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DE102019125396B3 - Method and device for charging a traction battery of an electric vehicle to a target state of charge - Google Patents

Method and device for charging a traction battery of an electric vehicle to a target state of charge Download PDF

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DE102019125396B3
DE102019125396B3 DE102019125396.9A DE102019125396A DE102019125396B3 DE 102019125396 B3 DE102019125396 B3 DE 102019125396B3 DE 102019125396 A DE102019125396 A DE 102019125396A DE 102019125396 B3 DE102019125396 B3 DE 102019125396B3
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DE
Germany
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traction battery
power loss
charging
loss profile
temperature
Prior art date
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German (de)
Inventor
Raoul Heyne
Lukas Rohr
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Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen einer Traktionsbatterie (22) eines Elektrofahrzeugs (20) auf einen Ziel-Ladezustand, mit den Verfahrensschritten: Erfassen eines Ist-Ladezustandes, Aufladen der Traktionsbatterie (22) durch eine Steuerung oder Regelung des Ladestroms nach einem Verlustleistungs-Profil, wobei das Verlustleistungs-Profil in Abhängigkeit von der Kühlleistung der Traktionsbatterie (22) eine vordefinierte Erwärmungsrate der Traktionsbatterie (22) bewirkt, wobei die Temperatur (T) der Traktionsbatterie (22) durch einen vordefinierten maximalen Temperaturgrenzwert (TG) begrenzt ist.The invention relates to a method for charging a traction battery (22) of an electric vehicle (20) to a target state of charge, with the process steps: detecting an actual state of charge, charging the traction battery (22) by controlling or regulating the charging current after a power loss Profile, the power loss profile causing a predefined heating rate of the traction battery (22) as a function of the cooling capacity of the traction battery (22), the temperature (T) of the traction battery (22) being limited by a predefined maximum temperature limit value (TG).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs auf einen Ziel-Ladezustand. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs.The invention relates to a method for charging a traction battery of an electric vehicle to a target state of charge. The invention also relates to a device for charging a traction battery of an electric vehicle.

Verfahren und Vorrichtungen zum Aufladen von Traktionsbatterien eines Elektrofahrzeugs sind allgemein bekannt. Beim Aufladen der Traktionsbatterie ist unter anderem die Ladedauer ein wichtiges Kriterium, wobei angestrebt wird, in kürzester Zeit die Traktionsbatterie ausgehend von einem Ist-Ladezustand auf einen Ziel-Ladezustand aufzuladen. Um die Ladedauer zu reduzieren, wird üblicherweise der Ladestrom erhöht, wobei mit der Erhöhung des Ladestroms die Erwärmungsrate der Traktionsbatterie ansteigt. Dabei erwärmt sich die Traktionsbatterie auf eine relativ hohe Temperatur, wobei eine für die Traktionsbatterie vordefinierte maximal zulässige Grenztemperatur nicht überschritten werden darf, da sonst eine Beschädigung der Traktionsbatterie droht. Derartige Ladeverfahren, bei welchen die Temperatur der Traktionsbatterie berücksichtigt wird, sind beispielsweise aus US 2018 / 0 069 272 A1 , DE 10 2014 114 768 A1 , DE 10 2017 221 248 A1 , EP 3 664 247 A1 , DE 198 06 135 A1 , US 2007 / 0 120 537 A1 , US 6 281 663 B1 , US 2017 / 0 136 900 A1 und US 2019 / 0 267 826 A1 bekannt. Die DE 10 2009 037 085 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung einer Verlustleitung einer Batterie.Methods and devices for charging traction batteries in an electric vehicle are generally known. When charging the traction battery, among other things, the charging time is an important criterion, the aim being to charge the traction battery from an actual charge state to a target charge state in the shortest possible time. In order to reduce the charging time, the charging current is usually increased, with the increase in the charging current increasing the heating rate of the traction battery. The traction battery is heated to a relatively high temperature, and a maximum permissible limit temperature predefined for the traction battery must not be exceeded, since otherwise there is a risk of damage to the traction battery. Such charging methods, in which the temperature of the traction battery is taken into account, are for example off US 2018/0 069 272 A1 , DE 10 2014 114 768 A1 , DE 10 2017 221 248 A1 , EP 3 664 247 A1 , DE 198 06 135 A1 , US 2007/0 120 537 A1 , US 6 281 663 B1 , US 2017/0 136 900 A1 and US 2019/0 267 826 A1 known. The DE 10 2009 037 085 A1 discloses a method for determining conduction leakage of a battery.

Um eine Beschädigung der Traktionsbatterie zu verhindern, sind die Ladeverfahren üblicherweise temperaturgeregelt ausgeführt, wobei beispielsweise in einem ersten Ladezeitabschnitt mit einem hohen Ladestrom geladen wird, und beim Erreichen der maximal zulässigen Grenztemperatur der Traktionsbatterie der Ladestrom derart reduziert wird, dass die Temperatur der Traktionsbatterie auf bzw. kurz unter der maximal zulässigen Grenztemperatur gehalten wird und eine weitere Erwärmung über die maximal zulässige Grenztemperatur verhindert wird.In order to prevent damage to the traction battery, the charging processes are usually temperature-controlled, whereby, for example, charging is carried out with a high charging current in a first charging period, and when the maximum permissible limit temperature of the traction battery is reached, the charging current is reduced in such a way that the temperature of the traction battery increases or decreases . is kept briefly below the maximum permissible limit temperature and further heating above the maximum permissible limit temperature is prevented.

Nachteilig an einem temperaturgeregelten Ladeverfahren ist, dass die Temperatur der Traktionsbatterie dauerhaft mittels Temperatursensoren gemessen werden muss und eine dauerhafte Regelung des Ladestroms nach der gemessenen Temperatur erfolgen muss. Die relativ grobmaschige Temperaturmessung verursacht eine wegen der großen und trägen Wärmekapazitäten träge und langsame Regelung, wodurch sich ein schwingendes Temperaturverhalten und Ladestromverhalten über den Ladevorgang einstellt. Das schwingende Temperaturverhalten bewirkt, dass eine Reserve zur maximal zulässigen Grenztemperatur vorgesehen werden muss, um die maximal zulässige Grenztemperatur der Traktionsbatterie nicht zu überschreiten. Dadurch kann der für den Ladevorgang zur Verfügung stehende Ladestrom nicht vollständig genutzt werden, wodurch sich die Ladedauer erhöht.A disadvantage of a temperature-controlled charging process is that the temperature of the traction battery has to be measured continuously by means of temperature sensors and the charging current has to be continuously regulated according to the measured temperature. The relatively coarse-meshed temperature measurement causes sluggish and slow regulation because of the large and sluggish heat capacities, which results in an oscillating temperature behavior and charging current behavior over the charging process. The fluctuating temperature behavior means that a reserve for the maximum permissible limit temperature must be provided in order not to exceed the maximum permissible limit temperature of the traction battery. This means that the charging current available for the charging process cannot be fully used, which increases the charging time.

Außerdem ist bei einem temperaturgeregelten Ladeverfahren die Ursache der Erwärmung nicht bekannt, da lediglich eine Temperatur der Traktionsbatterie ermittelt wird, ohne die Ursache der Temperaturerhöhung bzw. -absenkung zu kennen. Eine Temperaturerhöhung kann beispielsweise durch die Erhöhung des Ladestroms, durch einen Ausfall eines Kühlsystems, durch die Erhöhung der Umgebungstemperatur oder durch eine Kombination aus den vorgenannten Ursachen verursacht werden. Daher ist ein Rückschluss auf die Veränderung des Ladestroms zur Begrenzung der Temperatur der Traktionsbatterie nicht ohne weiteres möglich.In addition, in the case of a temperature-controlled charging process, the cause of the heating is not known, since only a temperature of the traction battery is determined without knowing the cause of the temperature increase or decrease. A temperature increase can be caused, for example, by increasing the charging current, by a failure of a cooling system, by increasing the ambient temperature or by a combination of the aforementioned causes. A conclusion about the change in the charging current to limit the temperature of the traction battery is therefore not easily possible.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufladen einer Traktionsbatterie bereitzustellen, mit welchem die Ladeleistung und insbesondere der Ladestrom einfach und zuverlässig in Bezug auf die Temperatur der Traktionsbatterie gesteuert oder geregelt werden kann.The object of the invention is to provide a method for charging a traction battery with which the charging power and in particular the charging current can be controlled or regulated simply and reliably in relation to the temperature of the traction battery.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs auf einen Ziel-Ladezustand, mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method for charging a traction battery of an electric vehicle to a target state of charge, with the features of independent claim 1.

Im ersten Verfahrensschritt wird ein vor dem Ladevorgang vorliegender Ist-Ladezustand erfasst, indem die Leerlaufspannung der Traktionsbatterie gemessen wird und mit einer für die Traktionsbatterie bekannten Leerlaufspannungs-Kennlinie abgeglichen wird. Die Leerlaufspannungs-Kennlinie stellt den Zusammenhang zwischen der Leerlaufspannung und dem Ladezustand der Traktionsbatterie dar, wobei mit der Erhöhung der Leerlaufspannung der Ladezustand gemäß dem Verlauf der Leerlaufspannungs-Kennlinie ansteigt.In the first method step, an actual state of charge present before the charging process is recorded by measuring the open-circuit voltage of the traction battery and comparing it with an open-circuit voltage characteristic curve known for the traction battery. The no-load voltage characteristic curve represents the relationship between the no-load voltage and the state of charge of the traction battery, the state of charge increasing as the open-circuit voltage increases according to the course of the no-load voltage characteristic curve.

Im nächsten Verfahrensschritt wird die Traktionsbatterie ausgehend vom ermittelten Ist-Ladezustand auf einen Ziel-Ladezustand aufgeladen, wobei der Ladestrom in Abhängigkeit von einem Verlustleistungs-Profil gesteuert oder geregelt wird. Bei der Steuerung oder Regelung des Ladestroms nach dem Verlustleistungs-Profil wird, ausgehend von einer durch das Verlustleistungs-Profil vorgegebenen, temporären Verlustleistung, ein temporärer Ladestrom berechnet und mit dem berechneten Ladestrom die Traktionsbatterie geladen. Dabei wird zunächst der Innenwiderstand aus der aktuell gemessenen Spannung, der Leerlaufspannung und der aktuell gemessenen Stromstärke ermittelt und ausgehend von dem Innenwiderstand der Ladestrom zur gewünschten Verlustleistung berechnet. Damit erfolgt die Steuerung oder Regelung des Ladestroms nach dem Verlustleistungs-Profil ausschließlich durch Berechnungsvorgänge. Eine Temperaturmessung der Traktionsbatterie ist für die Steuerung oder Regelung des Ladestroms nicht bzw. erst bei hohen Temperaturen erforderlich. Eine Temperaturmessung bzw. eine Temperaturregelung erfolgt ausschließlich in den Fällen, wenn die Traktionsbatterie, insbesondere gegen Ende des Ladevorgangs, eine Temperatur nahe einer maximal zulässigen Grenztemperatur aufweist.In the next process step, the traction battery is charged to a target state of charge based on the determined actual state of charge, the charging current being controlled or regulated as a function of a power loss profile. When controlling or regulating the charging current according to the power loss profile, based on a temporary power loss specified by the power loss profile, a temporary charging current is calculated and the traction battery is charged with the calculated charging current. First, the internal resistance is determined from the currently measured voltage, the open circuit voltage and the currently measured current intensity and, based on the internal resistance, the charging current for the desired power loss is calculated. In this way, the control or regulation of the charging current takes place the power loss profile exclusively through calculation processes. A temperature measurement of the traction battery is not necessary for the control or regulation of the charging current or is only necessary at high temperatures. A temperature measurement or a temperature control takes place exclusively in those cases when the traction battery, in particular towards the end of the charging process, has a temperature close to a maximum permissible limit temperature.

Durch die Steuerung oder Regelung des Ladestroms nach dem Verlustleistungs-Profil kann ein durch den Ladevorgang verursachter Temperaturverlauf der Traktionsbatterie über den gesamten Ladevorgang bzw. den wesentlichen Teil des Ladevorgangs vorhergesagt werden, da die Verlustleistung vollständig in Wärme umgewandelt wird und über das Verlustleistungs-Profil und die vordefinierte Kühlleistung sich eine vordefinierte Erwärmungsrate der Traktionsbatterie einstellt.By controlling or regulating the charging current according to the power loss profile, a temperature profile of the traction battery caused by the charging process can be predicted over the entire charging process or the major part of the charging process, since the power loss is completely converted into heat and via the power loss profile and the predefined cooling capacity adjusts a predefined heating rate of the traction battery.

Dadurch kann die Steuerung oder Regelung des Ladestroms vereinfacht werden, indem keine Temperaturmessung zur Steuerung oder Regelung des Ladestroms erforderlich ist, ausgenommen ggfs. die Temperaturmessung gegen Ende des Ladevorgangs, und die Steuerung oder Regelung ausschließlich durch Rechenvorgänge erfolgt, wobei aus der Verlustleistung und damit aus einer durch die Verlustleistung vorhersehbaren Erwärmung der Traktionsbatterie direkt auf einen Ladestrom geschlossen und der Ladestrom entsprechend gewählt werden kann. Es erfolgt keine Temperatur-Regelung, ausgenommen ggfs. die Temperaturmessung und Temperatur-Regelung gegen Ende des Ladevorgangs, so dass sich kein schwingender Temperaturverlauf einstellt und somit keine Reserve zur maximal zulässigen Grenztemperatur vorgesehen werden muss. Aufgrund der fehlenden Reserve und eines erst gegen Ende des Ladevorgangs einsetzenden Deratings kann die Ladedauer verkürzt werden.As a result, the control or regulation of the charging current can be simplified in that no temperature measurement is required to control or regulate the charging current, with the exception of the temperature measurement towards the end of the charging process, if necessary, and the control or regulation takes place exclusively through computational processes, with the power loss and thus from a foreseeable warming of the traction battery due to the power loss can be concluded directly on a charging current and the charging current can be selected accordingly. There is no temperature regulation, with the exception of the temperature measurement and temperature regulation towards the end of the charging process, so that there is no fluctuating temperature curve and therefore no reserve for the maximum permissible limit temperature has to be provided. The charging time can be shortened due to the lack of reserve and a derating that only begins towards the end of the charging process.

Vorzugsweise werden unterschiedliche, vorzugsweise konstante, Verlustleistungs-Profile der Traktionsbatterie über den gesamten Ladevorgang ermittelt, wobei aus den ermittelten Verlustleistungs-Profilen ein ladedaueroptimiertes Verlustleistungs-Profil mit der kürzesten Ladedauer durch Auswerten der ermittelten Verlustleistungs-Profile der Traktionsbatterie bezogen auf die Ladedauer ermittelt wird, wobei die Traktionsbatterie durch eine Steuerung oder Regelung des Ladestroms nach dem ladeoptimierten Verlustleistungs-Profil aufgeladen wird. Bei der Ermittlung der Verlustleistungs-Profile werden unterschiedliche Ladevorgänge mit unterschiedlichen Ladestrom-Verläufen simuliert, wobei ausschließlich Verlustleistungs-Profile ermittelt werden, welche keine Beschädigung der Traktionsbatterie aufgrund von thermischer Überbelastung verursachen. Anschließend wird ein ladedaueroptimiertes Verlustleistungs-Profil mit der kürzesten Ladedauer aus den simulierten Verlustleistungs-Profilen ermittelt. Durch eine derartige Berechnung kann in Abhängigkeit vom Ist-Ladezustand und dem Ziel-Ladezustand ein Verlustleistungs-Profil mit der kürzesten Ladedauer ermittelt werden und dadurch die Ladedauer reduziert werden.Preferably, different, preferably constant, power loss profiles of the traction battery are determined over the entire charging process, with a charging time-optimized power loss profile with the shortest charging time being determined from the power loss profiles determined by evaluating the determined power loss profiles of the traction battery based on the charging time, wherein the traction battery is charged by controlling or regulating the charging current according to the charging-optimized power loss profile. When determining the power loss profiles, different charging processes with different charging current profiles are simulated, with only power loss profiles that do not cause damage to the traction battery due to thermal overload being determined. A power loss profile optimized for the charging time is then determined with the shortest charging time from the simulated power loss profiles. Such a calculation can be used to determine a power loss profile with the shortest charging time as a function of the actual state of charge and the target state of charge, thereby reducing the charging time.

Vorzugsweise werden die unterschiedlichen Verlustleistungs-Profile mit einem Faktor oder einer Funktion, insbesondere einer hyperbolischen Funktion, multipliziert und daraus wird das ladedaueroptimierte Verlustleistungs-Profil ermittelt. Dadurch kann die Ladedauer nochmals reduziert werden, wobei durch die Multiplikation mit dem Faktor oder der Funktion beispielsweise die Kühlleistung eines Kühlsystems, eine thermische Masse der Traktionsbatterie oder ein Lithium-Plating der Batteriezellen in die Ermittlung des ladedaueroptimierten Verlustleistungs-Profils miteinbezogen werden. Beispielsweise kann das ladedaueroptimierte Verlustleistung-Profil durch die Einbeziehung der Kühlleistung, der thermischen Masse und/oder des Lithium-Platings einen hyperbolischen Verlauf aufweisen. Dabei weist das Verlustleistungs-Profil am Anfang des Ladevorgangs eine höhere Verlustleistung auf, welche auf eine konstante Verlustleistung absinkt und am Ende des Ladevorgangs aufgrund von Lithium-Plating nochmals absinkt. Die konstante Verlustleistung des hyperbolischen Verlustleistungs-Profils sinkt unter das ursprüngliche konstante Verlustleistungs-Profil.The different power loss profiles are preferably multiplied by a factor or a function, in particular a hyperbolic function, and the charging time-optimized power loss profile is determined from this. This allows the charging time to be reduced again, with the multiplication by the factor or the function, for example, including the cooling capacity of a cooling system, a thermal mass of the traction battery or lithium plating of the battery cells in the determination of the charging time-optimized power loss profile. For example, the power loss profile optimized for the charging time can have a hyperbolic curve due to the inclusion of the cooling power, the thermal mass and / or the lithium plating. The power loss profile shows a higher power loss at the beginning of the charging process, which drops to a constant power loss and then drops again at the end of the charging process due to lithium plating. The constant power loss of the hyperbolic power loss profile drops below the original constant power loss profile.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine über den Ladevorgang gemessene Temperatur der Traktionsbatterie nicht bzw. erst gegen Ende des Ladevorgangs zum Schutz gegen eine Überhitzung der Traktionsbatterie in der Steuerung oder Regelung des Ladestroms berücksichtigt, wodurch keine Messung der Temperatur der Traktionsbatterie zur Steuerung oder Regelung des Ladestroms erforderlich ist und die Steuerung oder Regelung des Ladestroms vereinfacht wird.In a preferred embodiment, a temperature of the traction battery measured during the charging process is not taken into account in the control or regulation of the charging current or only towards the end of the charging process to protect against overheating of the traction battery, whereby no measurement of the temperature of the traction battery is used to control or regulate the charging current is required and the control or regulation of the charging current is simplified.

Vorzugsweise wird die Kühlleistung eines separaten Kühlsystems der Traktionsbatterie in dem Verlustleistungs-Profil berücksichtigt. Dadurch kann die Erwärmung der Traktionsbatterie genauer und zuverlässiger vorhergesagt werden und es kann dadurch zuverlässig ein Überschreiten des maximal zulässigen Temperaturgrenzwerts vermieden werden und die Ladedauer verkürzt werden. Desweiteren dient die Kühlleistung des separaten Kühlsystems der Traktionsbatterie als Initialwert bei der Simulation und Ermittlung der Verlustleistungs-Profile, da diese Verlustleistung auf jeden Fall durch das Kühlsystem weggekühlt werden kann.The cooling capacity of a separate cooling system of the traction battery is preferably taken into account in the power loss profile. As a result, the heating of the traction battery can be predicted more precisely and more reliably and the maximum permissible temperature limit value can be reliably prevented from being exceeded and the charging time shortened. Furthermore, the cooling capacity of the separate cooling system of the traction battery serves as an initial value for the simulation and determination of the power loss profiles, since this power loss can in any case be cooled away by the cooling system.

Vorzugsweise wird die thermische Masse der Traktionsbatterie in die Ermittlung der unterschiedlichen Verlustleistungs-Profile miteinbezogen. Dadurch kann die Erwärmung der Traktionsbatterie genauer und zuverlässiger vorhergesagt werden und die Ladedauer verkürzt werden. Die Traktionsbatterie kann auf Grund der thermischen Masse am Anfang des Ladevorgangs und bis zum Erreichen einer vordefinierten Verlustleistung, insbesondere der konstanten Verlustleistung, mit einem hohen Ladestrom aufgeladen werden.The thermal mass of the traction battery is preferably included in the determination of the different power loss profiles. As a result, the warming of the traction battery can be predicted more precisely and reliably and the charging time can be shortened. The traction battery can be charged with a high charging current due to the thermal mass at the beginning of the charging process and until a predefined power loss, in particular the constant power loss, is reached.

Vorzugsweise wird der Ladestrom durch ein Lithium-Plating begrenzt, wodurch die Lebensdauer der Traktionsbatterie erhöht wird. Das sogenannte „Lithium-Plating“ basiert darauf, dass sowohl die Kathode als auch die Anode die physikalische Fähigkeit besitzen, Lithium-Ionen zu binden. Während des Aufladens der Traktionsbatterie zwingt das elektrische Feld die Ionen, von der Kathode zur Anode zu wandern. Beim zu schnellem Aufladen der Traktionsbatterie kann es vorkommen, dass die Lithium-Ionen, statt sich, wie erwünscht, in die Anode einzulagern, metallisches Lithium bilden. Dieses Lithium lagert sich an die Anode an und steht damit zum Teil nicht mehr für den zuvor beschriebenen Ladeprozess zur Verfügung und mindert damit die Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie.The charging current is preferably limited by lithium plating, which increases the service life of the traction battery. The so-called "lithium plating" is based on the fact that both the cathode and the anode have the physical ability to bind lithium ions. While the traction battery is charging, the electric field forces the ions to migrate from the cathode to the anode. If the traction battery is charged too quickly, it can happen that the lithium ions form metallic lithium instead of being stored in the anode as desired. This lithium accumulates on the anode and is therefore partly no longer available for the charging process described above, thus reducing the performance of the traction battery.

Außerdem wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs nach Anspruch 7 gelöst.In addition, the object is achieved by a device for charging a traction battery of an electric vehicle according to claim 7.

Die Vorrichtung weist eine Kontrolleinheit auf, welche den temporären Ladestrom in Abhängigkeit von dem Verlustleistungs-Profil der Traktionsbatterie steuert oder regelt. Die Steuerung oder Regelung des Ladestroms nach dem Verlustleistungs-Profil erfolgt ausschließlich durch Berechnungsvorgänge, wobei die Temperatur der Traktionsbatterie zur Steuerung oder Regelung des Ladestroms, ausgenommen ggfs. die Temperaturmessung gegen Ende des Ladevorgangs, nicht gemessen wird. Dadurch kann die Steuerung oder Regelung des Ladestroms vereinfacht werden.The device has a control unit which controls or regulates the temporary charging current as a function of the power loss profile of the traction battery. The control or regulation of the charging current according to the power loss profile takes place exclusively through calculation processes, whereby the temperature of the traction battery for controlling or regulating the charging current, with the exception of the temperature measurement towards the end of the charging process, is not measured. The control or regulation of the charging current can thereby be simplified.

Vorzugsweise ist das Verlustleistungs-Profil in der Kontrolleinheit als Kennfeld hinterlegt. Dadurch kann der Berechnungsaufwand der Kontrolleinheit reduziert werden.The power loss profile is preferably stored in the control unit as a characteristic map. As a result, the calculation effort of the control unit can be reduced.

Vorzugsweise ist eine Berechnungseinheit vorgesehen, über welche das Verlustleistungs-Profil in Abhängigkeit von der Kühlleistung der Traktionsbatterie ermittelbar ist. Dadurch kann das Verlustleistungs-Profil bedarfsgerecht ermittelt werden und das Speichervolumen in der Kontrolleinheit kann reduziert werden.A calculation unit is preferably provided, via which the power loss profile can be determined as a function of the cooling capacity of the traction battery. As a result, the power loss profile can be determined as required and the storage volume in the control unit can be reduced.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Berechnungseinheit so ausgeführt, dass unterschiedliche Verlustleistungs-Profile der Traktionsbatterie in Abhängigkeit von der Kühlleistung der Traktionsbatterie ermittelt werden und ein ladedaueroptimiertes Verlustleistungs-Profil durch Auswerten der Verlustleistungs-Profile der Traktionsbatterie bezogen auf die Ladedauer ermittelt wird. Die Traktionsbatterie wird durch einen gesteuerten oder geregelten Ladestrom nach dem ladedaueroptimierten Verlustleistungs-Profil aufgeladen. Dadurch kann die Ladedauer des Ladevorgangs reduziert werden.In a preferred embodiment, the calculation unit is designed so that different power loss profiles of the traction battery are determined depending on the cooling capacity of the traction battery and a charging time-optimized power loss profile is determined by evaluating the power loss profiles of the traction battery based on the charging time. The traction battery is charged by a controlled or regulated charging current according to the charging time-optimized power loss profile. This can reduce the charging time of the charging process.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

  • 1 zeigt schematisch eine Ladevorrichtung zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs,
  • 2 zeigt ein Diagramm mit einem Verlustleistungs-Profil, einem Ladestromverlauf und einem Temperaturverlauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufladen einer Traktionsbatterie.
An embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawings.
  • 1 shows schematically a charging device for charging a traction battery of an electric vehicle,
  • 2 shows a diagram with a power loss profile, a charging current profile and a temperature profile of a method according to the invention for charging a traction battery.

1 zeigt eine Ladesäule 10, welche eine öffentliche Ladesäule oder eine in einer Garage angeordnete Wallbox sein kann. Die Ladesäule 10 ist zum Aufladen einer Traktionsbatterie 22 eines Elektrofahrzeugs 20 über ein Ladekabel 12 mit dem Elektrofahrzeug 20 elektrisch gekoppelt. Das Elektrofahrzeug 20 umfasst zur Steuerung oder Regelung des Ladevorgangs eine Vorrichtung 24, wobei die Vorrichtung 24 eine Kontrolleinheit 26 und eine Berechnungseinheit 28 aufweist. 1 shows a charging station 10 which can be a public charging station or a wallbox located in a garage. The charging station 10 is for charging a traction battery 22nd of an electric vehicle 20th via a charging cable 12 with the electric vehicle 20th electrically coupled. The electric vehicle 20th comprises a device for controlling or regulating the charging process 24 , the device 24 a control unit 26th and a calculation unit 28 having.

Erfindungsgemäß erfolgt die Steuerung oder Regelung des Ladestroms I über ein Verlustleistungs-Profil, welches in der Kontrolleinheit 26 als Kennfeld hinterlegt ist. Das in der Kontrolleinheit 26 hinterlegte Verlustleistungs-Profil wird in der Berechnungseinheit 28 für jeden Ladevorgang berechnet, wobei für jeden Ladevorgang ausgehend von einem Ist-Ladezustand auf einen Ziel-Ladezustand unterschiedliche Verlustleistungs-Profile der Traktionsbatterie 22 ermittelt werden, durch Auswertung der ermittelten Verlustleistungs-Profilen ein ladedaueroptimiertes Verlustleistungs-Profil mit der kürzesten Ladedauer ermittelt wird und dieses ladedaueroptimierte Verlustleistungs-Profil in der Kontrolleinheit 26 für den Ladevorgang hinterlegt wird. Die Ermittlung des Verlustleistungs-Profils erfolgt durch die Variation des Ladestromverlaufs über den Ladevorgang, wobei aus dem Ladestrom I, der Spannung und der Leerlaufspannung der Innenwiderstand berechnet wird und aus dem Innenwiderstand auf die Verlustleistung Pv geschlossen wird.According to the invention, the control or regulation of the charging current takes place I. via a power loss profile, which is in the control unit 26th is stored as a map. That in the control unit 26th The stored power loss profile is used in the calculation unit 28 calculated for each charging process, with different power loss profiles of the traction battery starting from an actual state of charge to a target state of charge 22nd be determined, by evaluating the determined power loss profiles, a charging time-optimized power loss profile with the shortest charging time is determined and this charging time-optimized power loss profile in the control unit 26th is stored for the loading process. The power loss profile is determined by varying the charging current curve over the charging process, taking from the charging current I. , the voltage and the open circuit voltage, the internal resistance is calculated and the internal resistance is used to calculate the power loss Pv is closed.

Auf diese Weise kann für jeden Ladevorgang in Abhängigkeit von dem Ist- und Ziel-Ladezustand das Verlustleistungs-Profil mit der kürzesten Ladedauer ermittelt werden. Gleichermaßen kann bei einer vorgegebenen Ladedauer das Verlustleistungs-Profil mit dem höchsten Ziel-Ladezustand ermittelt werden und in der Kontrolleinheit 26 hinterlegt werden.In this way, the power loss profile with the shortest charging time can be determined for each charging process as a function of the actual and target state of charge. In the same way, the power loss profile with the highest target state of charge can be determined and in the control unit for a given charging time 26th be deposited.

In 2 ist auf der x-Achse die Zeit aufgetragen auf der y-Achse ist die Verlustleistung Pv, der Ladestrom I und die Temperatur T der Traktionsbatterie aufgetragen. Die durchgezogenen Linien zeigen den Temperaturverlauf, den Ladestromverlauf und das Verlustleistungs-Profil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufladen der Traktionsbatterie 22. Die gestrichelte Linie zeigt einen zum Vergleich dargestellten Temperaturverlauf eines temperaturgesteuerten Verfahrens zum Aufladen einer Traktionsbatterie 22 des Elektrofahrzeugs 20.In 2 the time is plotted on the x-axis, the power loss is plotted on the y-axis Pv , the charging current I. and the temperature T applied to the traction battery. The solid lines show the temperature profile, the charging current profile and the power loss profile of the method according to the invention for charging the traction battery 22nd . The dashed line shows a temperature profile of a temperature-controlled method for charging a traction battery, shown for comparison 22nd of the electric vehicle 20th .

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufladen der Traktionsbatterie 22 beginnt mit einem relativ hohen Pulsstrom I, wobei der Pulsstrom I über eine derartig kurze Zeitdauer anhält, dass die Traktionsbatterie 22 lediglich geringfügig durch den hohen Pulsstrom I erwärmt wird. Anschließend wird der Ladestrom I abgesenkt.The inventive method for charging the traction battery 22nd starts with a relatively high pulse current I. , where the pulse current I. over such a short period of time that the traction battery continues 22nd only slightly due to the high pulse current I. is heated. Then the charging current I. lowered.

Das Verlustleistungs-Profil ist nahezu über den gesamten Ladevorgang konstant, wobei gegen Ende des Ladevorgangs die Verlustleitung Pv aufgrund einer maximal zulässigen Temperatur T und einer Gefahr eines sogenannten „Lithium-Platings“ absinkt. Der Ladestrom I wird über den gesamten Ladevorgang durch eine nicht gezeigte Lithium-Plating-Kurve begrenzt, wobei das „Lithium-Plating“ darauf basiert, dass beim zu schnellen Aufladen der Traktionsbatterie es dazu kommen kann, dass die Lithium-Ionen, statt sich wie erwünscht in die Anode einzulagern, metallisches Lithium bilden, was sich an der Anode anlagert, wodurch die Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie reduziert wird.The power loss profile is almost constant over the entire charging process, with the conduction loss towards the end of the charging process Pv due to a maximum allowable temperature T and a risk of so-called "lithium plating" decreases. The charging current I. is limited over the entire charging process by a lithium plating curve (not shown), whereby the "lithium plating" is based on the fact that if the traction battery is charged too quickly, the lithium ions can instead move into the Store the anode, form metallic lithium, which is deposited on the anode, which reduces the performance of the traction battery.

Bei einer Steuerung oder Regelung des Ladestroms I mit einem konstanten Verlustleistungs-Profil folgt der Ladestromverlauf im Wesentlichen dem Verlustleistungs-Profil und ist aufgrund der steigenden Zellspannung leicht abfallend. Am Ende des Ladevorgangs sinkt der Ladestrom I wie das Verlustleistungs-Profil auch aufgrund einer maximal zulässigen Temperatur T und des Lithium-Plating- Effekts ab.When controlling or regulating the charging current I. With a constant power loss profile, the charging current curve essentially follows the power loss profile and is slightly falling due to the increasing cell voltage. At the end of the charging process, the charging current drops I. like the power loss profile also based on a maximum permissible temperature T and the lithium plating effect.

Die Temperatur T der Traktionsbatterie 22 steigt mit fortschreitenden Ladezustand linear an. Dies wird durch das konstante Verlustleistungs-Profil erreicht, wobei im Verlustleistungs-Profil sowohl die thermische Masse als auch eine Kühlleistung eines Kühlsystems der Traktionsbatterie 22 berücksichtigt sind und durch das Verlustleitungs-Profil eine gleichbleibende Erwärmungsrate der Traktionsbatterie 22 eingestellt wird. Gegen Ende des Ladevorgangs erreicht die Traktionsbatterie 22 den Temperaturgrenzwert TG und flacht derart ab, dass der Temperaturgrenzwert TG nicht überschritten wird. Dabei verweilt die Traktionsbatterie nur über eine kurze Zeitdauer im Bereich des Temperaturgrenzwerts TG, wodurch eine Alterung der Traktionsbatterie verlangsamt wird.The temperature T the traction battery 22nd increases linearly as the state of charge progresses. This is achieved by the constant power loss profile, with both the thermal mass and a cooling capacity of a cooling system of the traction battery in the power loss profile 22nd are taken into account and a constant heating rate of the traction battery due to the dissipation profile 22nd is set. Towards the end of the charging process, the traction battery reaches 22nd the temperature limit TG and flattens out so that the temperature limit TG is not exceeded. The traction battery only stays in the range of the temperature limit for a short period of time TG which slows down the aging of the traction battery.

Um einen Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und einem temperaturgeregelten Verfahren darzustellen, ist in 2 zusätzlich ein gestrichelt dargestellter Temperaturverlauf der Traktionsbatterie 22 bei einem temperaturgeregelten Verfahren gezeigt, wobei wie beim erfindungsgemäßen Verfahren auch ein linearer Temperaturverlauf eingestellt werden soll. Durch die dauerhafte Temperaturmessung und dadurch träge Regelung auf die Temperatur T stellt sich ein schwingender Temperaturverlauf ein. Dabei entsteht der schwingende Temperaturverlauf, indem die Temperatur der Traktionsbatterie 22 gemessen wird, mit einer vorgegebenen Temperaturkurve abgeglichen wird, der Ladestrom bei einer Abweichung zwischen der gemessenen Temperatur T und der Temperaturkurve nachgestellt wird. Dieser Vorgang erfolgt dauerhaft während dem gesamten Ladevorgang, wobei die Regelung derart verzögert auf eine Temperaturveränderung reagiert wird, dass sich ein schwingender Temperaturverlauf einstellt.In order to show a comparison between the method according to the invention and a temperature-controlled method, in 2 In addition, a dashed line temperature curve of the traction battery 22nd shown in a temperature-controlled method, wherein as in the method according to the invention, a linear temperature profile should also be set. Due to the permanent temperature measurement and thus slow control of the temperature T there is an oscillating temperature curve. This creates the oscillating temperature profile by changing the temperature of the traction battery 22nd is measured, is compared with a predetermined temperature curve, the charging current in the event of a deviation between the measured temperature T and the temperature curve is adjusted. This process takes place continuously during the entire charging process, with the control reacting to a change in temperature with such a delay that an oscillating temperature curve is established.

Im Vergleich zum temperaturgeregelten Ladeverfahren kann bei einer Steuerung oder Regelung des Ladestroms nach dem Verlustleistungs-Profil der durch die Veränderung des Ladestroms verursachte Temperaturverlauf zuverlässig vorhergesehen werden.In comparison to the temperature-regulated charging process, when the charging current is controlled or regulated according to the power loss profile, the temperature profile caused by the change in the charging current can be reliably foreseen.

Claims (11)

Verfahren zum Aufladen einer Traktionsbatterie (22) eines Elektrofahrzeugs (20) auf einen Ziel-Ladezustand, mit den Verfahrensschritten: Erfassen eines Ist-Ladezustandes, Aufladen der Traktionsbatterie (22) durch eine Steuerung oder Regelung des Ladestroms nach einem Verlustleistungs-Profil, wobei das Verlustleistungs-Profil in Abhängigkeit von der Kühlleistung der Traktionsbatterie (22) eine vordefinierte Erwärmungsrate der Traktionsbatterie (22) bewirkt, wobei die Temperatur (T) der Traktionsbatterie (22) durch einen vordefinierten maximalen Temperaturgrenzwert (TG) begrenzt ist.Method for charging a traction battery (22) of an electric vehicle (20) to a target state of charge, with the method steps: Acquisition of an actual state of charge, Charging of the traction battery (22) by a control or regulation of the charging current according to a power loss profile, the power loss profile depending on the cooling capacity of the traction battery (22) causing a predefined heating rate of the traction battery (22), the temperature (T) the traction battery (22) is limited by a predefined maximum temperature limit value (TG). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Verlustleistungs-Profile der Traktionsbatterie (22) über den gesamten Ladevorgang ermittelt werden, wobei aus den ermittelten Verlustleistungs-Profilen ein ladedaueroptimiertes Verlustleistungs-Profil mit der kürzesten Ladedauer durch Auswerten der ermittelten Verlustleistungs-Profile der Traktionsbatterie (22) bezogen auf die Ladedauer ermittelt wird, wobei die Traktionsbatterie (22) durch eine Steuerung oder Regelung des Ladestroms (I) nach dem ladeoptimierten Verlustleistungs-Profil aufgeladen wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that different power loss profiles of the traction battery (22) are determined over the entire charging process, a charging time-optimized power loss profile with the shortest charging time obtained from the determined power loss profiles by evaluating the determined power loss profiles of the traction battery (22) is determined on the charging time, the traction battery (22) by a control or regulation of the Charging current (I) is charged according to the load-optimized power loss profile. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Verlustleistungs-Profile mit einem Faktor oder einer Funktion multipliziert werden und daraus das ladedaueroptimierte Verlustleistungs-Profil ermittelt wird.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the different power loss profiles are multiplied by a factor or a function and the charging time-optimized power loss profile is determined from this. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine über den Ladevorgang gemessene Temperatur (T) der Traktionsbatterie (22), ausgenommen ggf. gegen Ende des Ladevorgangs, nicht in der Steuerung oder Regelung des Ladestroms (I) berücksichtigt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a temperature (T) of the traction battery (22) measured during the charging process, except possibly towards the end of the charging process, is not taken into account in the control or regulation of the charging current (I). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlleistung eines separaten Kühlsystems der Traktionsbatterie (22) in dem Verlustleistung-Profil berücksichtigt ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a cooling capacity of a separate cooling system of the traction battery (22) is taken into account in the power loss profile. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Masse der Traktionsbatterie (22) im Verlustleistungs-Profil berücksichtigt ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal mass of the traction battery (22) is taken into account in the power loss profile. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom (I) durch ein Lithium-Plating begrenzt ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the charging current (I) is limited by lithium plating. Vorrichtung zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrolleinheit (26) vorgesehen ist, welche den temporären Ladestrom (I) in Abhängigkeit von dem Verlustleistungs-Profil der Traktionsbatterie (22) steuert oder regelt.Device for charging a traction battery of an electric vehicle, according to the method according to one of Claims 1 to 7th , characterized in that a control unit (26) is provided which controls or regulates the temporary charging current (I) as a function of the power loss profile of the traction battery (22). Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlustleistungs-Profil in der Kontrolleinheit (26) als Kennfeld hinterlegt ist.Device according to Claim 8 , characterized in that the power loss profile is stored in the control unit (26) as a map. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Berechnungseinheit (28) vorgesehen ist, über welche das Verlustleistungs-Profil in Abhängigkeit von der Kühlleistung der Traktionsbatterie (22) ermittelbar ist.Device according to Claim 8 , characterized in that a calculation unit (28) is provided, via which the power loss profile can be determined as a function of the cooling capacity of the traction battery (22). Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (28) so ausgeführt ist, dass unterschiedliche Verlustleistungs-Profile der Traktionsbatterie (22) in Abhängigkeit von der Kühlleistung der Traktionsbatterie ermittelt werden und ein ladedaueroptimiertes Verlustleistungs-Profil durch Auswerten der Verlustleistungs-Profile der Traktionsbatterie (22) bezogen auf die Ladedauer ermittelt wird, wobei die Traktionsbatterie (22) durch eine Steuerung oder Regelung des Ladestroms (I) nach dem ladeoptimierten Verlustleistungs-Profil aufgeladen wird.Device according to Claim 10 , characterized in that the calculation unit (28) is designed so that different power loss profiles of the traction battery (22) are determined depending on the cooling capacity of the traction battery and a charging time-optimized power loss profile by evaluating the power loss profiles of the traction battery (22) is determined based on the charging time, the traction battery (22) being charged by controlling or regulating the charging current (I) according to the charging-optimized power loss profile.
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