DE102022112232B3

DE102022112232B3 - Verfahren zur temperaturermittlung bei einer ladedose eines elektrofahrzeugs und ladedose für ein elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE102022112232B3
Application number: DE102022112232.8A
Authority: DE
Inventors: Stephan Heckelsmüller; Christian Scheibl; Stephan Schafferhans
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2022-05-16
Filing date: 2022-05-16
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2042-05-17
Also published as: WO2023222338A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturermittlung bei einer Ladedose (10) eines Elektrofahrzeugs, die Gleichstromkontakte (14) und Wechselstromkontakte (12) zum Laden des Elektrofahrzeugs Temperatursensoren (13, 16) zum Messen der jeweiligen Temperaturen der Kontakte (12, 14) aufweist, umfassend folgende Schritte: Messen jeweiliger Temperaturen (TDC-, TDC+, TACL1, TACL2) mittels der Temperatursensoren (13, 16) während das Elektrofahrzeug über die Gleichstromkontakte (14) oder über die Wechselstrom kontakte (12) geladen wird; Bereitstellen eines thermodynamischen Modells (34) der Ladedose (10), das eine thermische Kopplung zwischen den Temperatursensoren (13, 16) abbildet und in Abhängigkeit davon Schätzwerte (TDC- Schätzung, TDC+ Schätzung, TAC L1 Schätzung, TAC L2 Schätzung) für die Temperaturen der jeweiligen Kontakte (12, 14) bereitstellt; Ermitteln eines Schätzwertes (TDC- Schätzung, TDC- Schätzung, TAC L1 Schätzung, TAC L2 Schätzung) für die Temperatur von zumindest einem der Gleichstromkontakte (14) oder von zumindest einem der Wechselstromkontakte (14), indem die gemessenen Temperaturen (TDC-, TDC+, TACL1, TAC L2) in das thermodynamische Modell (34) der Ladedose (10) eingegeben werden. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Ladedose (10) für ein Elektrofahrzeug.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturermittlung bei einer Ladedose eines Elektrofahrzeugs und Ladedose für ein Elektrofahrzeug.
Stand der Technik
Es ist an sich bekannt, bei Elektrofahrzeugen, beispielsweise batterieelektrischen Personenkraftwagen, fahrzeugseitige Ladedosen zum Aufladen der Batterien, insbesondere der Traktionsbatterien, vorzusehen. Es gibt Ladedosen, die ein Aufladen mit Gleichstrom und mit Wechselstrom ermöglichen. Solche Ladedosen werden auch als Comboladedosen bezeichnet. Mit solchen Ladedosen ist es beispielsweise möglich, Elektrofahrzeuge sowohl an haushaltsüblichen Steckdosen als auch an Schnellladesäulen aufzuladen.
Insbesondere beim Laden mit hoher Stromstärke stellt der mögliche Verschleiß von Hochvoltkontakten in der Ladedose, bei denen es sich üblicherweise um Gleichstromkontakte zum Laden mit Gleichstrom handelt, ein potenzielles Sicherheitsrisiko dar. Um ein Elektrofahrzeug dennoch sicher laden zu können, wird eine möglichst präzise Temperaturbestimmung dieser Kontakte benötigt. Allerdings kann es passieren, dass mittels in solchen Ladedosen vorgesehenen Temperatursensoren keine ausreichend exakte Temperaturbestimmung insbesondere an den Hochvoltkontakten möglich ist.
Die DE 10 2019 132 027 A1 offenbart ein portables Steckernetzteil zum temporären Verbinden eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit einem Stromnetz, wobei das Steckernetzteil einen Fahrzeuganschluss und einen Netzanschluss aufweist und in dem Steckernetzteil eine Wandlerschaltung dazu eingerichtet ist, zwischen einer Netzspannung eines Stromnetzes und einer Batteriespannung eines Kraftfahrzeugs zu wandeln. Dabei ist vorgesehen, dass in dem Steckernetzteil eine Steuerschaltung (21) dazu eingerichtet ist, eine von der Wandlerschaltung zwischen dem Fahrzeuganschluss und dem Netzanschluss übertragene elektrische Leistung (P) auf einen einstellbaren Referenzwert (R) einzuregeln und/oder zu begrenzen und den Referenzwert mittels einer Zuordnungsvorschrift (Z) in Abhängigkeit von einem jeweiligen Temperatursignal (20) zumindest eines Temperatursensors (18) einzustellen, wobei die Zuordnungsvorschrift (Z) den Referenzwert (R) derart einstellt, dass die übertragene elektrische Leistung (P) größer als Null und kleiner als eine maximal von der Wandlerschaltung übertragbare Maximalleistung ist.
Die EP 2 847 023 B1 offenbart ein Verfahren zum Schutz eines Ladekabels zum Laden einer Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs. Bei diesem Verfahren wird ein Sollwert für die Strombelastbarkeit des Ladekabels ermittelt, die Stromstärke des durch das Ladekabel fließenden Stroms gemessen und ein Stromwert gebildet, anhand des Sollwerts für die Strombelastbarkeit und des Stromwerts mindestens ein Erwartungswert für die Temperatur des Ladekabels bestimmt wird und die Temperatur des Ladekabels unter Bildung mindestens eines Temperaturwerts gemessen wird. Der mindestens eine Temperaturwert wird mit dem mindestens einen Erwartungswert verglichen und bei Auftreten einer vorgegebenen Differenz zwischen dem mindestens einen Temperaturwert und dem mindestens einen Erwartungswert auf das Vorliegen eines Fehlers erkannt.
Die DE 10 2017 209 450 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung von Temperaturinformation bezüglich einer Temperatur einer Lade-Schnittstelle beschrieben, wobei die Lade-Schnittstelle auf einem Strompfad zwischen einer Ladestation und einem elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeugs angeordnet ist. Das Verfahren umfasst das Ermitteln von Soll-Information bezüglich einer Soll-Ladeleistung, die von der Ladestation auf dem Strompfad bereitgestellt wird. Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln von Ist-Information bezüglich einer Ist-Ladeleistung, die von dem Energiespeicher aus dem Strompfad aufgenommen wird. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Ermitteln der Temperaturinformation auf Basis der Soll-Information und auf Basis der Ist-Information.
Die DE 10 2014 111 185 A1 offenbart ein Steckverbinderteil zum Verbinden mit einem Gegensteckverbinderteil umfassend mindestens ein elektrisches Kontaktelement zum Führen eines elektrischen Stroms und zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit mindestens einem anderen Kontaktelement eines Gegensteckverbinderteils und eine Temperatursensoreinrichtung zum Erfassen einer Erwärmung an dem Steckverbinderteil. Dabei ist vorgesehen, dass die Temperatursensoreinrichtung mindestens ein Sensorelement aufweist, das ausgebildet ist, eine von dem mindestens einen elektrischen Kontaktelement abgestrahlte Infrarotstrahlung zu detektieren.
Beschreibung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, welche auf besonders einfache und exakte Weise eine Temperaturermittlung bei einer Ladedose eines Elektrofahrzeugs ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Temperaturermittlung bei einer Ladedose eines Elektrofahrzeugs. Die Ladedose umfasst Gleichstromkontakte zum Laden des Elektrofahrzeugs und elektrisch von diesen getrennte Wechselstromkontakte zum Laden des Elektrofahrzeugs sowie jeweilige den Gleichstromkontakten und den Wechselstrom kontakten zugeordnete und von diesen beabstandete Temperatursensoren zum Messen der jeweiligen Temperaturen der Kontakte.
Die Gleichstromkontakte und die Wechselstrom kontakte können Pins oder auch Buchsen sein. Die Gleichstromkontakte können Hochvoltkontakte zum Laden, v.a. Schnellladen, des Elektrofahrzeugs sein. Beispielsweise können die Gleichstromkontakte dazu ausgelegt sein, eine Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs an dafür ausgelegten Ladestationen mit mehr als 40 kW oder auch mit mehr als 350 kW bei Spannungen mit z.B.400 V, 800 V oder 1000 V zu laden. Die Wechselstrom kontakte können z.B. Kontakte zum Laden der Traktionsbatterie an einer Wallbox sein, z.B. bei 110 V oder bei 230 V. Bei der Ladedose handelt es sich um eine sogenannte Combo-Ladedose, die entweder mit Gleichstrom oder auch mit Wechselstrom betrieben werden kann.
Die Temperatursensoren sind nicht unmittelbar an den stromführenden Kontakten angeordnet, sondern mit etwas Abstand von diesen angeordnet, z.B. auf einer Leiterplatte. Zwischen den Temperatursensoren und den jeweiligen Kontakten kann beispielsweise ein Luftspalt vorhanden sind. Der Temperatursensor, der einem der jeweiligen Kontakte zugeordnet ist, ist insbesondere näher an diesem Kontakt angeordnet als die anderen Temperatursensoren. Die Ladedose ist insbesondere so gestaltet, dass ein Hochvolt- und ein Niedervoltbordnetz sicher getrennt voneinander sind.
Die leistungsführenden Kontakte, also die Gleichstrom- und die Wechselstromkontakte werden mittels jeweilige Temperatursensoren überwacht. Um eine eventuell begrenzte Genauigkeit, insbesondere bei gealterten Kontakten, zu verbessern, werden auch die Temperatursensoren an den beim jeweiligen Ladevorgang nicht bestromten Kontakten genutzt. Während das Elektrofahrzeug über die Gleichstromkontakte oder über die Wechselstromkontakte geladen wird, werden also jeweilige Temperaturen mittels der den Gleichstromkontakten und den Wechselstrom kontakten zugeordneten Temperatursensoren gemessen.
Zudem wird ein thermodynamisches Modell der Ladedose bereitgestellt, das eine thermische Kopplung zwischen den Temperatursensoren abbildet und in Abhängigkeit davon Schätzwerte für die Temperaturen der jeweiligen Kontakte bereitstellt. Das thermodynamische Modell kann z.B. die Wärmeleitung zwischen den Temperatursensoren abbilden bzw. beschreiben. Auch kann das thermodynamische Modell z.B. die Wärmeleitung zwischen den Kontakten und den diesen zugordneten Temperatursensoren beschreiben. Das thermodynamische Modell kann Wärmeleitungspfade zwischen den Temperatursensoren und den Gleichstrom- sowie Wechselstromkontakten abbilden bzw. beschreiben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird während des Ladevorgangs ein Schätzwert für die Temperatur von zumindest einem der Gleichstromkontakte oder von zumindest einem der Wechselstromkontakte ermittelt, indem die gemessenen Temperaturen in das thermodynamische Modell der Ladedose eingegeben werden. Die Ermittlung des Schätzwerts kann wiederholt, insbesondere in Echtzeit, während des gesamten Ladevorgangs erfolgen. Auch können für alle Kontakte Schätzwerte für ihre jeweiligen Temperaturen ermittelt werden, indem die gemessenen Temperaturen in das thermodynamische Modell der Ladedose eingegeben werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt also eine modellbasierte Kopplung der Temperatursensoren, welche für die Temperaturmessung der Gleichstrom- und Wechselstrom kontakte zuständig sind. Über das Modell wird ein thermodynamischer Zusammenhang zwischen den mittels der Temperatursensoren gemessen Temperaturen hergestellt, um besagte Schätzwerte für die Temperaturen der Kontakte zu ermitteln.
Wird beispielsweise das Elektrofahrzeug über die Ladedose im Gleichstrombetrieb geladen, erwärmen sich die Gleichstromkontakte der Ladedose, da diese über zugehörige Kontakte von z.B. einer Ladepistole bestromt werden, wobei über entsprechende Gleichstromleitungen dann die Batterie gespeist wird. Durch die hohe Stromstärke entsteht also an den Gleichstromkontakten Wärme. Die Erwärmung der Gleichstromkontakte wird über die jeweiligen diesen zugeordneten Temperatursensoren gemessen, da eine Wärmeübertragung von den Gleichstromkontakten zu den zugehörigen Temperatursensoren erfolgt. Dafür können die Gleichstromkontakte wärmeleitend mit den zugehörigen Temperatursensoren verbunden sein. Auch die Wechselstromkontakte erwärmen sich während des Ladevorgangs mit Gleichstrom, obwohl diese nicht bestromt werden. Die Erwärmung der Wechselstromkontakte erfolgt durch die Wärmeübertragung, insbesondere durch eine thermische Kopplung der Temperatursensoren untereinander, die beispielsweise auf derselben Leiterplatte angeordnet sein können.
Die während des Ladevorgangs gemessenen Temperaturen der Kontakte, also die gemessenen Temperaturen charakterisierende Temperaturdaten, werden in das thermodynamische Modell der Ladedose eingegeben. Im Ergebnis werden dann z.B. Schätzwerte für die Temperaturen der Gleichstromkontakte ausgegeben. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass wenn man das thermodynamische Modell sowohl mit Temperaturdaten aus der Temperatursensorik für die Gleichstromkontakte als auch mit Temperaturdaten aus der Temperatursensorik für die Wechselstrom kontakte speist, können die tatsächlichen Temperaturen der Hochvoltkontakte, also der Gleichstromkontakte, exakter ermittelt werden als wenn man lediglich die Werte der den Gleichstromkontakten zugeordneten Temperatursensoren verwenden würde. Umgekehrt kann auch bei einem Ladevorgang mit Wechselstrom vorgegangen werden. Zudem liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde die mittels der den Gleichstromsensoren gemessenen Temperaturen unterhalb der tatsächlichen Temperaturen der Gleichstromkontakte liegen können. Die mithilfe des thermodynamischen Modells geschätzten Temperaturen der Gleichstromkontakte liegen wesentlich näher an den tatsächlichen Temperaturen der Gleichstromkontakte.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wirken also die Temperatursensoren für die Gleichstrom- und für die Wechselstromkontakte zusammen, um mithilfe des thermodynamischen Modells der Ladedose besonders exakte Temperaturwerte für die Kontakte abzuschätzen. Durch die hohe modellbasierte Genauigkeit bei der Temperaturermittlung muss weniger Aufwand für die tatsächliche physikalische Genauigkeit betrieben werden, was wirtschaftliche und konstruktive Vorteile mit sich bringt. Die Genauigkeit der Temperaturermittlung bei den Kontakten kann v.a. auch bei einem dynamischen Temperaturanstieg durch das erfindungsgemäße Verfahren verbessert werden. Bereits vorhandene Temperatursensoren und vorhandene Datenverarbeitungseinrichtung können zur Umsetzung des Verfahrens verwendet werden, wodurch sich allenfalls ein geringer konstruktiver Aufwand bei der Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Ladedose ergibt. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Temperatursensoren zusammenwirken, bietet es sowohl Vorteile beim Laden mit Wechselstrom als auch beim Laden mit Gleichstrom, um die Temperaturen der jeweiligen stromführenden Kontakte während des Ladevorgangs zu bestimmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also eine besonders einfache und exakte Lösung zur Temperaturmessung bei einer Ladedose eines Elektrofahrzeugs.
Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in Abhängigkeit von dem Schätzwert für die Temperatur von zumindest einem der Gleichstromkontakte oder von zumindest einem der Wechselstromkontakte eine Stromstärke während des Ladevorgangs geregelt wird. Die Regelung kann z.B. mithilfe eines Ladesteuergeräts erfolgen. Mit steigender geschätzter Temperatur kann beispielsweise die Ladeleistung reduziert werden, um eine Überhitzung der betreffenden Kontakte zu vermeiden. Beispielsweise kann ein Temperaturgrenzwert vorgegeben werden. Wird dieser durch den Schätzwert erreicht oder überschritten, kann z.B. die Stromstärke beim Ladevorgang reduziert werden. So kann jederzeit ein besonders sicherer Ladevorgang ermöglicht werden.
In weiterer möglicher Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das thermodynamische Modell der Ladedose die Wärmeleitung zwischen den Temperatursensoren und den Kontakten berücksichtigt. Weitere Aspekte der Wärmeübertragung können ebenfalls in dem Modell berücksichtigt werden, wie z.B. Wärmestrahlung oder auch Konvektion. Durch Berücksichtigung der Wärmeleitung kann das Modell eine besonders exakte Temperaturschätzung ermöglichen, indem thermische Kopplungen der Temperatursensoren untereinander berücksichtigt werden.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das thermodynamische Modell der Ladedose in Form eines empirischen Modells bereitgestellt wird. Damit wird ein relativ einfach zu erstellendes Modell verwendet, dass dennoch sehr exakte Schätzwerte für die Temperaturen der Gleichstrom- und Wechselstrom kontakte liefern kann.
Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das empirische Modell die Schätzwerte für die Temperaturen der Kontakte durch jeweilige Berechnungsformeln ermittelt, welche die gemessenen Temperaturen und zeitlichen Ableitungen der gemessenen Temperaturen, jeweils multipliziert mit einem Parameter, umfassen. Die gemessenen Temperaturen und deren zeitliche Ableitungen werden also zueinander in Beziehung gesetzt, um die Schätzwerte zu bestimmen. Die Berechnungsformel kann beispielsweise folgendermaßen aufgebaut sein: $\begin{array}{l} T_{D C - S c h \ddot{a} t z u n g} = C_{1} \cdot T_{D C} + C_{2} \cdot T_{D C} + C_{3} \cdot T_{A C L 1} + C_{4} \cdot T_{A C L 2} + C_{5} \cdot \frac{d T_{D C}}{d t} + C_{6} \cdot \frac{d T_{D C}}{d t} + C_{7} \\ \cdot \frac{d T_{A C L 1}}{d t} + C_{8} \cdot \frac{d T_{A C L 2}}{d t} \end{array}$
Diese Berechnungsformel kann bei einer Ladedose mit jeweils zwei Gleichstrom- und zwei Wechselstrom kontakten angewendet werden, wobei jedem der Kontakte ein Temperatursensor zugeordnet ist. Es kann sich bei z.B. um eine CCS1-Ladedose handeln. Die Ladedose enthält also vier Temperatursensoren, von denen zwei an den Gleichstromkontakten T_DC- und T_DC+, und zwei an den Wechselstromkontakten T_ACL1 und T_ACL2 angeordnet sind. Die Temperaturen T_DC-, T_DC-, T_ACL1 und T_{AC L2} sind jeweils die Messwerte der Temperatursensoren. T_{DC+ Schätzung}, T_{AC L1 Schätzung} und T_{AC L2 Schätzung} können analog bestimmt werden. Die Parameter C₁ bis C₈ können mithilfe von Kurvenfitting-Algorithmen bestimmt werden, wobei Referenzsensoren die tatsächliche Temperatur der Gleichstrom- und Wechselstromkontakte vermessen können. Dadurch dass die Referenzsensoren keine HV-NV-Trennung benötigen und nur für einen einmaligen Versuchsaufbau benötigt werden, können hochpräzise und hochpreisige Referenzsensoren verwendet werden. Eine Möglichkeit wären flexible Foliensensoren, welche großflächig auf die Oberfläche der Stiftkontakte aufgeklebt werden. Mithilfe solcher empirischer Modelle in Form von Berechnungsformeln können die Schätzwerte im Ladebetrieb besonders schnell ermittelt werden, da lediglich die Messerte in die Berechnungsformel eingetragen werden müssen. Das ist wenig rechenintensiv, sodass die Temperaturänderungen an den Kontakten in Echtzeit abschätzt werden können.
Eine alternative mögliche Ausgesteltung der Erfindung sieht vor, dass das thermodynamische Modell der Ladedose in Form eines physikalischen Modells bereitgestellt wird, welches die Wärmeleitpfade zwischen den Temperatursensoren und den Kontakten mithilfe eines thermischen Ersatzschaltkreismodells der Ladedose abbildet. Dies bietet eine besonders exakte Möglichkeit zur Abschätzung der Temperaturen der Gleichstrom- und Wechselstromkontakte.
In weiterer möglicher Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass im thermischen Ersatzschaltkreismodell die Kontakte, die Temperatursensoren und eine Leiterplatte, auf der die Temperatursensoren angeordnet sind, durch jeweilige thermische Massen approximiert werden, die durch thermische Widerstände miteinander verkettet sind. Die mittels der Temperatursensoren gemessenen Temperaturen der Kontakte dienen als Eingangsgrößen in dieses Modell. Durch Modellierung der Kontakte, Temperatursensoren und der Leiterplatte in Form von thermischen Massen jeweiliger Wärmeleitpfade zwischen diesen Elementen in Form der thermischen Widerstände können die Wärmeübertragungen zwischen den Elementen besonders wirklichkeitsgetreu abgebildet werden; somit dann auch die Temperaturen der jeweiligen Kontakte besonders exakt mithilfe des Modells abgeschätzt werden.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass im thermischen Ersatzschaltkreismodell jeweilige Wärmeströme zu den Kontakten in Abhängigkeit von jeweiligen Temperaturgradienten vorgegebenen werden, die sich aus den gemessenen Temperaturen ergeben. Die Temperaturgradienten rufen nämlich auch tatsächlich entsprechende Wärmeströme in die zugehörigen Richtungen hervor, welche das Modell berechnet. Erwärmt sich ein Gleichstromkontakt schneller als der andere, z.B. wegen Verschleiß der Beschichtung, kommt ein Wärmestrom zwischen diesen Gleichstromkontakten hinzu. Das thermische Ersatzschaltmodell basiert auf der Annahme, dass die Abweichung der gemessenen von der tatsächlichen Temperatur in etwa proportional zum Wärmestrom in Richtung des entsprechenden Elements ist. Im Ersatzschaltmodell wird dieser Wärmestrom dem entsprechenden Gleichstrom- oder Wechselstrom kontakt zugeführt, was eine besonders exakte Temperaturschätzung ermöglicht. Der jeweils resultierende Wärmestrom bildet die Erwärmung des jeweiligen Kontakts aufgrund des Ohm'schen Widerstands der Kontakte und zugehöriger Leitungen ab.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wärmeströme zu den Kontakten um jeweilige konstante Faktoren verstärkt werden. Die Faktoren können so gewählt werden, beispielsweise unterstützt durch Versuche, dass die sich ergebenden Wärmeströme besonders exakt den tatsächlichen Wärmeströmen entsprechend. Das führt zu einer besonders guten Temperaturschätzung der Kontakte.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das thermische Ersatzschaltkreismodell in Abhängigkeit von der Geometrie der Ladedose, von Materialkennwerten der Ladedose und/oder anhand eines Versuchsaufbaus ermittelt wird. Beispielsweise können die thermischen Massen, die thermischen Widerstände und/oder die Faktoren in Abhängigkeit von der Geometrie der Ladedose, von Materialkennwerten der Ladedose und/oder anhand eines Versuchsaufbaus ermittelt werden. Die Bestimmung anhand der Geometrie und/oder Materialkennwerte kann auch als physikalische Ermittlung der besagten Parameter verstanden werden. Eine Feinabstimmung kann dann mittels eines Versuchsaufbaus erfolgen. Dies ermöglicht eine besonders gute Modellierung des thermischen Ersatzschaltkreismodells.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Detaillierungsgrad des thermischen Ersatzschaltkreismodells und eine Zeitschrittweite so eingestellt werden, dass eine Datenverarbeitungseinrichtung die Ermittlung des Schätzwertes für die Temperatur von zumindest einem der Gleichstromkontakte oder von zumindest einem der Wechselstrom kontakte in Echtzeit ermitteln kann. Die Arbeitsweise der Datenverarbeitungseinrichtung, bei der die Schätzung der Temperatur von zumindest einem der Kontakte oder aller Kontakte erfolgt, läuft simultan, oder nahezu simultan mit der tatsächlichen Veränderung der Temperaturen der Gleichstrom- und/oder Wechselstromkontakte. Der Detaillierungsgrad des thermischen Ersatzkreismodells und die Zeitschrittweite, zwischen der die jeweiligen Schätzungen der Temperaturen erfolgt, werden also unter Berücksichtigung der Leistungsfähigkeit der Datenverarbeitungseinrichtung so gewählt, dass eine echtzeitfähige Schätzung der Temperatur von zumindest einem der Kontakte oder aller Kontakte während eines Ladevorgangs möglich ist. Dadurch kann der Ladevorgang und die dabei gegebenenfalls auftretende Temperaturveränderung an den Kontakten besonders exakt überwacht werden.
Die erfindungsgemäße Ladedose für ein Elektrofahrzeug, umfasst Gleichstromkontakte zum Laden des Elektrofahrzeugs und elektrisch von diesen getrennte Wechselstromkontakte zum Laden des Elektrofahrzeugs; jeweilige den Gleichstromkontakten und den Wechselstrom kontakten zugeordnete und von diesen beabstandete Temperatursensoren zum Messen der jeweiligen Temperaturen der Kontakte; und eine Datenverarbeitungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, basierend auf einem thermodynamischen Modell der Ladedose, das eine thermische Kopplung zwischen den Temperatursensoren abbildet und in Abhängigkeit davon Schätzwerte für die Temperaturen der jeweiligen Kontakte bereitstellt, einen Schätzwert für die Temperatur von zumindest einem der Gleichstromkontakte oder von zumindest einem der Wechselstromkontakte zu ermitteln, wenn die mittels der Temperatursensoren gemessenen Temperaturen in das thermodynamische Modell der Ladedose eingegeben werden. Mögliche Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahren können als mögliche Ausgestaltungen der Ladedose und umgekehrt angesehen werden. Die Ladedose kann insbesondere Mittel zur Durchführung sämtlicher Verfahrensschritte aufweisen.
Eine mögliche Ausgestaltung der Ladedose sieht vor, dass eine wärmeleitende Verbindung zwischen den Temperatursensoren über Kupferleitungen, Wärmeleitpaste und/oder eine Leiterplatte hergestellt ist. Dadurch ergibt sich eine besonders gut wärmeleitende Verbindung zwischen den Temperatursensoren, infolgedessen die tatsächlichen Temperaturen an den Gleichspannungs- und Wechselspannungskontakten besonders exakt mithilfe des thermodynamischen Modells der Ladedose abgeschätzt werden können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Beschreibung möglicher Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Kurze Figurenbeschreibung
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Darstellung einer Ladedose für ein Elektrofahrzeug, die Gleichstromkontakte zum Laden mit Gleichstrom und Wechselstrom kontakte zum Laden mit Wechselstrom sowie je Kontakt einen Temperatursensor aufweist, die auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind;
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Ermittlung von Temperaturen der Gleichstromkontakte während eines Ladevorgangs mit Gleichstrom;
3 Temperaturverläufe während des Ladevorgangs mit Gleichstrom, welche mittels unterschiedlicher Temperatursensoren gemessen oder abschätzt wurden oder sich tatsächlich einstellen;
4 ein thermisches Ersatzschaltmodell der Ladedose.

Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Ladedose 10 für ein Elektrofahrzeug, beispielsweise in Form eines rein elektrisch angetriebenen Personenkraftwagens, ist teilweise in einer schematischen Darstellung in 1 gezeigt. Bei der Ladedose 10 handelt es sich um eine Combo-Ladedose, mittels welcher das Elektrofahrzeug sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom geladen werden kann. Die Ladedose 10 weist dafür zwei Wechselstromkontakte 12 und zwei Gleichstromkontakte 14 auf. Jedem der Wechselstromkontakte 12 und jedem der Gleichstromkontakte 14 ist jeweils ein Temperatursensor 13, 16 zugeordnet. Die Temperatursensoren 13, 16 sind auf einer Leiterplatte 18 angeordnet.
In 2 ist ein Verfahren zur Ermittlung von Temperaturen der Gleichstromkontakte 14 während eines Ladevorgangs mit Gleichstrom in Form eines Flussdiagramms 20 gezeigt. Ganz links ist ein Stromleitpfad 22 für einen der Gleichstromkontakte 14 angedeutet. Eine Ladepistole 24 wird in die hier nicht dargestellte Ladedose 10 gesteckt und Kontakte der Ladepistole 24 werden mit den Gleichstromkontakten 14 kontaktiert. Gleichstrom fließt dann beispielsweise mit 250 Ampere durch die Gleichstromkontakte 14 über Gleichstromleitungen 26 zu einer hier nicht gezeigten Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs, in dem die Ladedose 10 verbaut ist. Aufgrund des Stromflusses erwärmen sich die Gleichstromkontakte 14.
Ein Wärmestrom 30 fließt von den Gleichstromkontakten 14 dann sowohl zu den ihnen direkt zugeordneten Temperatursensoren 16 als auch zu den von diesen entfernteren Temperatursensoren 13. Zwischen den Temperatursensoren 13, 16 gibt es eine hier schematisch angedeutete thermische Kopplung 32.
Mittels der Temperatursensoren 13, 16 werden jeweilige Temperaturen in der Nähe der Wechselstromkontakte 12 und der Gleichstromkontakte 14 gemessen und einem thermodynamischen Modell 34 der Ladedose 10 zugeführt. Dem Modell 34 werden zudem bestimmte Parameter aus einem bereitgestellten Parametersatz 36 zugeführt, die eine möglichst realistische thermodynamische Modellierung des Modells 34 ermöglichen. Auf Basis der gemessenen Temperaturen wird mithilfe des Modells 34 eine jeweilige Temperatur der Gleichstromkontakte 14 abgeschätzt. Dies kann eine Datenverarbeitungseinrichtung 38 durchführen, die Bestandteil der Ladedose 10 sein kann. In Abhängigkeit von den geschätzten Temperaturen der Gleichstromkontakte 14 regelt ein Ladesteuergerät 40 eine Stromstärke, mit der die Ladepistole 24 den Ladevorgang durchführt.
In 3 sind in einem Diagramm verschiedene Temperaturverläufe 42, 44, 46, 48 während des Ladevorgangs mit Gleichstrom aufgetragen. Der Temperaturverlauf 42 kennzeichnet die tatsächliche Temperatur an einem der Gleichstromkontakte 14, der Temperaturverlauf 44 die mittels des Modells 34 geschätzte Temperatur, der Temperaturverlauf 46 die mittels des am nächsten am Gleichstromkontakt 14 angeordneten Temperatursensors 16 gemessene Temperatur und der Temperaturverlauf 48 die mittels einem der Temperatursensoren 13 gemessene Temperatur.
Das Modell 34 kann beispielsweise ein empirisch-basiertes Modell sein. Das empirische Modell 34 kann durch folgende Berechnungsformel dargestellt werden: $\begin{array}{l} T_{D C - S c h \ddot{a} t z u n g} = C_{1} \cdot T_{D C} + C_{2} \cdot T_{D C} + C_{3} \cdot T_{A C L 1} + C_{4} \cdot T_{A C L 2} + C_{5} \cdot \frac{d T_{D C -}}{d t} + C_{6} \cdot \frac{d T_{D C}}{d t} + C_{7} \\ \cdot \frac{d T_{A C L 1}}{d t} + C_{8} \cdot \frac{d T_{A C L 2}}{d t} \end{array}$
Die Temperaturen T_DC- und T_DC+ sind die mittels der Temperatursensoren 16 gemessenen Temperaturen. Die Temperaturen T_{AC L1} und T_{AC L2} sind die mittels der Temperatursensoren 13 gemessenen Temperaturen. T_{DC-Schätzung} ist die geschätzte Temperatur von einem der Gleichstromkontakte 14. Die übrigen geschätzten Temperaturen T_{DC+ Schätzung}, T_{AC L1 Schätzung} und T_{AC L2 Schätzung} können analog bestimmt werden.
Die Parameter C₁ bis C₈ können mithilfe von Kurvenfitting-Algorithmen bestimmt werden, wobei Referenzsensoren die jeweils tatsächliche Temperatur der Gleichstromkontakte 14 und Wechselstrom kontakte 12 messen können. Die Referenzsensoren benötigen keine Trennung zwischen Hochvolt- und Niedervoltsystem und werden nur für einen einmaligen Versuchsaufbau benötigt. Daher können für diese Referenzsensoren hochpräzise und hochpreisige Referenzsensoren verwendet werden. Beispielsweise können als Referenzsensoren flexible Foliensensoren verwenden werden, die großflächig auf die Oberflächen der Kontakte 12, 14 aufgeklebt werden.
Alternativ ist es auch möglich, für das Modell 34 der Ladedose 10 ein physikalisches Modell zu verwenden, das die tatsächlichen Wärmeleitfade innerhalb der Ladedose 10 mithilfe eines thermischen Ersatzschaltkreismodells 50 abbildet, wie in 4 dargestellt. Im thermischen Ersatzschaltkreismodell 50 wird den Wechselstrom kontakten 12, den Temperatursensoren 13, 16, den Gleichstromkontakten 14 und der Leiterplatte 18 jeweils eine thermische Masse zugewiesen. Ein jeweiliger Wärmetransport zwischen diesen Elementen wird durch thermische Widerstände simuliert. Als Eingangsgrößen in das thermische Ersatzschaltkreismodell 50 fließen die mittels der Temperatursensoren 16 gemessenen Temperaturen T_DC- und T_DC+ und die mittels der Temperatursensoren 13 gemessenen Temperaturen T_{AC L1} und T_{AC L2} ein. Als Ausgangsgrößen erhält man mithilfe des thermischen Ersatzschaltkreismodells 50 die jeweiligen Schätzwerte T_{DC- Schätzung}, T_{DC+ Schätzung}, T_ACL1 _Schätzung und T_{AC L2 Schätzung} für die Kontakte 12, 14.
Beim Laden mit Gleichstrom entsteht ein Temperaturgradient von den Wechselstrom kontakten 12 zu den Gleichstromkontakten 14. Der Temperaturgradient ruft einen Wärmestrom von den Gleichstromkontakten 14 zu den Wechselstromkontakten 12 hervor, also auch entsprechend von den Temperatursensoren 16 zu den Temperatursensoren 13. Erwärmt sich zudem einer der Gleichstromkontakte 14 schneller als der andere, z.B. aufgrund eines Verschleißes an der Beschichtung des betreffenden Kontakts 14, so kommt auch ein Wärmestrom zwischen den Gleichstromkontakten 14 hinzu.
Das thermische Ersatzschaltkreismodell 50 basiert auf der Annahme, dass die Abweichung der gemessenen von der tatsächlichen Temperatur in etwas proportional zum Wärmestrom in Richtung des entsprechenden Temperatursensors 13, 16 ist. Im thermischen Ersatzschaltkreismodell 50 wird dieser Wärmestrom dem entsprechenden Gleichstromkontakt 14 zugeführt, wobei er um einen konstanten Faktor verstärkt werden kann. Der resultierende Wärmestrom bildet die Erwärmung des betreffenden Gleichstromkontakts 14 aufgrund des Ohm'schen Widerstands der Kontaktteile und Leitungen ab.
Das thermische Ersatzschaltkreismodell 50 basiert im hier beispielshaft gezeigten Fall auf 9 thermischen Massen, die durch 10 thermische Widerstände miteinander verknüpft sind. Die Wärmeströme in Richtung der Kontakte 12, 14 werden durch vier Faktoren verstärkt. Insgesamt müssen also 23 Parameter vorgegeben werden. Die Parameter können physikalisch oder empirisch ermittelt werden. Die Parameter können z.B. zunächst physikalisch bestimmt werden, nämlich anhand der Geometrie der Ladedose 10 und jeweiliger Materialkennwerte. Danach kann noch eine Feinabstimmung der Parameter durch einen Versuchsaufbau erfolgen. Der Detaillierungsgrad des thermischen Ersatzkreisschaltmodells 50 und eine Zeitschrittweite können so angepasst werden, dass ein echtzeitfähiger Betrieb ermöglicht wird.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: Ladedose
12: Wechselstrom kontakte
13: Temperatursensoren
14: Gleichstromkontakte
16: Temperatursensoren
18: Leiterplatte
20: Flussdiagramm
22: Stromleitpfad
24: Ladepistole
26: Gleichstromleitung
28: thermische Kopplung
30: Wärmestrom
32: thermische Kopplung
34: thermodynamisches Modell der Ladedose
36: Parametersatz
38: Datenverarbeitungseinrichtung
40: Ladesteuergerät
42: Temperaturverlauf
44: Temperaturverlauf
46: Temperaturverlauf
48: Temperaturverlauf
50: thermisches Ersatzschaltkreismodell
C1 bis C8: Parameter der Berechnungsformel
TDC-, TDC+, TAC L1, TAC L2: gemessene Temperaturen
TDC- Schätzung, TDC+ Schätzung, TAC L1 Schätzung, TAC L2 Schätzung: geschätzte Temperaturen

Claims

Verfahren zur Temperaturermittlung bei einer Ladedose (10) eines Elektrofahrzeugs, die Gleichstromkontakte (14) zum Laden des Elektrofahrzeugs und elektrisch von diesen getrennte Wechselstromkontakte (12) zum Laden des Elektrofahrzeugs sowie jeweilige den Gleichstromkontakten (14) und den Wechselstrom kontakten (12) zugeordnete und von diesen beabstandete Temperatursensoren (13, 16) zum Messen der jeweiligen Temperaturen der Kontakte (12, 14) aufweist, umfassend folgende Schritte: - Messen jeweiliger Temperaturen (T_DC-, T_DC-, T_{AC L1}, T_{AC L2}) mittels der den Gleichstromkontakten (14) und den Wechselstromkontakten (12) zugeordneten Temperatursensoren (13, 16) während das Elektrofahrzeug über die Gleichstromkontakte (14) oder über die Wechselstromkontakte (12) geladen wird; - Bereitstellen eines thermodynamischen Modells (34) der Ladedose (10), das eine thermische Kopplung zwischen den Temperatursensoren (13, 16) abbildet und in Abhängigkeit davon Schätzwerte (T_{DC- Schätzung}, T_{DC- Schätzung}, T_AC _{L1 Schätzung}, T_{AC L2 Schätzung}) für die Temperaturen der jeweiligen Kontakte (12, 14) bereitstellt; - Ermitteln eines Schätzwertes (T_{DC- Schätzung}, T_{DC- Schätzung}, T_{AC L1 Schätzung}, T_{AC L2} _Schätzung) für die Temperatur von zumindest einem der Gleichstromkontakte (14) oder von zumindest einem der Wechselstrom kontakte (14), indem die gemessenen Temperaturen (T_DC-, T_DC+, T_{AC L1}, T_{AC L2}) in das thermodynamische Modell (34) der Ladedose (10) eingegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Schätzwert (T_{DC- Schätzung}, T_{DC+ Schätzung}, T_{AC L1 Schätzung}, T_{AC L2} _Schätzung) für die Temperatur von zumindest einem der Gleichstromkontakte (14) oder von zumindest einem der Wechselstrom kontakte (14), eine Stromstärke während des Ladevorgangs geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermodynamische Modell (34) der Ladedose (10) die Wärmeleitung zwischen den Temperatursensoren (13, 16) und den Kontakten (12, 14) berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermodynamische Modell (34) der Ladedose (10) in Form eines empirischen Modells bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das empirische Modell die Schätzwerte (T_{DC- Schätzung}, T_{DC+Schätzung}, T_{AC L1 Schätzung}, T_{AC L2} _Schätzung) für die Temperaturen der Kontakte (12, 14) durch jeweilige Berechnungsformeln ermittelt, welche die gemessenen Temperaturen (T_DC-, T_DC+, T_{AC L1}, T_{AC L2}) und zeitlichen Ableitungen der gemessenen Temperaturen (T_DC-, T_DC-, T_{AC L1}, T_{AC L2}), jeweils multipliziert mit einem Parameter (C₁, C₂, C₃, C₄, C₅, C₆, C₇, C₈), umfassen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter (C₁, C₂, C₃, C₄, C₅, C₆, C₇, C₈) mithilfe eines Kurvenfitting-Algorithmus bestimmt werden, wobei mittels an den Kontakten (12, 14) direkt angebrachten Referenzsensoren die tatsächlichen Temperaturen der Kontakte (12, 14) gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzsensoren flexible Foliensensoren verwendet werden, welche flächig auf die Oberflächen der Kontakte (12, 14) aufgeklebt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das thermodynamische Modell (34) der Ladedose (10) in Form eines physikalischen Modells bereitgestellt wird, welches die Wärmeleitpfade zwischen den Temperatursensoren (13, 16) und den Kontakten (12, 14) mithilfe eines thermischen Ersatzschaltkreismodells (50) der Ladedose (10) abbildet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im thermischen Ersatzschaltkreismodell (50) die Kontakte (12, 14), die Temperatursensoren (13, 16) und eine Leiterplatte (18), auf der die Temperatursensoren (13, 16) angeordnet sind, durch jeweilige thermische Massen approximiert werden, die durch thermische Widerstände miteinander verkettet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im thermischen Ersatzschaltkreismodell (50) jeweilige Wärmeströme zu den Kontakten (12, 14) in Abhängigkeit von jeweiligen Temperaturgradienten vorgegebenen werden, die sich aus den gemessenen Temperaturen (T_DC-, T_DC+, T_AC _L1, T_{AC L2}) ergeben.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeströme zu den Kontakten (12, 14) um jeweilige konstante Faktoren verstärkt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Ersatzschaltkreismodell (50) in Abhängigkeit von der Geometrie der Ladedose (10), von Materialkennwerten der Ladedose (10) und/oder anhand eines Versuchsaufbaus ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detaillierungsgrad des thermischen Ersatzschaltkreismodells (50) und eine Zeitschrittweite so eingestellt werden, dass eine Datenverarbeitungseinrichtung (38) die Ermittlung des Schätzwertes (T_{DC- Schätzung}, T_{DC+ Schätzung}, T_{AC L1 Schätzung}, T_{AC L2} _Schätzung) für die Temperatur von zumindest einem der Gleichstromkontakte (14) oder von zumindest einem der Wechselstrom kontakte (12) in Echtzeit ermitteln kann.
Ladedose (10) für ein Elektrofahrzeug, umfassend - Gleichstromkontakte (14) zum Laden des Elektrofahrzeugs und elektrisch von diesen getrennte Wechselstrom kontakte (12) zum Laden des Elektrofahrzeugs; - jeweilige den Gleichstromkontakten (14) und den Wechselstromkontakten (12) zugeordnete und von diesen beabstandete Temperatursensoren (13, 16) zum Messen der jeweiligen Temperaturen der Kontakte (12, 14); - eine Datenverarbeitungseinrichtung (38), welche dazu eingerichtet ist, basierend auf einem thermodynamischen Modell (34) der Ladedose (10), das eine thermische Kopplung zwischen den Temperatursensoren (13, 16) abbildet und in Abhängigkeit davon Schätzwerte (T_{DC- Schätzung}, T_{DC+ Schätzung}, T_{AC L1} Schätzung, T_{AC L2 Schätzung}) für die Temperaturen der jeweiligen Kontakte (12, 14) bereitstellt, einen Schätzwert (T_{DC- Schätzung}, T_{DC+ Schätzung}, T_{AC L1 Schätzung}, T_{AC L2 Schätzung}) für die Temperatur von zumindest einem der Gleichstromkontakte (14) oder von zumindest einem der Wechselstromkontakte (12) zu ermitteln, wenn die mittels der Temperatursensoren (13, 16) gemessenen Temperaturen (T_DC-, T_DC+, T_{AC L1}, T_{AC L2}) in das thermodynamische Modell (34) der Ladedose (10) eingegeben werden.
Ladedose (10) nach Anspruch 14, bei welcher eine wärmeleitende Verbindung zwischen den Temperatursensoren (13, 16) über Kupferleitungen, Wärmeleitpaste und/oder eine Leiterplatte (18) hergestellt ist.