger 10 on the interface 12th
  • the charger 10 communicates with a server 70 of the supply network 11 and obtains the electricity tariff 71 from a fourth data memory 33. With the aid of the electricity tariff 71, the charger 10 determines the costs of the electrical energy for the charging periods 50, 51, 52 and 53 and the respective ones Differences and outputs the calculated costs and the differences of the costs on the interface 12.
  • a user 14 via the interface 12 one of the charging time 50, 51, 52, 53 and the
  • the interface 12 may be fixedly arranged on the charger 10 or in the electrically driven vehicle 1. As an interface 12 may alternatively or additionally also be used a mobile device, such as a smartphone.
  • Figure 3 shows a schematic representation of the components in an electrically driven vehicle 1. The same elements with respect to the preceding Figures 1 and 2 are provided with the same reference numerals and are not explained in detail.
  • a supply network 11 This compound can be conductive, for example via a
  • the supply network 11 may be DC or
  • Suitable connection points to the supply network 11 are, for example, sockets in garages or charging stations (for example, conductive charging systems for electric vehicles according to DIN EN61851-1) or
  • arranged charger 10 converts the from a supply network 11th
  • Energy storage 20 predetermined voltage for charging.
  • a charger 10 operating as a DC-DC converter converts a direct current drawn from a supply network 11 into one
  • the charger 10 can also be designed as a bidirectionally operating charger 10 to feed energy back into the supply network 11.
  • the charger 10 arranged in the vehicle 1 is used for communication with the server 70 of the
  • Supply network 11 a communication connection to the electricity tariff 71 from a fourth data store 33 to refer. This communication can be wired via the charging cable connection or via an additional
  • a user 14 via the interface 12 one of the charging time 50, 51, 52, 53 and the time of loading start 55 select.
  • the charger 10 determines the charging time 50, 51, 52, 53 new.
  • Charging process involved 13 components charger 10 and electrical
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the components in a vehicle 1 with an electric drive, which is loaded with a charger 10, which is located outside of the vehicle 1.
  • the same elements with respect to the preceding Figures 1, 2 and 3 are provided with the same reference numerals and are not explained in detail.
  • the connection to charge the electrical energy storage 20 of the electrically powered vehicle 1 between the charger 10 and the vehicle 1 is made via a conductive connection, for example a cable. Direct current is transmitted via this connection between the vehicle 1 and the charger 10.
  • the arranged outside the vehicle 1 charger 10 used for communication with the arranged in the vehicle 1 electrical energy storage 20 a
  • Energy storage 20 to relate.
  • This communication may be wired via the charging cable connection or via an additional data cable or via a wireless connection.
  • the output of the charging time 50, 51, 52, 53 via an arranged on the charger 10 interface 12.
  • a user 14 via the interface 12 one of the charging time 50, 51, 52, 53 and the time of loading start 55 select.
  • the charger 10 determines the charging time 50, 51, 52, 53 new.
  • the interface 12 for the output of the charging time 50, 51, 52, 53 can also in
  • Vehicle 1 and be arranged via a wired or wireless
  • Data connection to the outside of the vehicle 1 arranged charger 10 may be connected.
  • a charger 10 arranged outside the vehicle 1 only the electrical energy store 20 arranged in the vehicle 1 is to be cooled by vehicle-specific auxiliary units 76. This decreases the

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ladegeräts zum Laden eines elektrischen Energiespeichers von einem ersten Ladezustand auf einen zweiten Ladezustand, wobei der erste Ladezustand kleiner als der zweite Ladezustand ist und wobei das Ladegerät mit einem Interface verbunden ist. Hierbei kommuniziert das Ladegerät mit dem Energiespeicher und ermittelt dessen Ladezustand. In einem weiteren Schritt bezieht das Ladegerät das Wirkungsgradkennfeld des elektrischen Energiespeichers und das Wirkungsgradkennfeld des Ladegeräts. Das Ladegerät ermittelteine Ladedauer ohne Berücksichtigung der Wirkungsgradkennfelder und eine weitere Ladedauer unter Berücksichtigung des Wirkungsgradkennfelds des elektrischen Energiespeichers und eine weitere Ladedauer unter Berücksichtigung des Wirkungsgradkennfelds des Ladegeräts und eine weitere Ladedauer unter Berücksichtigung beider Wirkungsgradkennfelder und gibt diese auf einem Interface aus.

Description

Beschreibung
Titel Verfahren zum Betrieb eines Ladegeräts
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ladegeräts. Stand der Technik
Ladegeräte werden zum Laden von elektrischen Energiespeichern verwendet, um den Wechselstrom des Versorgungsnetzes in Gleichstrom mit zum Laden angepasster Spannung umzuwandeln. Ladegeräte werden ebenfalls eingesetzt, um beispielsweise elektrische Energiespeicher aus Gleichstromnetzen zu laden, wenn die Spannung des Gleichstrom-Versorgungsnetzes zum Laden von elektrischen Energiespeichern angepasst werden muss. Bei Ladegeräten zum Laden von elektrischen Energiespeichern wie beispielsweise Akkumulatoren oder Speicherkondensatoren wird üblicherweise das sogenannte IU - Verfahren verwendet. Durch dieses Verfahren werden die elektrischen Energiespeicher mit einer konstanten Spannung oder mit einem konstanten Strom geladen. Die maximale Stromstärke und die maximale Spannung werden abhängig von den Anforderungen des elektrischen Energiespeichers, der zur Verfügung stehenden Leistungsfähigkeit des Ladegeräts und des Versorgungsnetzes gewählt. Wenn die Leistungsfähigkeit des Versorgungsnetzes kleiner ist als die Leistungsfähigkeit des Ladegeräts wird die dem Versorgungsnetz zum Laden entnommene Leistung so begrenzt, dass am Versorgungsnetz keine Schäden auftreten beziehungsweise die Schutzeinrichtungen nicht ansprechen und den Ladevorgang unterbrechen. Unter Berücksichtigung der Strom- und Spannungsgrenzen des Energiespeichers, und der Leistungsfähigkeit des Ladegeräts und des Versorgungsnetzes erfolgt das Laden jeweils mit der größtmöglichen Ladeleistung des jeweiligen
Arbeitspunktes. Das Laden eines entladenen elektrischen Energiespeichers erfolgt mit dem maximal zur Verfügung stehenden Ladestrom des Ladegeräts bis zum Erreichen der Spannungsgrenze des elektrischen Energiespeichers. Dann sinkt die Ladeleistung bei konstanter Ladespannung sukzessive bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung durch Reduktion des Ladestroms. Ein Laden mit zu hohem Ladestrom oder einer zu hohen Ladespannung würde den elektrischen
Energiespeicher zerstören. Die beim Laden des elektrischen Energiespeichers auftretende Verlustwärme wird über verschiedene Kühlungsverfahren wie beispielsweise Luft- oder Flüssigkeitskühlung aus dem elektrischen Ladegerät und dem elektrischen Energiespeicher abgeführt. Der Ladevorgang startet nach dem Einschalten des Ladegeräts selbsttätig, über eine Zeitvorwahlmöglichkeit kann der Beginn des Ladevorgangs durch den Benutzer vorgegeben werden.
Beispielsweise zeigt die DE 11 2012 005 842 ein Ladegerät zum Aufladen einer elektrischen Speicherbatterie. Dieses Ladegerät steuert das Aufladen und das Entladen anhand der unterschiedlichen Spannungen von verschiedenen elektrischen Speicherbatterien auf Basis des IU - Verfahrens. Das Laden von elektrischen Energiespeichern erfolgt in nachteiliger Weise so, dass die jeweilige Kombination von Ladegerät und elektrischem Energiespeicher zu einem
Energietransfer mit der höchstmöglichen Energie führt. Damit wird bei einem Ladegerät der schnellstmöglich ablaufende Ladevorgang erzielt. Nachteilig ist dabei, dass auf die Wirkungsgradkennfelder der am Ladeverfahren beteiligten Komponenten durch das umgesetzte IU - Ladeverfahren keine Rücksicht genommen wird und somit eine erhöhte Erwärmung des Ladegeräts und elektrischen Energiespeichers in nachteiliger Weise in Kauf genommen wird.
Diese Wärme ist als Abwärme abzuführen. Dies führt dazu, dass beispielsweise bei Ladegeräten für elektrische Energiespeicher für elektrisch betriebene Straßen- und Flurförderfahrzeuge, in nachteiliger Weise aufwändige Einrichtungen zur
Kühlung der Komponenten vorzusehen sind. Die entsprechenden Energiespeicher müssen ebenfalls nachteilig aufwändig temperaturüberwacht und gekühlt werden. In dem Standard SAE J 1772 führt dieser Nachteil beispielsweise dazu, dass eine Zwangsbelüftung von Gebäuden während des Ladens von elektrischen
Energiespeichern von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen gefordert wird. Ein Ausfall der Zwangsbelüftung würde zu einem Abbruch des Ladevorgangs führen. Außerdem führt die Erwärmung beim Laden in nachteiliger Weise zu einer beschleunigten Alterung des Ladegeräts und des elektrischen Energiespeichers. Es besteht daher der Bedarf nach einem Verfahren, durch das die Erwärmung der Komponenten reduziert wird und die beschleunigte Alterung des Ladegeräts und des zu ladenden Energiespeichers vermieden wird Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass zum Laden eines elektrischen Energiespeichers Ladedauern für das schnellste Laden und für langsamere Ladevorgänge mit geringerer Erwärmung der Komponenten unter Berücksichtigung der Wirkungsgradkennfelder des
Ladegeräts und / oder des elektrischen Energiespeichers auf einem Interface ausgegeben werden.
Erfindungsgemäß ist dazu ein Verfahren zum Betrieb eines Ladegeräts zum Laden eines elektrischen Energiespeichers von einem ersten Ladezustand auf einen zweiten Ladezustand vorgesehen, wobei der erste Ladezustand kleiner ist als der zweite Ladezustand und das Ladegerät mit einem Interface verbunden ist, umfassend in einem ersten Schritt die Kommunikation des Ladegeräts mit dem zu ladenden elektrischen Energiespeicher zur Ermittlung des ersten Ladezustands des elektrischen Energiespeichers. In einem zweiten Schritt kommuniziert das Ladegerät mit dem elektrischen Energiespeicher und bezieht ein erstes
Wirkungsgradkennfeld des elektrischen Energiespeichers. In einem dritten Schritt bezieht das Ladegerät ein zweites Wirkungsgradkennfeld des Ladegeräts. In einem vierten Schritt ermittelt das Ladegerät eine erste Ladedauer ohne
Berücksichtigung des ersten und des zweiten Wirkungsgradkennfeldes. In einem fünften Schritt wird eine zweite Ladedauer unter Berücksichtigung des ersten Wirkungsgradkennfelds ermittelt. In einem sechsten Schritt wird eine dritte
Ladedauer unter Berücksichtigung des zweiten Wirkungsgradkennfelds ermittelt. In einem siebten Schritt wird eine vierte Ladedauer unter Berücksichtigung des ersten und des zweiten Wirkungsgradkennfelds ermittelt. In einem achten Schritt werden die erste Ladedauer und die zweite Ladedauer und die dritte Ladedauer und die vierte Ladedauer auf dem Interface ausgegeben. Die Berücksichtigung der Wirkungsgradkennfelder hat den Vorteil, dass die durch den Ladevorgang verursachte Erwärmung der Komponenten auf ein Minimum reduziert wird. Wenn für den Ladevorgang mehr Zeit als die kürzeste Ladedauer zur Verfügung steht, ergeben sich durch die Anpassung des IU - Ladeverfahrens unter Nutzung von Arbeitspunkten mit unterhalb der maximalen Ladeleistung liegenden geringerer Ladeleistung eine Reihe von weiteren Vorteilen. Durch die auf ein Minimum reduzierte Erwärmung der Komponenten können die Kühlungseinrichtungen einfacher, kostengünstiger und kleiner ausgelegt werden oder sogar ganz entfallen. Beispielsweise kann eine Flüssigkeitskühlung der Komponenten durch Rippen zur Luftkühlung der Komponenten ersetzt werden. Andererseits können die beim Laden auftretenden Energieverluste bereits dadurch verringert werden, dass beispielsweise der Kühlkreislauf während des Ladevorgangs nicht aktiv betrieben werden muss. Für den Nutzer des Ladegeräts ergibt sich dadurch eine Reduzierung der Systemkosten und ein kostengünstiges Laden, da die nicht anfallenden bzw. deutlich reduzierten Ladeverluste nicht über die Kosten für den Bezug des elektrischen Stroms bezahlt werden müssen. Außerdem führt die auf ein Minimum reduzierte Erwärmung der Komponenten aufgrund der verminderten Alterung bei geringeren thermischen Belastungen zu einer Erhöhung der
Lebensdauer aller an dem beim Laden erfolgenden Energietransfer beteiligten Komponenten, beispielsweise des elektrischen Energiespeichers und des
Ladegeräts. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Ladedauern auf dem Interface auszugeben und dem Benutzer die Möglichkeit der Wahl zwischen den
verschiedenen Ladedauern, den damit verbundenen Kosten und der Erwärmung der Komponenten zu geben. Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Vorteilhafterweise kommuniziert das Ladegerät mit einem Server und fragt den aktuellen Stromtarif ab. Von großem Vorteil ist, dass durch die Berücksichtigung des aktuellen Stromtarifs die Nutzung der energieeffizienten verlängerten
Ladedauern mit besserem Gesamtwirkungsgrad die Kosten für den Ladevorgang minimiert werden. Andererseits kann vorteilhafterweise ein sehr niedriger Stromtarif zur schnellen Aufladung des elektrischen Energiespeichers genutzt werden, wenn die niedrigen Stromkosten den Nachteil des höheren
Energiebedarfs aufgrund des schlechteren Wirkungsgrads und des
Energieaufwands der Nebenaggregate des Kühlkreislaufs aufheben.
In vorteilhafter Weise kann der Benutzer den Beginn des Ladevorgangs so vorgeben, dass der Ladevorgang bis zum Beginn der geplanten nächsten Fahrt abgeschlossen ist. Weiterhin kann der Ladevorgang durch den Benutzer bevorzugt auch in einen Zeitraum mit voraussichtlich schwacher Belastung des Versorgungsnetzes oder in einen Zeitraum gelegt werden, in dem überschüssige elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen zur Verfügung steht.
Vorteilhaft ist, dass das Ladegerät den Beginn des Ladevorgangs selbsttätig ohne einen Benutzereingriff wählen kann. Damit wird auf einfache Weise erreicht, dass bei einer vorliegenden Verbindung des Ladegeräts mit dem Versorgungsnetz auch bei einer fehlenden Benutzervorgabe der Ladevorgang ohne Benutzereingriff zuverlässig gestartet wird.
Vorteilhafterweise wählt das Ladegerät den Zeitpunkt in Abhängigkeit von dem Stromtarif. Das Ladegerät kann vorteilhaft den Beginn des Ladevorgangs selbsttätig so wählen, dass ein kostengünstiger Stromtarif während des
Ladevorgangs genutzt wird.
Des Weiteren ist vorteilhaft, dass ein Benutzer dem Ladegerät vorgibt, innerhalb welcher Ladedauer der Energiespeicher von dem ersten Ladezustand auf den zweiten Ladezustand aufgeladen ist. Von Vorteil ist für den Benutzer, dass er über diese Vorgabe die Aufladung des elektrischen Energiespeichers an seine
Bedürfnisse anpassen kann. Der Benutzer kann durch die Vorgabe der Ladedauer zwischen dem schnellstmöglichen und dem energieeffizientesten Ladeverfahren wählen.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Ladegerät unter Berücksichtigung des
Stromtarifs selbsttätig die erste Ladedauer oder die zweite Ladedauer oder die dritte Ladedauer oder die vierte Ladedauer wählt. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass das Ladegerät selbsttätig bei einem niedrigen Stromtarif eine kurze Ladedauer wählt, wenn trotz der schlechteren Effizienz ein Kostenvorteil bei der Aufladung erzielt wird. Vorteilhaft ist ebenfalls, dass das Ladegerät bei einem hohen Stromtarif selbsttätig eine längere Ladedauer wählt, um die bezogene elektrische Energie so effizient wie möglich für das Laden des elektrischen
Energiespeichers einzusetzen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem
Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter
Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Ablaufs des Verfahrens
Laden eines elektrischen Energiespeichers;
Fig. 2: eine schematische Darstellung der zum Laden
Energiespeichers genutzten Komponenten;
Fig. 3: eine schematische Darstellung der Komponenten in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug und einem fahrzeugeigenen Ladegerät an einer Wechselstrom-Ladesäule.
Fig. 4: eine schematische Darstellung der Komponenten in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug ohne fahrzeugeigenes Ladegerät an einer
Gleichstrom-Ladesäule.
Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. seiner Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 20. In einem ersten Verfahrensschritt A kommuniziert das Ladegerät 10 mit dem
elektrischen Energiespeicher 20 und ermittelt dessen ersten Ladezustand 22. Im darauf folgenden zweiten Verfahrensschritt B ermittelt das Ladegerät 10 das erste Wirkungsgradkennfeld 40 des elektrischen Energiespeichers 20. In einem dritten Verfahrensschritt C ermittelt das Ladegerät 10 ein zweites Wirkungsgradkennfeld 41 des Ladegeräts 10. In einem vierten Verfahrensschritt D ermittelt das Ladegerät 10 eine erste Ladedauer 50 ohne Berücksichtigung des ersten Wirkungsgradkennfeldes 40 und des zweiten Wirkungsgradkennfeldes 41. In einem fünften Verfahrensschritt E ermittelt das Ladegerät 10 eine zweite Ladedauer 51 unter Berücksichtigung des ersten Wirkungsgradkennfeldes 40. In einem sechsten Verfahrensschritt F ermittelt das Ladegerät 10 eine dritte Ladedauer 52 unter Berücksichtigung des zweiten Wirkungsgradkennfeldes 41. In einem siebten Verfahrensschritt G ermittelt das Ladegerät 10 eine vierte Ladedauer 53 unter
Berücksichtigung des ersten Wirkungsgradkennfeldes 40 und des zweiten Wirkungsgradkennfeldes 41. In einem achten Verfahrensschritt H gibt das Ladegerät 10 die erste Ladedauer 50 und die zweite Ladedauer 51 und die dritte Ladedauer 52 und die vierte Ladedauer 53 auf dem Interface 12 aus. Die dabei angezeigte erste Ladedauer 50 berücksichtigt lediglich die
Leistungsfähigkeit des Ladegeräts 10 und des Versorgungsnetzes 11 sowie den ersten Ladezustand 21 und den zweiten Ladezustand 22 des
elektrischen Energiespeichers 20. Die Wirkungsgradkennfelder 40 und 41 der an dem Ladevorgang 13 beteiligten Komponenten Ladegerät 10 und elektrischer Energiespeicher 20 werden dabei nicht berücksichtigt. Die erste Ladedauer 50 bietet sich vorteilhafterweise an, wenn der elektrische
Energiespeicher 20 so schnell wie möglich von einem ersten Ladezustand 21 auf einen zweiten Ladezustand 22 geladen werden soll. Die weiterhin angezeigte zweite Ladedauer 51 berücksichtigt neben der Leistungsfähigkeit des Ladegeräts 10 und des Versorgungsnetzes 11 sowie des ersten
Ladezustands 21 und des zweiten Ladezustands 22 des elektrischen
Energiespeichers 20 das erste Wirkungsgradkennfeld 40 des elektrischen Energiespeichers 20. Das zweite Wirkungsgradkennfeld 41 des Ladegeräts 10 wird dabei nicht berücksichtigt. Die zweite Ladedauer 51 bietet sich vorteilhafterweise an, wenn der elektrische Energiespeicher 20 von einem ersten Ladezustand 21 auf einen zweiten Ladezustand 22 mit der
geringstmöglichen Verlustleistung des elektrischen Energiespeichers 20 geladen werden soll und die anfallende Verlustleistung des Ladegeräts 10 keine Rolle spielt, beispielsweise wenn das Ladegerät 10 außerhalb des Fahrzeugs montiert ist. Die außerdem angezeigte dritte Ladedauer 52 berücksichtigt neben dem ersten Ladezustand 21 und dem zweiten
Ladezustand 22 des elektrischen Energiespeichers 20 das zweite
Wirkungsgradkennfeld 41 des Ladegeräts 10. Das erste
Wirkungsgradkennfeld 40 des elektrischen Energiespeichers 20 wird dabei nicht berücksichtigt. Die dritte Ladedauer 52 bietet sich vorteilhafterweise an, wenn ein elektrischer Energiespeicher 20 so schnell wie möglich von einem ersten Ladezustand 21 auf einen zweiten Ladezustand 22 geladen werden soll und die anfallende Verlustleistung des Ladegeräts 10 gering sein soll, beispielsweise wenn das Ladegerät 10 innerhalb des Fahrzeugs montiert ist. Die weiterhin angezeigte vierte Ladedauer 53 berücksichtigt neben dem ersten Ladezustand 21 und dem zweiten Ladezustand 22 des elektrischen Energiespeichers 20 dessen erstes Wirkungsgradkennfeld 40 und das zweite Wirkungsgradkennfeld 41 des Ladegeräts 10. Der Vorteil der vierten
Ladedauer 53 ist die größtmögliche Effizienz des Ladevorgangs 13. Die Nutzung der vierten Ladedauer 53 ist mit der geringstmöglichen
Verlustleistung der am Ladevorgang 13 beteiligten Komponenten Ladegerät 10 und elektrischer Energiespeicher 20 verbunden. Die reduzierte
Verlustleistung führt zu einer reduzierten Erwärmung der Komponenten und damit zu einer verzögerten Alterung des Ladegeräts 10 und des
Energiespeichers 20. Vorteilhafterweise kann ein Benutzer 14 über das Interface 12 ein Ladedauern 50, 51, 52, 53 und den Zeitpunkt des
Ladebeginns 55 auswählen. Durch die Eingabe eines zweiten Ladezustands 22 kann die Aufladung des elektrischen Energiespeichers 20 durch den
Benutzer 14 begrenzt werden. Bei einer Vorgabe eines zweiten
Ladezustands 22 ermittelt das Ladegerät 10 die Ladedauern 50, 51, 52, 53 neu.
Die genannten Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in der genannten Reihenfolge durchlaufen. Es ist ebenfalls möglich, die
Verfahrensschritte A bis C in beliebiger Reihenfolge zu durchlaufen und daran anschließend die Verfahrensschritte D bis G in beliebiger Reihenfolge zu durchlaufen. An die Verfahrensschritte A bis G schließt sich der Verfahrensschritt H an. Einzelne Zwischenschritte können entfallen wenn beispielsweise eines der Wirkungsgradkennfelder 40 und 41 nicht zur Verfügung steht und wenn das Ziel der Ausgabe von mindestens zwei unterschiedlichen Ladedauern auf dem Interface 12 erreicht wird.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der zum Laden eines
elektrischen Energiespeichers 20 genutzten Komponenten. Gleiche
Elemente in Bezug auf die vorhergehende Figur 1 sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Das Ladegerät 10 wandelt die von einem Versorgungsnetz 11 bezogene elektrische Energie so um, dass die Anforderungen zum Laden des elektrischen
Energiespeichers 20 erfüllt werden. Beispielsweise wandelt das Ladegerät 10 den von einem Versorgungsnetz 11 bezogenen Wechselstrom in
Gleichstrom mit einer durch den elektrischen Energiespeicher 20
vorgegebenen Spannung zum Laden um. In einer anderen Ausführungsform wandelt ein als Gleichspannungswandler arbeitendes Ladegerät 10 einen von einem Versorgungsnetz 11 bezogenen Gleichstrom in einem
Gleichstrom mit anderer Spannung zum Laden eines elektrischen
Energiespeichers 20 auf einem anderen Spannungsniveau um. Sowohl das Ladegerät 10 als auch der elektrische Energiespeicher 20 sind jeweils
wirkungsgradbehaftet und erwärmen sich während des Betriebs aufgrund der anfallenden Abwärme. Die für die Kühlung der beim Ladevorgang 13 aktiven Komponenten Ladegerät 10 und elektrischer Energiespeicher 20 erforderlichen Nebenaggregate 76 sind ebenfalls durch das Ladegerät 10 mit Energie zu versorgen. Der Energieverbrauch der Nebenaggregate 76 trägt zur Effizienzverminderung des Ladevorgangs 13 bei. Zur Bestimmung der Ladedauern 51, 52 und 53 kommuniziert das Ladegerät 10 mit dem
elektrischen Energiespeicher 20 und fragt den ersten Ladezustand 21 aus dem ersten Datenspeicher 30 und das erste Wirkungsgradkennfeld 40 aus dem zweiten Datenspeicher 31 des elektrischen Energiespeichers 20 ab. Die beiden Datenspeicher 30, 31 des elektrischen Energiespeichers 20 können in einen einzigen Datenspeicher integriert werden, wenn dieser sowohl die Daten des ersten Ladezustands 21 und des ersten Wirkungsgradkennfelds 40 speichert. Weiterhin wird das zweite Wirkungsgradkennfeld 41 des
Ladegeräts 10 aus dem dritten Datenspeicher 32 bezogen. Die Ladedauern 50, 51, 52 und 53 werden von dem Ladegerät 10 auf dem Interface 12
ausgegeben. Weiterhin kommuniziert das Ladegerät 10 mit einem Server 70 des Versorgungsnetzes 11 und bezieht den Stromtarif 71 aus einem vierten Datenspeicher 33. Mit Hilfe des Stromtarifs 71 ermittelt das Ladegerät 10 die Kosten der elektrischen Energie für die Ladedauern 50, 51, 52 und 53 und die jeweiligen Differenzen und gibt die ermittelten Kosten und die Differenzen der Kosten auf dem Interface 12 aus. Vorteilhafterweise kann ein Benutzer 14 über das Interface 12 eine der Ladedauern 50, 51, 52, 53 und den
Zeitpunkt des Ladebeginns 55 auswählen. Durch die Eingabe eines zweiten Ladezustands 22 kann die Aufladung des elektrischen Energiespeichers 20 durch das Ladegerät 10 durch den Benutzer 14 begrenzt werden. Bei einer Vorgabe eines zweiten Ladezustands 22 ermittelt das Ladegerät 10 die
Ladedauern 50, 51, 52, 53 neu. Das Interface 12 kann fest am Ladegerät 10 oder im elektrisch angetriebenen Fahrzeug 1 angeordnet sein. Als Interface 12 kann alternativ oder zusätzlich ebenfalls ein mobiles Gerät eingesetzt werden, beispielsweise ein Smartphone. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Komponenten in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 1. Gleiche Elemente in Bezug auf die vorhergehenden Figuren 1 und 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Zur Versorgung des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1 mit elektrischer Energie wird das Fahrzeug 1 mit einem Versorgungsnetz 11 verbunden. Diese Verbindung kann konduktiv beispielsweise über eine
Kabelverbindung oder berührungslos beispielsweise über eine induktive
Verbindung erfolgen. Das Versorgungsnetz 11 kann Gleichstrom oder
Wechselstrom bereitstellen. Geeignete Anschlusspunkte an das Versorgungsnetz 11 sind beispielsweise Steckdosen in Garagen oder Ladesäulen (zum Beispiel konduktive Ladesysteme für Elektrofahrzeuge nach DIN EN61851-1) oder
Sendeantennen von induktiven Ladeeinrichtungen. Das im Fahrzeug 1
angeordnete Ladegerät 10 wandelt den von einem Versorgungsnetz 11
bezogenen Wechselstrom in Gleichstrom mit einer durch den elektrischen
Energiespeicher 20 vorgegebenen Spannung zum Laden um. In einer anderen Ausführungsform wandelt ein als Gleichspannungswandler arbeitendes Ladegerät 10 einen von einem Versorgungsnetz 11 bezogenen Gleichstrom in einen
Gleichstrom mit anderer Spannung zum Laden eines elektrischen
Energiespeichers 20 auf einem anderen Spannungsniveau um. Das Ladegerät 10 kann auch als bidirektional arbeitendes Ladegerät 10 ausgeführt sein, um Energie in das Versorgungsnetz 11 zurückzuspeisen. Das im Fahrzeug 1 angeordnete Ladegerät 10 benutzt zur Kommunikation mit dem Server 70 des
Versorgungsnetzes 11 eine Kommunikationsverbindung um den Stromtarif 71 aus einem vierten Datenspeicher 33 zu beziehen. Diese Kommunikation kann drahtgebunden über die Ladekabelverbindung oder über ein zusätzliches
Datenkabel oder über eine drahtlose Verbindung erfolgen. Die Ausgabe der Ladedauern 50, 51, 52, 53 erfolgt über ein im Fahrzeug 1 angeordnetes Interface 12. Vorteilhafterweise kann ein Benutzer 14 über das Interface 12 eine der Ladedauern 50, 51, 52, 53 und den Zeitpunkt des Ladebeginns 55 auswählen. Durch die Eingabe eines zweiten Ladezustands 22 kann die Aufladung des elektrischen Energiespeichers 20 durch das Ladegerät 10 durch den Benutzer 14 begrenzt werden. Bei einer Vorgabe eines zweiten Ladezustands 22 ermittelt das Ladegerät 10 die Ladedauern 50, 51, 52, 53 neu. Die Kühlung der am
Ladevorgang 13 beteiligten Komponenten Ladegerät 10 und elektrischer
Energiespeicher 20 erfolgt im Fahrzeug 1 und wird durch die Nebenaggregate 76 unterstützt. Die Nebenaggregate 76 können beispielsweise Lüfter und oder Kühlmittelpumpen umfassen. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung der Komponenten in einem Fahrzeug 1 mit einem elektrischen Antrieb, das mit einem Ladegerät 10 geladen wird, welches sich außerhalb des Fahrzeugs 1 befindet. Gleiche Elemente in Bezug auf die vorhergehenden Figuren 1, 2 und 3 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Die Verbindung zu Laden des elektrischen Energiespeichers 20 des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1 zwischen dem Ladegerät 10 und dem Fahrzeug 1 wird über eine konduktive Verbindung, beispielsweise ein Kabel, hergestellt. Über diese Verbindung zwischen dem Fahrzeug 1 und dem Ladegerät 10 wird Gleichstrom übertragen. Das außerhalb des Fahrzeugs 1 angeordnete Ladegerät 10 benutzt zur Kommunikation mit dem im Fahrzeug 1 angeordneten elektrischen Energiespeicher 20 eine
Kommunikationsverbindung um den ersten Ladezustand 21 und den zweiten Ladezustand 22 und das erste Wirkungsgradkennfeld 40 des elektrischen
Energiespeichers 20 zu beziehen. Diese Kommunikation kann drahtgebunden über die Ladekabelverbindung oder über ein zusätzliches Datenkabel oder über eine drahtlose Verbindung erfolgen. Die Ausgabe der Ladedauern 50, 51, 52, 53 erfolgt über ein am Ladegerät 10 angeordnetes Interface 12. Vorteilhafterweise kann ein Benutzer 14 über das Interface 12 eine der Ladedauern 50, 51, 52, 53 und den Zeitpunkt des Ladebeginns 55 auswählen. Durch die Eingabe eines zweiten Ladezustands 22 kann die Aufladung des elektrischen Energiespeichers 20 durch den Benutzer 14 begrenzt werden. Bei einer Vorgabe eines zweiten Ladezustands 22 ermittelt das Ladegerät 10 die Ladedauern 50, 51, 52, 53 neu. Das Interface 12 zur Ausgabe der Ladedauern 50, 51, 52, 53 kann auch im
Fahrzeug 1 angeordnet sein und über eine drahtgebundene oder drahtlose
Datenverbindung mit dem außerhalb des Fahrzeugs 1 angeordneten Ladegerät 10 verbunden sein. Bei einem außerhalb des Fahrzeugs 1 angeordneten Ladegerät 10 ist lediglich der im Fahrzeug 1 angeordnete elektrische Energiespeicher 20 durch fahrzeugeigene Nebenaggregate 76 zu kühlen. Damit sinkt der
Energieaufwand für die Nebenaggregate 76 um den Aufwand der Kühlung des außerhalb des Fahrzeugs 1 angeordneten Ladegeräts 10.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Ladegeräts (10) zum Laden eines
elektrischen Energiespeichers (20) von einem ersten Ladezustand (21) auf einen zweiten Ladezustand (22), wobei der erste Ladezustand (21) kleiner als der zweite Ladezustand (22) ist, wobei das Ladegerät (10) mit einem Interface (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Ladegerät (10) in einem ersten Schritt (A) mit dem elektrischen
Energiespeicher (20) kommuniziert und den ersten Ladezustand (21) des elektrischen Energiespeichers (20) und / oder
- das Ladegerät (10) in einem zweiten Schritt (B) mit dem elektrischen Energiespeicher (20) kommuniziert und ein erstes Wirkungsgradkennfeld
(40) des elektrischen Energiespeichers (20) und / oder
- das Ladegerät (10) in einem dritten Schritt (C) ein zweites
Wirkungsgradkennfeld (41) des Ladegeräts (10) und/oder
- das Ladegerät (10) in einem vierten Verfahrensschritt (D) eine erste
Ladedauer (50) ohne Berücksichtigung des ersten
Wirkungsgradkennfeldes (40) und des zweiten Wirkungsgradkennfeldes
(41) ermittelt und / oder
- das Ladegerät (10) in einem fünften Verfahrensschritt (E) eine zweite Ladedauer (51) unter Berücksichtigung des ersten
Wirkungsgradkennfelds (40) ermittelt und / oder
- das Ladegerät (10) in einem sechsten Verfahrensschritt (F) eine dritte Ladedauer (52) unter Berücksichtigung des zweiten
Wirkungsgradkennfelds (41) ermittelt und / oder
- das Ladegerät (10) in einem siebten Verfahrensschritt (G) eine vierte Ladedauer (53) unter Berücksichtigung des ersten
Wirkungsgradkennfelds (40) und des zweiten Wirkungsgradkennfelds (41) ermittelt und / oder
- das Ladegerät (10) in einem achten Verfahrensschritt (H) die erste
Ladedauer (50) und/oder die zweite Ladedauer (51) und/oder die dritte Ladedauer (52) und / oder die vierte Ladedauer (53) auf dem Interface (12) ausgibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladegerät (10) mit einem Server (70) kommuniziert und den aktuellen Stromtarif (71) abfragt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Ladegerät (10) den Ladevorgang (13) zu einem Zeitpunkt (55) beginnt, der von einem Benutzer (14)
vorgegeben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ladegerät (10) den Ladevorgang (13) zu einem Zeitpunkt (55) beginnt, der von dem Ladegerät (10) selbsttätig gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das
Ladegerät (10) den Zeitpunkt (55) in Abhängigkeit von dem Stromtarif (71) wählt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Benutzer (14) dem Ladegerät (10) vorgibt, innerhalb welcher Ladedauer (50, 51, 52, 53) der Energiespeicher (20) von dem ersten Ladezustand (21) auf den zweiten Ladezustand (22) aufgeladen ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladegerät (10) unter Berücksichtigung des Stromtarifs (71) selbsttätig die erste Ladedauer (50) oder die zweite Ladedauer (51) oder die dritte Ladedauer (52) oder die vierte Ladedauer (53) wählt.
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