DE102017209450A1

DE102017209450A1 - Verfahren zur Ermittlung der Temperatur einer Lade-Schnittstelle eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102017209450A1
Application number: DE102017209450.8A
Authority: DE
Inventors: Patrick Ahrens
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2018-12-06

Abstract

Es wird ein Verfahren (500) zur Ermittlung von Temperaturinformation bezüglich einer Temperatur einer Lade-Schnittstelle (101) beschrieben, wobei die Lade-Schnittstelle (101) auf einem Strompfad zwischen einer Ladestation (110) und einem elektrischen Energiespeicher (308) eines Fahrzeugs (100) angeordnet ist. Das Verfahren (500) umfasst das Ermitteln (501) von Soll-Information bezüglich einer Soll-Ladeleistung, die von der Ladestation (110) auf dem Strompfad bereitgestellt wird. Außerdem umfasst das Verfahren (500) das Ermitteln (502) von Ist-Information bezüglich einer Ist-Ladeleistung, die von dem Energiespeicher (308) aus dem Strompfad aufgenommen wird. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Ermitteln (503) der Temperaturinformation auf Basis der Soll-Information und auf Basis der Ist-Information.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinheit zur Ermittlung von Temperaturinformation bezüglich der Temperatur einer Lade-Schnittstelle eines Fahrzeugs.
Fahrzeuge mit Elektroantrieb (insbesondere Elektrofahrzeuge oder Plugin-Hybrid Fahrzeuge) umfassen elektrische Energiespeicher (z.B. Batterien), die über eine Ladevorrichtung des Fahrzeugs an eine Ladestation angeschlossen und aufgeladen werden können. Zum Aufladen der elektrischen Energiespeicher solcher Elektro- und/oder Hybrid-Fahrzeuge existieren verschiedene konduktive, d.h. kabelgebundene, Ladetechnologien. Bei dem sogenannten AC- Laden oder Wechselstromladen befindet sich das Ladegerät, welches den Gleichstrom (auch als DC-Strom bezeichnet) zur Aufladung des elektrischen Energiespeichers umwandelt, im Fahrzeug. Auf einem Ladekabel zwischen Ladestation und Fahrzeug wird ein AC- (Alternating Current) oder Wechselstrom übertragen. Bei dem sogenannten DC-Laden oder Gleichstromladen befindet sich das Ladegerät, welches den Gleichstrom zur Aufladung des elektrischen Speichers umwandelt, in der Ladestation. Auf dem Ladekabel wird somit ein DC- (Direct Current) oder Gleichstrom übertragen. Das DC-Laden wird häufig auch als Schnellladen bezeichnet, da die Ladeleistung beim DC-Laden typischerweise über der Ladeleistung des AC-Ladens liegt.
Mit steigender Ladeleistung und/oder mit steigendem Ladestrom steigt typischerweise die Menge an thermischer Energie, die in dem Ladesystem zwischen Ladestation und Energiespeicher entsteht. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, die Wärmeentwicklung in einem Ladesystem, insbesondere an einer Lade-Schnittstelle bzw. Ladedose eines Fahrzeugs, in effizienter und präziser Weise zu bestimmen.
Die Aufgabe wird durch den unabhängig Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung von Temperaturinformation bezüglich einer Temperatur einer Lade-Schnittstelle beschrieben. Die Lade-Schnittstelle ist dabei auf einem Strompfad zwischen einer Ladestation und einem elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeugs angeordnet. Der Energiespeicher kann über den Strompfad mit elektrischer Energie aus der Ladestation geladen werden. Auf dem Strompfad zwischen der Ladestation und dem Energiespeicher sind typischerweise die Lade-Schnittstelle und ein oder mehrere weitere elektrisch leitende Komponenten angeordnet. Dabei können die ein oder mehreren weiteren elektrisch leitenden Komponenten ein Fahrzeug-externes Ladekabel, eine Fahrzeug-interne Verkabelung und/oder einen Anschluss des Energiespeichers an die Fahrzeug-interne Verkabelung umfassen. Die Lade-Schnittstelle umfasst typischerweise eine Ladedose des Fahrzeugs zur Aufnahme eines Steckers des Ladekabels der Ladestation.
Das Verfahren umfasst das Ermitteln von Ist-Information bezüglich einer Ist-Ladeleistung, die von dem Energiespeicher von dem Strompfad aufgenommen bzw. aus dem Strompfad entnommen wird. Insbesondere kann die Ist-Information den Wert einer an dem Energiespeicher anliegenden Ist-Ladespannung umfassen bzw. anzeigen. Alternativ oder ergänzend kann die Ist-Information den Wert des von dem Energiespeicher aufgenommenen Ladestroms umfassen.
Das Verfahren kann das Ermitteln von Soll-Information bezüglich einer Soll-Ladeleistung umfassen, die von der Ladestation auf dem Strompfad bereitgestellt wird. Der Strompfad kann z.B. einen Pluspfad und einen Minuspfad umfassen. Die Soll-Information kann den Wert einer an der Ladestation, insbesondere zwischen dem Pluspfad und dem Minuspfad, anliegenden Soll-Ladespannung umfassen bzw. anzeigen. Des Weiteren kann die Soll-Information den Wert eines Ladestroms umfassen bzw. anzeigen, der von der Ladestation auf dem Strompfad bereitgestellt bzw. in den Strompfad eingespeist wird. Alternativ oder ergänzend kann die Soll-Information einen Wert der von der Ladestation bereitgestellten Soll-Ladeleistung umfassen.
Die Ist-Information kann den Wert eines Ladestroms anzeigen, der von dem Energiespeicher aus dem Strompfad aufgenommen wird. Zu diesem Zweck kann eine Strommessung an dem Energiespeicher erfolgen. Durch Berücksichtigung des Ladestroms, der tatsächlich an dem Energiespeicher bereitgestellt wird, kann die Güte der ermittelten Temperaturinformation erhöht werden.
Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln der Temperaturinformation auf Basis der Ist-Information. Insbesondere kann die Temperaturinformation auf Basis der Ist-Information und auf Basis der Soll-Information ermittelt werden. Beispielsweise kann die Soll-Information mit der Ist-Information verglichen werden, um die Temperaturinformation bezüglich der Temperatur der Lade-Schnittstelle zu ermitteln.
Es kann somit in effizienter und präziser Weise, ggf. auch ohne Verwendung eines Temperatursensors, die Temperatur der Lade-Schnittstelle ermittelt und überwacht werden.
Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln, auf Basis der Soll-Information und auf Basis der Ist-Information, einer Verlustleistung an der Lade-Schnittstelle. Insbesondere kann die Verlustleistung an der Lade-Schnittstelle auf Basis der Differenz zwischen der Soll-Ladeleistung und der Ist-Ladeleistung ermittelt werden. Die Temperaturinformation kann dann auf Basis eines (Erwärmungs-) Modells der Lade-Schnittstelle ermittelt werden, wobei das Modell eine Auswirkung der Verlustleistung an der Lade-Schnittstelle auf die Temperatur der Lade-Schnittstelle anzeigt. Insbesondere kann das Modell anzeigen, wie sich die Temperatur der Lade-Schnittstelle in einem Zeitintervall ausgehend von einer Ist-Temperatur verändert, wenn in dem Zeitintervall eine bestimmte Verlustleistung vorliegt. Es kann dann iterativ für eine Sequenz von Zeitintervallen bzw. für eine Sequenz von Zeitpunkten die Ist-Temperatur der Lade-Schnittstelle ermittelt werden. Durch die Berücksichtigung eines Erwärmungs-Modells bzw. eines thermischen Modells der Lade-Schnittstelle kann die Temperatur der Lade-Schnittstelle in präziser Weise ermittelt werden. Das Modell kann auf einer Speichereinheit des Fahrzeugs und/oder der Ladestation gespeichert sein.
Wie bereits oben dargelegt, befinden sich auf einem Strompfad zwischen Ladestation und Energiespeicher typischerweise neben der Lade-Schnittstelle ein oder mehrere weitere elektrisch leitende Komponenten. Im Vergleich zu dem elektrischen Übergangswiderstand an der Lade-Schnittstelle sind die elektrischen Widerstände der ein oder mehreren weiteren elektrisch leitenden Komponenten typischerweise über der Zeit konstant. Die elektrischen Widerstände können somit im Vorfeld bestimmt und gespeichert werden. Die elektrischen Widerstände der ein oder mehrere weitere elektrisch leitende Komponenten stellen Verlustinformation bezüglich elektrischer Verluste an den ein oder mehreren weiteren elektrisch leitenden Komponenten. Die Temperaturinformation bezüglich der Temperatur der Lade-Schnittstelle kann dann auch auf Basis der Verlustinformation bezüglich elektrischer Verluste an den ein oder mehreren weiteren elektrisch leitenden Komponenten ermittelt werden. So kann die Genauigkeit der ermittelten Verlustleistung an der Lade-Schnittstelle weiter erhöht werden.
Im Rahmen des Verfahrens kann ein zeitlicher Verlauf der Soll-Information und/oder der Ist-Information ermittelt werden. Insbesondere können die Soll-Information und/oder die Ist-Information an einer Sequenz von Zeitpunkten ermittelt werden. Die Temperaturinformation kann dann auf Basis der zeitlichen Verläufe der Ist-Information und/oder der Soll-Information ermittelt werden. Insbesondere kann auf Basis der zeitlichen Verläufe der Ist-Information und/oder der Soll-Information in präziser Weise die Ist-Temperatur an der Lade-Schnittstelle an der Sequenz von Zeitpunkten ermittelt werden.
Das Verfahren kann das Anpassen der Soll-Ladeleistung in Abhängigkeit von der Temperaturinformation umfassen. Insbesondere kann die Soll-Ladeleistung in Abhängigkeit davon angepasst werden, ob die Temperatur der Lade-Schnittstelle größer oder kleiner als ein Temperatur-Schwellenwert ist. Beispielsweise kann die Soll-Ladeleistung mit steigender Temperatur der Lade-Schnittstelle reduziert werden und/oder mit sinkender Temperatur der Lade-Schnittstelle erhöht werden. So kann ein zuverlässiger Weise ein Ladevorgang des Energiespeichers eines Fahrzeugs ermöglicht werden.
Wie bereits oben dargelegt, kann die Soll-Information die Soll-Ladespannung und die Ist-Information die Ist-Ladespannung anzeigen. Die Temperaturinformation kann anzeigen, wie weit die Ist-Ladespannung unterhalb der Soll-Ladespannung liegt. Beispielsweise kann die Temperaturinformation anzeigen, dass die Ist-Ladespannung um einen bestimmten Faktor unterhalb der Soll-Ladespannung liegt, und dass es daher zu einer substantiellen Temperaturerhöhung an der Lade-Schnittstelle kommt. Die Soll-Ladeleistung kann dann in Abhängigkeit von dem Vergleich zwischen der Soll-Ladespannung und der Ist-Ladespannung angepasst werden, um einen zuverlässigen Ladevorgang zu ermöglichen.
Das Verfahren kann von einer Steuereinheit eines Fahrzeugs ausgeführt werden. Die Soll-Information kann dann über eine Kommunikationsverbindung, die zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug verläuft, empfangen werden. Die Soll-Information kann z.B. auf einer Pilotleitung als ein Pilotsignal von dem Fahrzeug empfangen werden. Die Übertragung der Soll-Information kann mit einem Kommunikations-Protokoll bzw. Kommunikationsverfahren gemäß dem IEC 61851-1 Standard erfolgen.
Außerdem können Daten, die von der Temperaturinformation abhängig sind, über die Kommunikationsverbindung an die Ladestation gesendet werden. Beispielsweise kann über die Kommunikationsverbindung (z.B. über die Pilotleitung) von dem Fahrzeug veranlasst werden, dass der Ladevorgang ungebrochen wird, insbesondere wenn ermittelt wurde, dass die Temperatur der Lade-Schnittstelle den Temperatur-Schwellenwert überschreitet. So kann ein zuverlässiger Ladevorgang ermöglicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit, z.B. für eine Ladestation und/oder für ein Fahrzeug (z.B. für einen Energiespeicher eines Fahrzeugs), beschrieben, die eingerichtet ist, das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Straßenkraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Ladesystems;
2 eine beispielhafte Belegung von Kontaktteilen einer Ladedose eines Fahrzeugs;
3 beispielhafte Komponenten einer Fahrzeug-seitigen Ladevorrichtung;
4 ein beispielhaftes elektrisches Modell eines Ladesystems; und
5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung von Temperaturinformation.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der zuverlässigen und effizienten Ermittlung von Temperaturinformation bezüglich eines Ladesystems.
1 zeigt ein Blockdiagram eines beispielhaften Ladesystems mit einer Ladestation 110 und einem Fahrzeug 100. Das Fahrzeug 100 umfasst einen elektrischen Energiespeicher (nicht dargestellt), der mit elektrischer Energie aus der Ladestation 110 aufgeladen werden kann. Das Fahrzeug 100 umfasst eine Ladedose 101 (allgemein als Lade-Schnittstelle bezeichnet), an der ein entsprechender Stecker 111 eines Ladekabels 112 angesteckt werden kann. Die Ladedose 101 und der Stecker 111 bilden typischerweise ein Stecksystem. Das Ladekabel 112 kann fest mit der Ladestation 110 verbunden sein (wie dargestellt). Andererseits kann das Ladekabel 112 über eine Steckverbindung mit der Ladestation 110 verbunden sein (z.B. beim AC-Laden).
Wie in 1 dargestellt, ist die Ladedose 101 am Fahrzeug 100 angebracht. Der Ladestecker 111 (engl. Coupler) ist insbesondere beim DC-Laden fest mit der Ladestation 110 über das Ladekabel 112 verbunden. Es existieren verschiedene Steckervarianten gemäß der Steckernorm IEC 62196-3: Combo 1, Combo 2, DC-Typ1, DC-Typ 2. Sowohl Combo-1 als auch Combo-2 sind über die gleiche Steckarchitektur mit dem Fahrzeug verbunden. Bei DC-Typ1 und DC-Typ 2 werden teilweise dieselben Pins (d.h. dieselben elektrischen Kontaktteile) des Stecksystems für AC- und DC-Laden verwendet. Insbesondere werden bei DC-Typ2 Stecksystemen die Kontaktteile für L2/ DC- und L3/ DC+ gemeinsam für AC-Laden und DC-Laden genutzt.
2 zeigt eine beispielhafte Ladedose 101 mit einer Vielzahl von Kontaktteilen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207. Je nach Steckernorm und/oder je nach Ladetyp (d.h. DC-Laden oder AC-Laden) können die Kontaktteile eine andere Funktion aufweisen. Beispielsweise kann das Kontaktteil (auch als Pin bezeichnet) 202 für die Übertragung eines Pilotsignals verwendet werden (und mit einer Pilotleitung des Ladekabels 112 verbunden werden). Das Kontaktteil 201 kann für die Übertragung eines Proxy Signals verwendet werden. Die Kontaktteile 201, 202 können auch als Kommunikations-Kontaktteile bezeichnet werden, da sie eingerichtet sind, Kommunikationssignale für eine Kommunikation zwischen der Ladestation 110 und dem Fahrzeug 100 in Bezug auf den Ladevorgang zu übertragen. Das Kontaktteil 205 kann für den N-Leiter eines AC-Stroms verwendet werden und das Kontaktteil 203 kann für eine erste Phase L1 des AC-Stroms verwendet werden. Das Kontaktteil 207 kann beim AC-Laden für eine zweite Phase L2 des AC-Stroms und beim DC-Laden für DC- (DC Minus) verwendet werden. In analoger Weise kann das Kontaktteil 206 beim AC-Laden für eine dritte Phase L3 des AC-Stroms und beim DC-Laden für DC+ (DC Plus) verwendet werden. Die Kontaktteile 203, 205, 206, 207 können als Leistungs-Kontaktteile bezeichnet werden, da sie eingerichtet sind, elektrischen Strom zum Laden des elektrischen Speichers des Fahrzeugs 100 zu übertragen. Das Kontaktteil 204 kann eine Verbindung zur Masse bereitstellen. Es sei darauf hingewiesen, dass die oben genannte Belegung der Kontaktteile einer Ladedose 101 beispielhaft ist, und andere Belegungen möglich sind. Das Ladekabel 112 umfasst zu den Kontaktteilen 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207 entsprechende Leitungen (bzw. für einen Teil der Kontaktteile 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207).
3 zeigt ein Blockdiagram beispielhafter Komponenten eines Fahrzeugs 100 zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 308 des Fahrzeugs 100. Die Komponenten können Teil einer Ladevorrichtung des Fahrzeugs 100 sein. Das Fahrzeug 100 umfasst z.B. die Ladedose 101, ein AC-Ladegerät 303, eine Kommunikationseinheit 301, eine Ladesteuereinheit 302, den Energiespeicher 308, ein DC-Schütz 305, 306, 307 und eine Spannungsmesseinheit 304. Das AC-Ladegerät 303 wird typischerweise nur für das AC-Laden verwendet. Der DC-Schütz 305, 306, 307 kann dazu verwendet werden, bei DC-Laden die Kontaktteile 206, 207 direkt mit dem Energiespeicher 308 zu koppeln. Das AC-Ladegerät 303 kann einphasig (wie in 3 dargestellt) oder dreiphasig betrieben werden. Für den dreiphasigen Betrieb werden zusätzlich das Kontaktteil 207 (für die zweite Phase L2) und das Kontaktteil 206 (für die dritte Phase L3) mit dem AC-Ladegerät 303 verbunden.
Eine Ladesteuereinheit 302 des Fahrzeugs 100 kann eingerichtet sein, mit einer Ladestation 110 gemäß einem Kommunikations-Protokoll über eine Ladestation-Fahrzeug-Kommunikationsverbindung 132 zu kommunizieren. Insbesondere kann über eine Pilotleitung des Ladekabels 112 als Kommunikationsverbindung 132 ein Pilotsignal zwischen Fahrzeug 100 und Ladestation 110 ausgetauscht werden. Dabei kann über die Pilotleitung im Ladekabel 112 ein Pilotstromkreis ermöglicht werden, der zum Austausch des Pilotsignals zwischen einer Steuereinheit der Ladestation 110 und der Ladesteuereinheit 302 des Fahrzeugs 100 dient. Die Ladesteuereinheit 302 des Fahrzeugs 100 kann eingerichtet sein, durch Einstellung eines vordefinierten Pegels des Pilotsignals einen ladebezogenen Zustand des Fahrzeugs 100 mitzuteilen. Insbesondere kann der Pegel des Pilotsignals anzeigen, ob das Fahrzeug 100 für einen Ladevorgang bereit ist oder nicht. So kann das Fahrzeug 100 durch Anpassen des Pegels des Pilotsignals einen Ladevorgang starten oder unterbrechen.
Die Steuereinheit der Ladestation 110 kann eingerichtet sein, durch Puls-Weiten Modulation (z.B. zwischen 7% und 97% Duty Cycle) des Pilotsignals dem Fahrzeug 100 mitzuteilen, welche Stromstärke bzw. Ladeleistung (ggf. maximal) von der Ladestation 110 bereitgestellt werden kann. Das Pilotsignal kann dabei mit einer vordefinierten Frequenz (z.B. 1kHz) zwischen zwei vordefinierten Pegeln oszillieren.
Ein Beispiel für ein derartiges Pegel- und/oder PWM-basiertes Kommunikations-Protokoll ist der IEC 61851-1 Standard. Dieser Standard definiert verschiedene Modi, wobei insbesondere der Mode 3 und der Mode 4 in Zusammenhang mit dem Laden an einer Ladestation 110 relevant sind. Insbesondere sind der Mode 3 für das AC-Laden und der Mode 4 für das DC-Laden an einer Ladestation 110 relevant. Das Kommunikations-Protokoll gemäß dem IEC 61851-1 Standard ist weitestgehend begrenzt auf die Übertragung des Status des Fahrzeugs 100 (besteht eine Ladeverbindung zu der Ladestation 110 oder nicht, bzw. erfolgt ein Laden oder nicht) und auf die Übertragung der maximalen Ladeleistung (mittels PWM).
4 zeigt ein elektrisches Modell eines DC-Ladesystems. Insbesondere zeigt 4 unterschiedliche elektrische Widerstände 401, 402, 403, 404 für unterschiedliche Komponenten des Ladesystems. Ein erster Widerstand 401 beschreibt die elektrischen Verluste auf dem Ladekabel 112, ein zweiter Widerstand 402 beschreibt die elektrischen Verluste an der Ladedose 101 (insbesondere aufgrund der Steckverbindung zwischen Ladekabel 112 und Ladedose 101), ein dritter Widerstand 403 beschreibt die elektrischen Verluste durch Leitungen im Fahrzeug 110 und ein vierter Widerstand 404 beschreibt elektrische Verluste an dem Anschluss des elektrischen Energiespeichers 308. Des Weiteren zeigt 4 die Pilotleitung 412 zur Übertragung des Pilotsignals und eine Proxileitung 411 für das Proxisignal.
Die Ladestation 110 kann der Ladesteuereinheit 302 des Fahrzeugs 100 die Soll-Ladeleistung mitteilen. Die Soll-Ladeleistung entspricht einem bestimmten Soll-Ladestrom 423 und einer bestimmten Soll-Ladespannung 412 an der Ladestation 110. Es können dann die Ist-Ladespannung 422 und/oder der Ist-Ladestrom an dem elektrischen Energiespeicher 308 ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Ist-Ladeleistung zum Laden des elektrischen Energiespeichers 308 ermittelt werden. Aus der Differenz zwischen der durch die Ladestation bereitgestellten Soll-Ladeleistung und der am elektrischen Energiespeicher 308 bereitgestellten Ist-Ladeleitung ergibt sich dann die Verlustleistung des Ladesystems. Die Verlustleistung des Ladesystems gibt dabei einen Hinweis auf die Wärmeentwicklung im Ladesystem und damit auf die Temperatur von einzelnen Komponenten des Ladesystems.
Der erste elektrische Widerstand 401 (für das Ladekabel 112), der dritte elektrische Widerstand 403 (für die Leitungen im Fahrzeug 100) und der vierte elektrische Widerstand 404 (für die Anbindung des Energiespeichers 308) können typischerweise im Vorfeld ermittelt werden und bleiben typischerweise während der Betriebsdauer eines Fahrzeugs 100 und/oder einer Ladestation 110 nahezu unverändert. Andererseits kann sich der zweite elektrische Widerstand 402 der Lade-Schnittstelle 101 zwischen Ladekabel 112 und Fahrzeug 100 im Laufe der Zeit durch Abnutzung der Kontaktteile 206, 207 des Leistungs-Strompfads substantiell erhöhen und so zu einer substantiellen Wärmeentwicklung an der Lade-Schnittstelle 101 zwischen Ladekabel 112 und Fahrzeug 100 führen.
Bei Kenntnis der Widerstände 401, 403, 404 kann aus der gesamten Verlustleitung des Ladesystems die Schnittstellen-Verlustleistung an der Lade-Schnittstelle 101 ermittelt werden. Des Weiteren kann durch zeitliches Kumulieren der Schnittstellen-Verlustleistung die Erwärmung der Lade-Schnittstelle 101 ermittelt werden. Es kann somit auch ohne Verwendung eines Temperatursensors an der Lade-Schnittstelle 101 Temperaturinformation in Bezug auf die Temperatur der Lade-Schnittstelle 101 ermittelt werden.
Eine Ladestation 110 kann somit Information in Bezug auf den Ladestrom 423, die Ladespannung 421 und/oder die Ladeleistung an ein Fahrzeug 100 übermitteln. Dies kann über eine Pilotleitung 412 und/oder über PLC (Power Line Communication) erfolgen. So kann sichergestellt werden, wieviel Leistung, Strom und/oder Spannung geliefert werden kann und wieviel Leistung, Strom und/oder Spannung das Fahrzeug 100 aufnehmen kann. Im Fahrzeug 100 kann an dem Energiespeicher 308 eine Spannungsmessung und/oder eine Strommessung durchgeführt werden, z.B. um die Daten bzgl. der Ladeleistung, des Ladestroms 423 und/oder der Ladespannung 421 von der Ladestation 110 zu plausibilisieren.
Die Lade-Schnittstelle 101 des Fahrzeugs 100, insbesondere die Ladedose, verbindet die Ladestation 110, insbesondere das Ladekabel 112 der Ladestation 110, mit dem Fahrzeug 100. An der Lade-Schnittstelle 101 wird die bereitgestellte Ladeleistung über Leistungs-Kontaktteile 206, 207 an den internen Kabelbaum des Fahrzeugs 100 übergeben. Die Kontaktstellen innerhalb der Lade-Schnittstelle 101 (z.B. vercrimpte, verlötete oder verschweißte Kontaktteile 206, 207) sind typischerweise die Schwachstelle des Ladesystems, zumal über die Kontaktteile 206, 207 (z.B. über 8mm Rundkontakte) eine relativ hohe Ladeleistung (z.B. 350A oder mehr Ladestrom bei einer Ladespannung von 400V, 800V oder mehr) übertragen werden soll. Bei Beeinträchtigung der Kontaktstellen kann es daher zu einer substantiellen Wärmeentwicklung kommen.
Die Ladestation 110 übermittelt Daten (insbesondere ein Pilotsignal) an das Fahrzeug 100, wobei die Daten anzeigen, wieviel Leistung übertragen werden soll. Im Fahrzeug 100 kann eine Spannungsmessung an dem Energiespeicher 308 erfolgen. Aus der Differenz der übermittelten Daten der Ladestation 110 und der gemessenen Spannung an dem Energiespeicher 308 kann der Spannungsfall ermittelt werden, der auf der elektrisch leitenden Verbindung zwischen Ladestation 110 und Energiespeicher 308 (insbesondere an der Lade-Schnittstelle 101) erfolgt. Der Widerstand 401, 403, 404 von unterschiedlichen Komponenten der elektrisch leitenden Verbindung ist typischerweise bekannt und kann somit herausgerechnet werden. Es kann somit der aktuelle Widerstand 402 der Lade-Schnittstelle 101 ermittelt werden. Wenn der Widerstand 402 an der Lade-Schnittstelle 101 steigt, sinkt typischerweise die gemessene Spannung an dem Energiespeicher 308. Alternativ oder ergänzend kann über den gemessenen Ladestrom der Spannungsfall an der Lade-Schnittstelle 101 ermittelt werden.
Es kann somit von der Ladestation 110 eine Sollwertvorgabe (z.B. ein eingeprägter Ladestrom 423 und/oder eine eingeprägte Ladespannung 421) z.B. über ein Pilotsignal an die Steuereinheit 302 des Fahrzeugs 100 übergeben werden. Des Weiteren kann die Ist-Ladespannung 422 an dem Energiespeicher 308 erfasst werden. Die Differenz aus der Sollwertvorgabe und der gemessenen Ist-Ladespannung 422 zeigt die Verlustleistung im Ladesystem an. Dabei wird eine Änderung des Spannungsfalls primär an der Lade-Schnittstelle 101 bewirkt, da die Lade-Schnittstelle 101 typischerweise starken Umwelteinflüssen unterworfen ist (z.B. durch Ladesteckvorgänge, Feuchtigkeit, Verschmutzung, etc.). Somit steigt typischerweise der elektrische Widerstand 402 der Lade-Schnittstelle 101 über die Lebensdauer eines Fahrzeugs 100 an. Die Alterung ist dabei typischerweise wesentlich höher als die Alterung eines Steckers für den Anschluss des Energiespeichers 308 an die Fahrzeug-interne Verkabelung.
Folglich erfolgt der Spannungsfall im Ladesystem primär an der Lade-Schnittstelle 101. Sinkt die Ist-Ladespannung 422 (bei unveränderter Soll-Ladeleistung), so ist dies ein Indiz dafür, dass mehr Leistung in der Lade-Schnittstelle 101 umgesetzt wird und sich die Lade-Schnittstelle 101 erwärmt. Über eine Modellrechnung und über eine laufende Spannungsmessung an dem Energiespeicher 308 kann somit erkannt werden, wann ein kritischer Spannungs-Schwellenwert erreicht (insbesondere unterschritten) wird und somit die Lade-Schnittstelle 101 zu stark erwärmt wird. Somit kann ein Temperatursensor innerhalb der Lade-Schnittstelle 101 entfallen. Alternativ kann durch die Überwachung der Ist-Ladespannung 422 eine Plausibilisierung von Sensordaten eines Temperatursensors erfolgen.
Alternativ oder ergänzend kann der Ist-Ladestrom an dem Energiespeicher 308 erfasst werden. Durch eine zusätzliche Strommessung innerhalb des Fahrzeugs 100 (z.B. innerhalb des Energiespeichers 308 und/oder innerhalb der Lade-Schnittstelle 101 und/oder auf dem Strompfad zwischen der Ladeschnittstelle 101 und dem Energiespeicher 208) kann die Genauigkeit des Temperatur- bzw. Erwärmungs-Modells zur Ermittlung der Temperaturinformation erhöht werden. Durch die Messung des Ist-Ladestroms können z.B. die Verlustleistung und/oder der Spannungsfall an dem Leitungs-Widerstand 403 bestimmt werden, da typischerweise die Leitungslänge und/oder der Leitungsquerschnitt (und damit der Widerstand pro Meter) bekannt sind. Des Weiteren können der Widerstand 402 der Lade-Schnittstelle 101 und/oder der Widerstand 404 des Energiespeicher-Anschlusses (z.B. Crimpwiderstand, Lötwiderstand und/oder Schweißwiderstand) im Neuzustand bekannt sein und können somit bei der Berechnung des Temperatur- bzw. Erwärmungs-Modells einbezogen werden. Die Berechnung der Temperaturinformation kann dabei durch eine Steuereinheit des Energiespeichers 308 erfolgen.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zur Ermittlung von Temperaturinformation bezüglich einer Temperatur einer Lade-Schnittstelle 101, insbesondere einer Ladebuchse, eines Fahrzeugs 100. Die Lade-Schnittstelle 101 ist auf einem Strompfad zwischen einer Ladestation 110 und einem elektrischen Energiespeicher 308 des Fahrzeugs 100 angeordnet. Der elektrische Energiespeicher 308 kann z.B. einen elektrochemischen Energiespeicher 308, etwa eine Lithium-Ionen Batterie, und/oder einen elektrostatischen Energiespeicher 308, etwa einen Kondensator, umfassen. Der Energiespeicher 308 kann über den Strompfad mit elektrischer Energie aus der Ladestation 110 geladen werden.
Das Verfahren 500 umfasst das Ermitteln 501 von Soll-Information bezüglich einer Soll-Ladeleistung, die von der Ladestation 110 auf dem Strompfad bereitgestellt wird. Insbesondere können die Soll-Ladespannung 421 und/oder der Ladestrom 423 an der Ladestation 110 bestimmt werden. Die Soll-Information kann über eine Kommunikationsverbindung 132, z.B. über eine Pilotleitung 412, an eine Steuereinheit 302 des Fahrzeugs 100 übermittelt werden.
Außerdem umfasst das Verfahren 500 das Ermitteln 502 von Ist-Information bezüglich einer Ist-Ladeleistung, die von dem Energiespeicher 308 aus dem Strompfad aufgenommen wird. Insbesondere können die Ist-Ladespannung 422 und/oder der Ladestrom an dem Energiespeicher 308 bestimmt werden.
Das Verfahren 500 umfasst ferner das Ermitteln 503 der Temperaturinformation auf Basis der Soll-Information und auf Basis der Ist-Information. Insbesondere kann auf Basis der Soll-Information und der Ist-Information eine Verlustleistung an der Lade-Schnittstelle 101 ermittelt werden. Die Verlustleistung kann über die Zeit kumuliert werden, um mithilfe eines Erwärmungs-Modells des Lade-Schnittstelle 101 die Erwärmung der Lade-Schnittstelle 101 über die Zeit zu ermitteln. So kann z.B. ermittelt werden, ob und ggf. wann die Temperatur der Lade-Schnittstelle 101 einen bestimmten Temperatur-Schwellenwert erreicht oder überschreitet.
Durch die Ermittlung des Spannungsabfalls an der Lade-Schnittstelle 101 und ggf. durch Ermittlung des eingeprägten Ladestroms kann die Verlustleistung an der Lade-Schnittstelle 101 ermittelt werden. Die Verlustleistung kann in eine Temperaturerhöhung der Lade-Schnittstelle 101 umgerechnet werden. Bei Erreichen und/oder Überschreiten eines Temperatur-Schwellenwertes kann die Ladeleistung reduziert werden, um der Temperaturerhöhung entgegenzuwirken. Somit kann ein Temperatursensor an der Lade-Schnittstelle 101 entfallen, da die Temperaturerhöhung mit einem Referenzmodell und einer Spannungs- und/oder Strommessung ermittelt werden kann. Des Weiteren kann eine Prädiktion dahingehend erfolgen, wie lange mit welcher Ladeleistung geladen werden kann (z.B. um die Temperatur der Lade-Schnittstelle 101 auf den Temperatur-Schwellenwert zu begrenzen). Außerdem kann das beschriebene Verfahren zur Plausibilisierung von Sensordaten eines Temperatursensors der Lade-Schnittstelle 101 herangezogen werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Verfahren (500) zur Ermittlung von Temperaturinformation bezüglich einer Temperatur einer Lade-Schnittstelle (101), die auf einem Strompfad zwischen einer Ladestation (110) und einem elektrischen Energiespeicher (308) eines Fahrzeugs (100) angeordnet ist; wobei das Verfahren (500) umfasst, - Ermitteln (501) von Soll-Information bezüglich einer Soll-Ladeleistung, die von der Ladestation (110) auf dem Strompfad bereitgestellt wird; - Ermitteln (502) von Ist-Information bezüglich einer Ist-Ladeleistung, die von dem Energiespeicher (308) aus dem Strompfad aufgenommen wird; und - Ermitteln (503) der Temperaturinformation auf Basis der Soll-Information und auf Basis der Ist-Information.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 1, wobei - die Soll-Information den Wert einer an der Ladestation (110) anliegenden Soll-Ladespannung (421) anzeigt; und - die Ist-Information den Wert einer an dem Energiespeicher (308) anliegenden Ist-Ladespannung (422) anzeigt.
Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Soll-Information den Wert eines Ladestroms (423) anzeigt, der von der Ladestation (110) auf dem Strompfad bereitgestellt wird; und - die Ist-Information den Wert eines Ladestroms anzeigt, der von dem Energiespeicher (308) aus dem Strompfad aufgenommen wird.
Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Verfahren (500) umfasst, Ermitteln, auf Basis der Soll-Information und auf Basis der Ist-Information, einer Verlustleistung an der Lade-Schnittstelle (101); und - die Temperaturinformation auch auf Basis eines Modells ermittelt wird, das eine Auswirkung der Verlustleistung an der Lade-Schnittstelle (101) auf die Temperatur der Lade-Schnittstelle (101) anzeigt.
Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - auf dem Strompfad zwischen der Ladestation (110) und dem Energiespeicher (308) die Lade-Schnittstelle (101) und ein oder mehrere weitere elektrisch leitende Komponenten angeordnet sind; und - die Temperaturinformation auch auf Basis von Verlustinformation bezüglich elektrischer Verluste an den ein oder mehreren weiteren elektrisch leitenden Komponenten ermittelt wird.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 5, wobei die ein oder mehreren weiteren elektrisch leitenden Komponenten umfassen, - ein Fahrzeug-externes Ladekabel (112); - eine Fahrzeug-interne Verkabelung; und/oder - einen Anschluss des Energiespeichers (308) an die Fahrzeug-interne Verkabelung.
Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - ein zeitlicher Verlauf der Soll-Information und der Ist-Information ermittelt wird; und - die Temperaturinformation auf Basis der zeitlichen Verläufe der Ist-Information und der Soll-Information ermittelt wird.
Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (500) umfasst, Anpassen der Soll-Ladeleistung in Abhängigkeit von der Temperaturinformation, insbesondere in Abhängigkeit davon, ob die Temperatur der Lade-Schnittstelle (101) größer oder kleiner als ein Temperatur-Schwellenwert ist.
Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (500) umfasst, - Empfangen der Soll-Information über eine Kommunikationsverbindung (132) zwischen der Ladestation (110) und dem Fahrzeug (100); und - Senden von Daten, die von der Temperaturinformation abhängig sind, über die Kommunikationsverbindung (132) an die Ladestation (110).
Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lade-Schnittstelle (101) eine Ladedose des Fahrzeugs (100) zur Aufnahme eines Steckers (111) eines Ladekabels (112) der Ladestation (110) umfasst.