DE10158062A1

DE10158062A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden von Batterien mit reduzierten Überladeniveaus

Info

Publication number: DE10158062A1
Application number: DE10158062A
Authority: DE
Inventors: Wellington Y Kwok
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2002-07-25
Anticipated expiration: 2021-11-28
Also published as: US6456042B1; DE10158062B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Batterieladeverfahren und zugehörige Ladegeräte (70), die in der Lage sind, eine Batterie (72) schnell aufzuladen, während sie reduzierten Überladeniveaus ausgesetzt wird. Die beschriebenen Verfahren sind in der Lage, in zahlreichen Batterieladesystemen für Batterien benutzt zu werden, die einen Bereich von chemischen Eigenschaften überspannen, wie beispielsweise Blei-Säure-, auf Nickel beruhende und auf Lithium beruhende Batterien. Bei der Detektion eines Überladebeginns während des Ladeprozesses wird eine variable Spannungsobergrenze auferlegt (V¶LID¶ = upsilon(PHI)+betalog phi + kappaphi), die die maximale Spannung, die an die Batterie (72) angelegt werden kann, als eine Funktion einer Ladeakzeptanz reduziert, die typischerweise durch eine Berechnung, die auf dem Ladezustand beruht, abgeschätzt wird. Zusätzlich kann die Spannungsobergrenze mit abgestuften Spannungsobergrenzen angenähert werden, die von dem Ladeakzeptanzniveau in der Batterie abhängen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Batterieladegeräte und im Besonderen ein Verfahren zum Laden von Batterien, das eine variable Spannungsobergrenze benutzt, die von dem abgeschätzten Ladeakzep tanzniveau abhängt, um dadurch ein Überladen der Batterie zu verhin dern, wenn sie sich ihrem voll geladenen Zustand nähert.

Das Verfahren, durch das eine Batterie geladen wird, bestimmt die relative nutzbare Kapazität dieser Batterie und bis zu einem großen Maße die Lebensdauer, die von der Batterie erwartet werden kann. Ein unzurei chendes Laden einer Batterie führt notwendigerweise zur Verringerung der Batteriekapazität, wobei die verfügbaren Amperestunden unter Berück sichtigung des Gewichtes, der Größe und der Kosten der Batterie unan gemessen sind. Im Gegensatz dazu führt ein Überladen einer Batterie zu einer Verringerung der Lebensdauer der Batteriezellen. Das Bestimmen einer passenden Laderate für jede Batterie wird durch die Tatsache ver kompliziert, dass eine vollständig verarmte Batterie eine höhere Laderate akzeptieren kann, als eine Batterie, die sich einem voll geladenen Zustand nähert, wodurch Batterien typischerweise mit einer variablen Rate geladen werden. Leider wird die Situation weiter durch die Tatsache verkompli ziert, dass, wenn sich die Batterie einem voll geladenen Zustand nähert, die Ladeakzeptanz abfällt und die Ladespannung ansteigt, so dass ein Überladepotential geschaffen wird, das schädliche Auswirkungen auf die Batterie erzeugt.

Es sind zahlreiche Ladeverfahren entwickelt worden, um dadurch eine Laderate zu schaffen, die die Batterie vollständig laden kann, während ein begrenztes Ausmaß an Überladen eingeleitet wird. Beispielsweise erzeugen Konstantstrom-Ladegeräte typischerweise einen konstanten Ladestrom, der innerhalb einer begrenzten Spannung gehalten wird, so dass der Strom abfällt, wenn sich die Batterie der oberen Spannungsgrenze des Ladegerätausganges nähert. Fig. 1 zeigt eine zu ladende Batterie 10, wobei eine Batterie 12 mit einer Spannungsquelle 14 mit einer oberen Grenze V_MAX verbunden ist, die einen konstanten Strom durch einen Konstant stromregler 16 treibt, um einen Ladestrom zu liefern. Das in Fig. 1 veran schaulichte Ladegerät ist ein typisches Beispiel eines CI/CV-Ladegerätes, das in einer Vielfalt von Anwendungen benutzt wird, bei denen es einen konstanten Strom zuführt, der durch eine konstante obere Spannungs grenze begrenzt ist.

Fahrzeuge wenden oft CI/CV-Ladesysteme an, die typischerweise derart entworfen sind, dass sie die Lebensdauer maximieren, indem der Batterie ladezustand (state of charge = SOC) auf einem mäßigen Niveau gehalten wird, um die nachteiligen Überladewirkungen zu reduzieren. In der Litera tur und der Praxis des Batterieladens liefert eine Anzahl von Algorithmen, die das Batterieladen betreffen, Kompromisse zwischen Lebensdauer und Leistungsvermögen. Ein gemeinsamer Ansatz ist es, die Batterie jederzeit auf einem Nennniveau eines Ladezustandes (SOC) von ungefähr 80% zu halten, so dass das Fahrzeugenergiesystem innerhalb eines schmalen SOC-Bereiches von ungefähr 70% bis 90% arbeitet. Jedoch ist es im Hinblick auf die Anforderungen, die Energiedichte zu erhöhen, vernünftig, zu versuchen, das SOC-Betriebsfenster und die Ausnutzung der Batterie zu maximieren.

Es gibt zahlreiche Missverständnisse hinsichtlich des Batterieladens, die bei typischen Batterieladesystemen verbreitet worden sind. Ein Anwen dungsingenieur kann die Frage stellen: "Bei welcher Spannung sollte eine besondere Batterie geladen werden?" Die Frage ist in Verbindung mit Fig. 1 verständlich, jedoch leitet sie fehl, wie viele ähnliche Fragen, und führt nicht in die Richtung einer Herstellung von Mechanismen zum passenden Laden. Um die Ladegerätkonstruktionstechnik in Richtung einer maxima len Batterieausnutzung voranzubringen, ist eine erneute Untersuchung der zugrunde liegenden Ladekonzepte erforderlich. In einem engen Sinn betrachtet, kann eine Batterie nicht durch eine "Konstantspannungs"-Quelle geladen werden, da es der begleitende Ladestrom ist, der der Trieb kraft der Spannung zugeordnet ist, der es erzwingt, dass ein Energiespei chern in der Batterie auftritt. Die "Konstantspannung" ist richtiger die obere Grenze der Ladespannung, die während des Ladens nicht über schritten wird. Es ist festzustellen, dass ein Laden mit einer "konstanten Spannung" unrealistische Ladestromniveaus in eine verarmte Batterie hinein drücken würde.

Es ist vorteilhaft, die Faktoren zu verstehen, die mit einer zu ladenden Batterie in Beziehung stehen. Während ein Laden durchgeführt wird, ist die an den Klemmen der Batterien zu sehende Spannung im Wesentlichen die Summe von drei Komponenten, die dargestellt werden können als:

Gemessene Spannung = Gleichgewichtsspannung + Polarisationsspannung + ohmscher Spannungsabfall (1)

wobei die Gleichgewichtsspannung gewöhnlich als die Leerlauf-Batterie spannung V_OC bezeichnet wird; die Polarisationsspannung die kombinier ten Effekte von Konzentration und Ionen/Ladungs-Transfer beschreibt; während der ohmsche Spannungsabfall der Spannungsabfall ist, der zu dem ohmschen Widerstand bei dem gegebenen Ladestrom gehört. Im Gegensatz zu typischen elektrischen Bauteilen ist eine Batterie eine Ener giespeichereinrichtung; die elektrische Energie gemäß einem internen elektrochemischen Gleichgewicht absorbiert und liefert, welches eine zugehörige Reaktionsspannung besitzt, die eine dynamische Reflexion der "Triebkraft"-Funktion ist und stark von der vergangenen Betriebsgeschich te oder Veränderungen im Laufe der Zeit, die die Batterie erfährt, abhängt.

Fig. 2 zeigt grundlegende Ladeeffekte, wobei das Batteriespannungsprofil als eine Funktion des Ladezustandes (SOC) für eine Reihe von Ladeströ men 20b bis 20f in Bezug auf eine Gleichgewichtsspannung 20a gezeigt ist. Die Gleichgewichtsspannung 20a ist die Spannung, die über die im Leerlauf befindliche Batterie an diesem Punkt im Ladezyklus gemessen werden würde, wie er durch die Spannungskurve dargestellt ist, wenn der angelegte Ladestrom unterbrochen oder getrennt und ein Gleichgewicht hergestellt werden würde. Der Batterieladestrom wird oft als ein Verhält nis, C-Rate, ausgedrückt, dass das Verhältnis des Ladestroms zur Nenn batteriekapazität, I/Q_N ausdrückt, so dass die Laderate unabhängig von der Batteriekapazität ausgedrückt werden kann. Die Ladestromkurven 20b bis 20f kennzeichnen zunehmende Niveaus eines Ladestroms, der an die Batterie angelegt wird, mit 20b bei einer 0,05C-Rate, 20c bei einer 0,10C-Rate, 20d bei einer 0,33C-Rate, 20e bei einer 0,67C-Rate und 20f bei einer 1C-Rate. Es ist zu sehen, dass während des Ladens die eingelei tete Spannung die Gleichgewichtsspannung 20a übersteigt, wie man es erwarten würde, um Energie in die Batterie hineinzudrücken. Die Kurven zeigen auch, dass, wenn sich die Batterie ihrem voll geladenen Zustand (100% SOC) nähert, die Batteriespannung leichter zunimmt als die Gleichgewichtsspannung, so dass bewirkt wird, dass die Spannungskur ven divergieren. In der Literatur wird die Divergenzeigenschaft der Lade kurve von der Gleichgewichtsspannung gewöhnlich als eine Zunahme des Innenwiderstandes der Batterie als eine Funktion von SOC interpretiert, und einfache Ersatzschaltbilder und mathematische Modelle werden dementsprechend abgeleitet. Jedoch steht die vernunftgemäße Erklärung derartiger Innenwiderstandskonzepte im Widerspruch zu der tatsächli chen chemischen und elektrochemischen Natur einer Batterie. Wenn aktive Materialien aus Bleisulfat, PbSO₄, (Isolator) im entladenen Zustand in beiden Elektroden in Bleidioxid PbO₂, (1,2 × 10^-6 bis 2 × 10^-5 Ω/m) in der positiven Elektrode und metallisches Blei Pb (10^-7 Ω/m) in der negati ven Elektrode umgewandelt werden, nimmt der Gesamtzellenwiderstand eher ab als zu. Die damit einhergehende Zunahme der Schwefelsäurekon zentration, die das Laden begleitet, bewirkt im Allgemeinen eine minimale Zunahme (weniger als 10%) der Leitfähigkeit des Elektrolytes. Die Elekt rolytkonzentration liegt typischerweise im Bereich von 1,250 bis 1,280 kg/L. Außerdem sind Änderungen des Widerstandes von Metalltei len, z. B. Klemmen, Zellenverbindungen, Ansätzen, während eines einzigen Ladezyklusses vernachlässigbar, so dass der ohmsche Widerstand in großem Maße unverändert ist. Schließlich ist festzustellen, dass Tempera turzunahmen, die durch eine ohmsche und joulesche Erwärmung hervor gerufen werden, zu weiteren Abnahmen des ohmschen Widerstandes innerhalb der Batterie führen.

Es ist daher festzustellen, dass das Konzept des zunehmenden Innenwi derstandes aufgrund des Ladens der Batterie irreführend ist, da Wider standsniveaus in der Batterie nicht wesentlich zunehmen, wenn der Lade zustand zunimmt. In Wirklichkeit wird die Abnahme der Ladeakzeptanz vorwiegend durch eine physikalische Blockade des Massentransfers infol ge des Einfangens von Gas bewirkt. Mathematisch ist es der Scheinwider stand (ΔV/I), der tatsächlich erhöht wird, wenn die Batterie wiederaufge laden wird, jedoch erfolgt die Zunahme nicht aufgrund einer Zunahme des elektrischen Widerstandes.

Ein konstanter Spannungsabfall, der durch die physikalische Blockade bewirkt wird, begleitet jedes besondere Niveau von akzeptiertem Lade strom und wird als "Polarisationsspannungseffekt" bezeichnet. Die kombi nierte Polarisationsspannung kann durch eine vereinfachte Tafel-Korre lation ausgedrückt werden, die die Polarisations- und ohmschen Effekte zusammenfasst:

η = α + βlog(ϕ) + κϕ (2)

wobei η die kombinierte Polarisationsspannung ist, α und β die Tafel- Koeffizienten sind, κ der charakteristische Widerstand ist, und ϕ der äquivalente Ladestrom in Bezug auf die Batteriekapazität ist. Diese Korre lation ist typischerweise für Fälle eines Ladens bei niedrigen bis mäßigen SOC-Niveaus gültig, die keine Überladeeffekte zeigen, während mit einem konstanten Strom unter einer 4C-Laderate geladen wird, und ist typisch für den Großteil von Blei-Säure-Batterien (Bleibatterien). Wenn sich der Ladestrom Null nähert, wird die mathematische Korrelation aufgrund der Anwesenheit des logarithmischen Ausdruckes ungültig. In der Praxis kann dieses Phänomen beschrieben werden als ein minimaler Betrag (oder Ausbeute) von eingegebener Energie, die erforderlich ist, um die Oberflä chenschicht zu polarisieren oder aufzuladen und somit den Prozess der Materialumwandlung einzuleiten.

Wenn sich eine Batterie einem voll geladenen Zustand (100% SOC) nä hert, zeigt das Spannungsprofil eine typische Eigenschaft einer scharfen Spannungszunahme. An diesem Punkt ist der Hauptteil von aktiven Mate rialien umgewandelt worden. Der überschüssige Ladestrom wird umge lenkt, so dass Überladungsreaktionen bewirkt werden, die durch elektro chemisches Dissoziieren der Wassermoleküle zur Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff führen, was als "Gasblasenbildung" oder "Ausgasen" be kannt ist. Eine Zunahme der gemessenen Batteriespannung wird durch den Wasserdissoziationsprozess eingeleitet. Fig. 3 ist eine Darstellung eines typischen Ladespannungsprofils, das eine einzige Konstantstrom- Ladezykluskurve 22 zusammen mit einen Bestandteil bildenden Span nungsbeiträgen. Die Batteriegleichgewichtsspannung 24 folgt der glatten Kurve, wobei sie sich bei 100% SOC einem flachen oder annähernd fla chen Bereich der Kurve nähert. Das Laden der Batterie induziert eine chemische Polarisationsspannung 26, während der Stromfluss durch den festen Batteriewiderstand zu einem ohmschen Spannungsabfall 28 führt, der auch zur Gesamtladespannung beiträgt. Die gemessene Spannung folgt im Allgemeinen einer Tafel-Beziehung bis zum Gasblasenbildungs punkt, der typischerweise zwischen 50% und 80% SOC für die vorste henden Laderaten auftritt. Es ist festzustellen, dass der Spannungsabfall aufgrund des ohmschen Widerstandes im Hinblick auf jedes spezifische Ladestromniveau relativ konstant bleibt. Eine plötzliche Zunahme der gemessenen Spannung wird innerhalb der oberen Spannungskurve 22 gezeigt, die zu einem "Überladepotential" 30 führt, das an die Batterie angelegt wird, was typischerweise in Verbindung mit einer entsprechen den Abnahme der Ladeakzeptanz aufgrund der Verarmung von aktiven Reaktionsstellen und der physikalischen Blockade der Säurediffusion durch die Produktion von Gasblasen auftritt. Wenn das Überladepotential zunimmt, nimmt der effektive Ladestrom ab, der eine chemische und ionische Polarisierung an der Oberfläche der Elektroden einleitet. Die Batterieladeenergie wird vorwiegend durch die Überladereaktionen anstel le durch elektrochemische Umwandlung verbraucht.

Fig. 4 stellt Spannungen, die für verschiedene Ladeströme gezeigt sind, als eine Funktion des Ladezustandes (SOC) für eine typische Batterie dar, die mittels eines Konstantstrom/Konstantspannungs-Ladeverfahrens (CI/CV- Ladeverfahrens) geladen wird. Die Kurven "A", "B" bzw. "C" sind jeweils eine hohe, mittlere und niedrige Laderate. Die gestrichelten Linien 32, 34, 36, die rechts von den Kurven A, B und C beginnen, stellen feste Span nungspegel dar, auf die ein CI/CV-Ladegerät begrenzt ist. Fig. 5 veran schaulicht ein Beispiel eines CI/CV-Ladens, wobei die Kurve "A" von Fig. 4 durch den mittleren Spannungspegel 34 begrenzt ist. Die einen Bestand teil bildenden Spannungen gehören zu der Hochstrom-Ladekurve "A" von Fig. 4, wobei die Ladespannung von Kurve "A" bis zu der mittleren Span nungsgrenze 34 ansteigt und durch diese begrenzt ist. Die einen Bestand teil bildenden ohmscher Spannungsabfall 38 und Polarisationsspan nungsabfall 40 sind zur Gleichgewichtsspannung 42 der Batterie kumu lierend gezeigt. Es ist festzustellen, dass, obwohl der Ladestrom durch die mittlere Spannungsgrenze 34 begrenzt ist, es dennoch ein beträchtliches Niveau an Überladepotential 44 gibt, das nachteilige Ausgasungseffekte begünstigt. Wenn der Ladestrom infolge eines durch die Ladespannungs grenze 34 begrenzten Stromes abnimmt, nehmen dementsprechend so wohl die ohmschen als auch Polarisationsspannungen ab, so dass der Batterie ein zunehmender Überladestrom geliefert werden muss, um eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten. Wenn das zugeführte Anfangs ladestromniveau erhöht würde, würde dies eine frühe Spannungsregelung bei niedrigeren Werten für SOC herbeiführen als sie in einem Ladeschritt mit langsamem CV resultieren würde, der ein Ladezeitprofil mit einer übermäßig langen hinteren Flanke besitzt. Eine frühe SOC-Regelung ist das typische Verfahren, das auf das Laden von auf Lithium beruhenden Batterien angewandt wird. Die Ladespannung ist auf die Gleichgewichts spannung einer vollständig aufgeladenen Batterie eingestellt, um jeden Überladebetrag zu vermeiden, jedoch fehlt infolge dessen der Batterie dann ein ausreichendes Spannungspotential, um schnell geladen zu werden oder einen Ladezustand von 100% zu erreichen.

Um die erforderliche Ladezeitdauer zu reduzieren, benutzte eine Anzahl von Konstruktionen Algorithmen, die eine sogenannte charakteristische Spannungsgrenze bestimmen, die angewandt wird, um einen Konstant spannungs-Ladestrom zu erzeugen, wenn die Ladespannung diese obere Spannungsgrenze erreicht. Fig. 6 veranschaulicht diesen Ansatz, wobei das mittlere Stromladeprofil "B", wie es in Fig. 4 dargestellt ist, durch den gleichen mittleren Spannungsschwellenwert 34 begrenzt ist, um das Überladepotential 46, das in Fig. 6 gezeigt ist, zu reduzieren. Beim Verfol gen der beschriebenen Lehren dieser Konstruktionen wird es deutlich, dass ein schnelles Laden nur auf Kosten des Opferns der Batterielebens dauer aufgrund der hohen Niveaus eines damit einhergehenden Überlade potentials erzielt werden kann. Das Einstellen der Spannungsgrenze führt charakteristischerweise zu einem Ausgleich zwischen Überladen und Ladezeit. Trotz der vorstehenden Nachteile der festspannungsbegrenzten Konstruktionen werden diese Konstruktionen in den üblichen Ladeverfah ren ausgeführt, die auf das Laden der meisten Batterien, insbesondere Blei-Säure und auf Nickel beruhende Batterien, angewandt werden.

Fig. 7 stellt die Niedrigstrom-Ladekurve "C" dar, wobei der mittlere Span nungsladeschwellenwert 34 niemals erreicht wird, und die Batterie dem vollen Überladepotential 48 ausgesetzt wird. Dieses Regelungsverfahren ist in Ladegerätkonstruktionen eingesetzt worden, wie beispielsweise jene, die negative Delta-V-Messungen innerhalb abgedichteter Blei-Säure- und Metallhydrid-Batterien anwenden. Die Spannungsgrenze innerhalb dieser Konstruktionen sorgt für ein Mittel zum Detektieren fehlerhafter Hoch strom-Lade- oder Weglaufbedingungen, begrenzt aber nicht das Überla den, das aus dem normalen Betrieb heraus auftritt.

Wie es oben gezeigt wurde, ist das Überladen einer Batterie ein unver meidbares Ergebnis des Anwendens eines Konstantspannungs-Lade schrittes. Diese einfachen Darstellungen haben zusätzlich gezeigt, dass (1) es sinnlos ist, eine "Ladespannung" festzulegen, da ein CV-Laden und/oder Überladen bei jeder SOC, nur abhängig von dem angelegten Strom, auftreten kann; und (2) eine hohe Ladespannung die Effektivität des Ladens der Batterie nicht verbessert (und nicht verbessern wird) sondern nur eine vollständigere Ladungsrückführung mittels eines zu starken Überladens liefert.

Es ist festzustellen, dass in jedem Fall von Spannungsbegrenzungen, die dem Ladestrom auferlegt werden, es ein merkliches Niveau von uner wünschtem Überladen der Batterie gab. Wenn man die Verwendung der hohen Grenze 32 oder der niedrigen Grenze 36 erwägt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, ist zu verstehen, dass jede dieser Grenzen zu entweder einem Überladen der Batterie oder einem Einschränken der Batterie, den vollen Ladezustand zu erreichen oder schnell zu erreichen, führt. Es ist festzu stellen, dass daher das Festlegen einer "Ladespannung", wie es oben veranschaulicht wurde, nicht die Probleme von langsamen Laderaten oder die damit einhergehende Batteriebeschädigung, die durch Überladepoten tiale bewirkt wird, lindert, während ein Erhöhen des Spannungsschwel lenwertes das Laden nur beschleunigen kann, indem erhöhte Überladepo tentiale eingeleitet werden.

Fig. 8 veranschaulicht den hypothetischen Fall eines Ladens einer Batterie in einem wahren Konstantspannungs-Ladeprozess. Während der Anfangs stufen des Ladens versucht die feste Ladespannung 50 des Ladegeräts, einen unbegrenzten Betrag eines elektrischen Stromes oder von Elektro nen in die Batterie hineinzutreiben, was eine schnelle Bewegung von Ionensorten in Richtung der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche erzwingt. Der ohmsche Spannungsabfall 54, der Polarisationsspannungsabfall 56 und das Überladepotential 58 umfassen den Spannungsabfall zwischen der Gleichgewichtsspannung 52 und der Ladespannung 50. Wenn sich die Materialumwandlung in der Nähe der Elektrolyt-Grenzfläche einer Sätti gung nähert, nimmt die Batterieladeakzeptanz aufgrund des Mangels einer chemischen (oder ionischen) und Massetransfer-Triebkraft drastisch ab. Somit fällt der Ladestrom schnell auf ein niedriges Niveau ab (das jedoch ausreichend hoch ist, um eine konstante Spannung aufrechtzuer halten), wobei ein großer Teil der eingegebenen Energie vergeudet wird, und nur dazu dient, die Überladereaktionen zu fördern.

Es ist auch festzustellen, dass typische Fahrzeugladesysteme auf eine ähnliche Weise wie ein CI/CV-Ladesystem arbeiten, mit der Ausnahme, dass der Ladestrom in der CI-Phase durch den maximalen Energie- bzw. Stromausgang des Generators begrenzt ist. Statt einer CI-Phase wird ein schnell abnehmendes Eingangsstromprofil beobachtet, wenn die Batterie spannung zunimmt, d. h. V × I = konstant, was oft als CV-Laden allein missverstanden wird.

Zum Laden von Batterien wird oft ein Stufenstromladeverfahren ange wandt, das eine Relaxation des Aufbaus von Überladegasen fördert, um einen erhöhten Ladewirkungsgrad bereitzustellen. Ein Stufenstromladege rät ist beispielhaft ausgeführt in US-Patent Nr. 5 561 360, das am 1. Oktober 1996 veröffentlicht wurde, von Ayres et al., das hierin durch Bezugnahme in seinem Offenbarungsgehalt mit eingeschlossen ist. Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm 60 von einem typischen Ladegerät, das einen Controller anwendet. Eine Batterie 62 wird durch eine programmierbare Stromquelle 64 in einer Betriebsart mit abgestuftem Strom geladen, die durch einen Controller 66 gesteuert wird, der eine auf V_MAX eingestellte Spannungsgrenze anwendet. Die Spannungsgrenze wird nach oben ska liert, wenn die Ladeakzeptanz der Batterie abnimmt, so dass die Triebkraft (Überspannung) erhöht wird, um den Energieeingang zu unterstützen. Graphen für diese Art eines Ladens sind in den Fig. 10 und 11 gezeigt. Die Spannung, der Strom und die Gasströmung, die durch dieses Verfahren während des Ladens erzeugt werden, sind in Fig. 10 mit der zugehörigen angelegten Spannung als eine Funktion des Ladezustandes, der in Fig. 11 gezeigt ist, dargestellt. Es ist festzustellen, dass das Verfahren hohe Über ladeniveaus in der Batterie erzeugt. Der maximale Ladestrom, der für diese Ladeart typisch ist, beträgt ungefähr C/3 (C = Batteriekapazität in Amperestunden), was zu einem vernünftigen Leistungsvermögen mit einem Überladen von ungefähr 105-125% führt, wobei das Überladen als ein Verhältnis von eingegebener Amperestundenkapazität zur Gesamt entladungs-Amperestundenkapazität festgelegt ist (100% Entladungstiefe des vorhergehenden Entladezyklus). Das Überladeverhältnis wird oft in der Industrie unter Verwendung der Nennkapazität der Testbatterie als der Nenner bewertet. Beispielsweise kann für eine 50-Ah-Batterie eine vollständig entladene Batterie wiederaufgeladen werden, indem der Batte rie ungefähr 62,5 Ah (Überladeverhältnis von 125%) zurückgeführt wer den, wobei die zurückgeführte Amperestundenkapazität oft als eine Been digungseinstellung für die Amperestundenintegration verwendet wird. Wie es in Fig. 10 veranschaulicht ist, wird das Überladen während der anfäng lichen Hochstromstufe wesentlich reduziert, wobei jedoch ein kontinuierli ches und fortschreitend zunehmendes Überladen notwendig ist, um die Batteriespannung dazu zu zwingen, die erhöhten Spannungspegel zu erreichen und die anschließenden Stromregelungsstufen zu bewirken. Wenn der Ladestrom auf sehr niedrige Niveaus abnimmt (z. B. wie durch die letzten beiden Stromstufen in Fig. 11 angegeben), ist die Batteriespan nung nicht in der Lage, die erforderliche Spannungsgrenze zu erreichen, was es notwendig macht, dass die Ladeprozedur zusätzlich eine auf Zeit beruhende oder auf Amperestunden beruhende Begrenzung auferlegt, wie es in Fig. 10 veranschaulicht ist. Es ist festzustellen, dass das Ladegerät vorteilhafte Verringerungen des Ausgasens bei niedrigen Laderaten liefert, jedoch sind die mäßigen Niveaus eines Ausgasens, die dennoch verblei ben, und die zusätzlichen Grenzen der Zeit und/oder der Amperestunden, die auferlegt werden müssen, wesentliche Beeinträchtigungen für die Anwendbarkeit des Ansatzes.

Deshalb gibt es einen Bedarf für ein Verfahren zum Laden einer Batterie, das keinen Gewinn-Verlust-Ausgleich zwischen einem Überladen und einer Ladezeit erfordert. Die für die vorliegende Erindung beschriebenen Verfahren kommen diesem Bedarf sowie weiteren nach, während sie die Mängel, die früheren Ladeverfahren eigen sind, beseitigen.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Batterieladeverfahren bereit, das dafür geeignet ist, jedes Batteriesystem schnell von einem beliebigen niedrigen Ladezustand aus aufzuladen, während ein Überladen minimiert wird, wenn der SOC in Richtung eines vollen Ladezustandes fortschreitet. Ein großer nachteiliger Effekt eines Überladens und von Nebenreaktionen ist eine Verschlechterung der Lebensdauer für die Batterie infolge von Ände rungen, die beispielhaft durch Wasserverlust und das Verlieren von akti vem Material ausgeführt sind. Das Ladeverfahren umfasst eine Technik, die auf der makroskopischen Beziehung von elektrischem und elektro chemischem Verhalten einer zu ladenden Batterie beruht, das zur Ver wendung mit dem Laden einer Vielfalt von Batterien, insbesondere Blei- Säure-Batterien, geeignet ist, und in einer Vielfalt von Ladesystemen angewandt werden kann, wie beispielsweise Ladegeräte, die ähnlich dem in Fig. 9 dargestellten sind.

Das Ladeverfahren bestimmt eine Ortskurve einer optimalen variablen Ladespannungsobergrenze, die auf der Ladeakzeptanzfähigkeit der Batte rie beruht, die im Allgemeinen einer abnehmenden Kurve folgt, die dem tatsächlichen Ladezustand (SOC) in der Batterie zu jedem Zeitpunkt zugeordnet werden kann. Die optimale variable Ladespannungsobergrenze kann alternativ angenähert werden, durch entweder eine ähnlich gestalte te Beziehung oder als eine Reihe von heruntergestuften Spannungsgren zen, die sich der Form der Kurve der variablen Ladespannungsobergrenze annähert. Der erforderliche Anpassungsgrad wird durch das in einer besonderen Anwendung zulässige Überladeniveau bestimmt. Die variable Spannungsobergrenze beginnt, wenn sich die Batterie einem vollen Lade zustand nähert, und sie liefert eine Abschwächung des angelegten Stro mes, die ein schnelles Batterieladen ohne die hohen Überladepotentiale vereinfacht, die für CI- und CI/CV-Batterieladeansätze gekennzeichnet sind. Das Batterieladeverfahren der vorliegenden Erindung ist zum Laden von Batterien mit verschiedenen chemischen Eigenschaften geeignet, wie beispielsweise Blei-Säure-, auf Nickel beruhende (d. h. Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-) und auf Lithium beruhende Batterien.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Laden von Batterien zu schaffen, das die Batterien keinen hohen Überladepotentialen aussetzt.

Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, ein Ladeverfahren bereitzustellen, das zum schnellen Laden von Batterien ohne eine damit einhergehende Beschädigung derselben benutzt werden kann.

Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, ein Ladeverfahren bereitzustellen, das leicht und mit niedrigen Kosten in einer Vielfalt von Ladesystemen eingesetzt werden kann.

Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, ein Ladeverfahren zu schaffen, das effizient in einer Umgebung mit einem stark dynamischen Ladezustand arbeitet, wobei die Batterie zwischen Entladen und Wiederaufladen schwankt.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden in den folgenden Teilen der Beschreibung hervorgebracht werden, wobei die detaillierte Beschrei bung zum Zweck einer vollständigen Offenbarung von bevorzugten Aus führungsformen der Erfindung dient, ohne dieser Beschränkungen aufzu erlegen.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in diesen ist:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schema einer Batterie, die durch ein CI/CV-Ladegerät geladen wird,

Fig. 2 ein Graph von Ladespannungskurven in Relation zum Ladezustand für eine Reihe von Ladestromraten,

Fig. 3 ein Graph einer Ladespannung in Relation zum Ladezu stand für einen spezifischen Ladestrom, der die Batterie gleichgewichtsspannung zeigt, worauf die Beiträge von ohmschem Spannungsabfall und Polarisationsspannung dargestellt sind,

Fig. 4 ein Graph von Ladespannungsprofilen in Relation zum Ladezustand für eine Reihe von Ladestromraten, bei dem Ladestromkurven "A", "B" und "C" in Relation zu ausge wählten Festspannungsgrenzschwellenwerten gezeigt sind,

Fig. 5 ein Graph eines Ladespannungsprofils in Relation zum Ladezustand für eine schnell geladene Batterie, die einer Spannungsgrenze ausgesetzt ist, die mit dem Überladebe ginn für diesen Ladestrom zusammenfällt und den angeleg ten Ladestrom abschwächt,

Fig. 6 ein Graph eines Ladespannungsprofils in Relation zum Ladezustand für eine mäßige Laderate, die der Spannungs grenze von Fig. 5 ausgesetzt ist,

Fig. 7 ein Graph einer Ladespannung in Relation zum Ladezu stand für eine niedrige Laderate, die der Spannungsgrenze von Fig. 5 ausgesetzt ist,

Fig. 8 ein Graph von Ladespannungen in Relation zum Ladezu stand für einen hypothetischen Fall eines "wahren" Kon stantspannungs-Ladeverfahrens,

Fig. 9 ein vereinfachtes Schema eines typischen Ladegerätes, das ein Steuerungselement aufweist, wie es für ein Stufen stromladen benutzt wird,

Fig. 10 ein Graph von Spannung, Strom und Gasströmungsrate über die Zeit in einem Stufenstromladesystem,

Fig. 11 ein Graph einer Ladespannung als eine Funktion des Lade zustandes, der zu dem in Fig. 10 gezeigten Stufenstromla den gehört,

Fig. 12 ein Graph von Tafel-Korrelationskurven, die Ladespan nungskurven, die in gestrichelten Linien gezeigt sind, über legt sind,

Fig. 13 ein Graph von optimalen Ladespannungen als eine Funkti on des Ladezustandes, in Relation zu einer Batteriegleich gewichtsspannung gezeigt,

Fig. 14 ein vereinfachtes Schema einer Batterie, die durch ein Ladegerät, das eine variable Spannungsobergrenze auf weist, gemäß der vorliegenden Erfindung geladen wird,

Fig. 15 ein Graph, der die Bestimmung von heruntergestuften Spannungsobergrenzen gemäß einem Aspekt der vorliegen den Erfindung veranschaulicht,

Fig. 16 ein Graph, der die Bestimmung des Überladebeginns für eine Reihe von Ladestromniveaus gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,

Fig. 17 ein Graph einer normierten Gasströmungsrate als eine Funktion eines abgeschätzten Ladezustandes bei einer Rei he von Ladestromniveaus,

Fig. 18 ein Graph von Spannung, Strom und Gasströmungsrate über die Zeit für das Ladeverfahren mit variabler Span nungsobergrenze gemäß einer Ausführungsform der vorlie genden Erfindung, und

Fig. 19 ein Graph einer Ladespannung als eine Funktion des Lade zustandes, der zu dem Mehrfach-Spannungsobergrenzen laden gehört, das in Fig. 18 gezeigt ist.

Die vorliegende Erfindung ist in den in den Fig. 12 bis 19 allgemein gezeig ten Verfahren und Ladegeräten beispielhaft ausgeführt. Es ist festzustel len, dass die Verfahren hinsichtlich der besonderen Schritte und Abfolge variieren können, und dass die Ladegeräte hinsichtlich der Ausgestaltung und besonderen Bauteile abweichen können, ohne von den hierin offen barten, grundlegenden Konzepten abzuweichen.

Um einen effizienten Lademechanismus bereitzustellen, muss das Ladege rät in der Lage sein, die zugeführte Ladung an die Ladeakzeptanz der Batterie anzupassen, so dass ein vollständiges und schnelles Laden gelie fert wird, während die Batterie einem minimalen Ausmaß an Überladepo tential ausgesetzt wird. Dieses Verfahren weicht daher stark von früheren Verfahren ab, die oft hohe Niveaus eines Überladens unterstützen, um volle Ladeniveaus zu erhalten. Das Folgende beschreibt den Ansatz, der vorgenommen wird, um dieses Niveau eines Ladewirkungsgrads zu erzie len.

Es wird mit einer Beschreibung des Ladeprozesses fortgefahren. Die ge messene Batteriespannung V_BAT, während eines Wiederaufladens kann in mathematischen Ausdrücken für einen gegebenen Ladestrom (oder äqui valenten Strom von ϕ) wie folgt angegeben werden:

V_BAT = V_OC + α + βlog(ϕ) + κϕ (3)

Die Gleichung drückt die Summe der Gleichgewichts- und Polarisations spannungen aus. Genauer ausgedrückt kann die gemessene Batterie spannung bei gegebenen Ladezustand, Strom und Temperatur angenähert werden durch:

V_BAT(ϕ, ϕ, T) = (ϕ) + βlog(ϕ) + κϕ + γ(T) (4)

wobei (ϕ) = V_OC(ϕ) + α die minimale Spannung ist, bei der eine Polarisation (Ausbeute) bei Abwesenheit von irgendeinem dynamischen Effekt auftritt, ϕ in Ausdrücken eines gebrochenen Ladezustandes (0,0 bis 1,0) oder Ladezustandes als ein Prozentsatz (0 bis 100%) angegeben ist, und γ(T) eine Temperaturkompensationsfunktion bei einer Temperatur T ist. Die Funktion von V_BAT kann dann dazu verwendet werden, die Batteriespan nung während eines Ladezyklus mit Ausnahme eines Überladens abzu schätzen, wie es durch die durchgezogenen Linien in Fig. 12 gezeigt ist. Somit ist jede Abweichung von dieser mathematischen Korrelation eine Angabe des Überladebeginns, einer Verringerung der Ladeakzeptanz oder beidem. Während des tatsächlichen Betriebes eines Ladesystems beginnt ein Überladen beim Erreichen einer ausreichenden SOC für einen gegebe nen Strom. Die Überladekurven, die zu jeder Ladekurve gehören, sind in Fig. 12 als gestrichelte Linien gezeigt.

In der Praxis können die empirischen Koeffizienten (d. h. (ϕ) oder α, β, κ und γ) experimentell bewertet werden, indem die Batteriespannung mit verschiedenen Ladeströmen, Eingangskapazitäten und Temperaturen in Korrelation gebracht wird. Die obige mathematische Korrelation gibt da durch an, dass die vier üblichen Variablen, die durch die Spannung, den Strom, den Ladezustand und die Temperatur angegeben sind, auf einzig artige Weise miteinander mit einem einzigen Freiheitsgrad in Beziehung stehen. Ein Beispiel einer Anwendung der Korrelation ist in der Abschät zung eines Batterieladezustandes aus der stetigen Spannung zu finden, die aus einem festen Ladestrom bei einer bekannten Temperatur resul tiert. Der Entladeprozess einer Batterie kann auch ähnlich abgeschätzt werden.

Der Graph in Fig. 12 enthält Kurven, die als durchgezogene Linien gezeigt sind und die Batteriespannung ohne irgendein Überladepotential darstel len, wobei das Laden ausschließlich nach Gleichung (4) fortschreitet. Die Ladeakzeptanzfähigkeit der Batterie nimmt kontinuierlich ab, wenn der Ladezyklus fortschreitet. Die Umwandlung von aktiven Materialien schrei tet während des Ladens mit hohem Strom schnell fort, was in Richtung eines Reduzierens der Ionenkonzentration in der Nähe der Elektro de/Elektrolyt-Grenzfläche mit einer Rate tendiert, die die Rate der Säure diffusion übersteigt, was deshalb allein die Materialumwandlung in der Nähe der Elektrodenoberfläche fördert. In jedem Fall dient der Verlust von aktiven Reaktionsstellen dazu, die eingegebene Energie früher in dem Ladeprozess auf Nebenreaktionen umzulenken, was als prozentualer Wert für den Ladezustand ausgedrückt werden kann. Wenn der Ladestrom reduziert wird, nimmt der Materialumwandlungswirkungsgrad zu, da die elektrochemische Reaktionsrate mit der Rate der Säurediffusion und anderen chemischen Prozessen vergleichbar ist, so dass die Ladeakzep tanzfähigkeit der Batterie verbessert wird.

Der Gesamtladeprozess kann durch Einarbeiten des Überladeeffektes genauer ausgedrückt werden. Die folgende Gleichung nimmt an, dass die Überladereaktion an der Tafel-Korrelation hängt:

V_BAT(ϕ, ϕ, T) = (ϕ) + βlog(ϕ₁) + [ξ + ψlog(ϕ-ϕ₁)] + κϕ + γ(T) (5)

wobei ξ und ψ die neuen Tafel-Koeffizienten sind, ϕ₁ und (ϕ - ϕ₁) die ent sprechenden Strombrüche sind, die verteilt sind auf jeweils die nutzbare Materialumwandlung bzw. Überladereaktion, während das Verhältnis von ϕ₁/ϕ den Ladewirkungsgrad oder die Ladeakzeptanzfähigkeit bestimmt.

Ein optimales Batterieladeverfahren ist deshalb zur Verwendung hierin derart definiert, dass der präzise Betrag an elektrischem Strom geliefert wird, um eine Polarisierung der aktiven Materialien zu erhalten, so dass eine nutzbare Materialumwandlung stattfinden kann, während zusätzlich der ohmsche Widerstand der inaktiven Materialien, wie beispielsweise Leitungsdrähte, Plattenansätze, Klemmenkontakte und Verbindungen, zusammen mit ohmscher oder joulescher Erwärmung überwunden wird. Das optimale Ladeverfahren sollte zusätzlich eine verschwenderische Energiedivergenz beseitigen, beispielsweise die, die die Überladereaktionen ergänzt. Fig. 13 zeigt eine graphische Darstellung dieses optimalen Batte rieladeprozesses, bei dem die Ladeakzeptanzfähigkeit sich bei niedrigen Ladezuständen 100% nähert und im voll geladenen Zustand allmählich auf 0% abnimmt. In der Theorie sollte die Ladeende-Spannung der Batte rie gleich der Gleichgewichtsspannung einer voll geladenen Batterie sein, wie es hier gezeigt ist, um einen Ladewirkungsgrad von 100% (d. h. 0% Vergeudung) zu erzielen. Außerdem ist zu erwarten, dass der Punkt der Abweichung, wie es aus der Divergenz der durchgezogenen und gestrichel ten Ladekurven von Fig. 12 zu sehen ist, mit dem exakten Zustand der Überladebeginn-Bedingung und der Reduktion der Ladeakzeptanz zu sammenfällt, was eine Angabe einer Elektroneneingaberate ist, die die maximale Rate der Materialumwandlung unter den vorgeschriebenen Bedingungen überschritten hat. Im Anschluss an den Ladeprozess, der eine Überladebeginn-Bedingung erreicht hat, kann das beschriebene optimale Laden durch Anwenden einer abgeschätzten Spannungsober grenze abgeschätzt werden, die gegeben ist durch

V_LID = (ϕ) + βlogϕ + κϕ (6)

Fig. 14 zeigt einen Schaltkreis 70, bei dem ein Ladestrom an eine Batterie 72 durch eine programmierbare Stromquelle 74 angelegt wird, die von einem Lade-Controller 76 gesteuert wird, der eine Funktion einer variab len Spannungsobergrenze von Gleichung (6) oder eine Annäherung an diese gemäß der Erfindung benutzt. Es ist festzustellen, dass das Anwen den der Spannungsobergrenzenprozedur einen Mechanismus zum Detek tieren (oder Abschätzen) der Überladebeginn-Bedingung während des Ladens erfordert. Der Mechanismus, der zum Detektieren des Überladebe ginns verwendet wird, kann abhängig von der Anwendung variieren. Bei spielsweise liefert beim Batterieladen vom stetigen Typ (z. B. externe Lade geräte in Wartungshallen oder Ladestationen für Elektrofahrzeuge) der auf einem Modell beruhenden Ansatz, als eine Erweiterung von Gleichung (4), ein systematisches Verfahren zur Vorhersage der Überladebeginn-Bedin gungen, so dass der angelegte Strom unter Verwendung fortschrittlicher Steuerungsstrategien passend geregelt werden kann. Jedoch ist es für ein in einem Fahrzeug befindliches Batterieladesystem ungewöhnlich, ein stetiges Laden mit einem festen Strom zu erzielen, wie es oben dargestellt wird. Es ist festzustellen, dass Bedingungen für ein stetiges Laden in einem Kraftfahrzeug nur während Zeiträumen ausgedehnter Straßenfahr ten angenähert werden.

Die Kurve der Spannungsobergrenze des "optimalen Batterieladeverfah rens" kann angenähert werden, indem eine einfachere Prozedur mit abge stufter Spannungsobergrenze verwendet wird, um ein Überladen und andere schädliche Effekte im Wesentlichen zu beseitigen. Es wird eine Reihe von Spannungsgrenzen oder kritischen Spannungen definiert und benutzt, die das Ausmaß an Überladen minimiert, das gemäß verschiede nen Ladezustandsniveaus in Bezug auf die Temperatur stattfinden darf. Dadurch kann der maximal zulässige Ladestrom automatisch auf ein festes Spannungsniveau begrenzt werden, um Gleichung (4) anzunähern. Es ist aus der vorstehenden Diskussion festzustellen, dass die Ladeakzep tanz der Batterie bei niedrigen Ladeniveaus am größten ist. Es ist daher, mindestens in der Theorie, möglich, die Batterie wie folgt zu laden:

1. Einleiten des Ladens der Batterie bei irgendeinem Strom und irgend einem SOC,
2. Erzielen eines ultraschnellen Ladens ohne Überladen; und
3. Erzielen eines vollständigen Wiederaufladens, während ein Überladen verhindert wird.

Dementsprechend kann der Ladeprozess bei einem extrem hohen Strom für sehr niedrige Werte von SOC eingeleitet werden, wobei im Wesentli chen der gesamte anfängliche Eingangsstrom in dem Materialumwand lungsprozess benutzt wird. Beim Detektieren des Überladebeginns, wird der angelegte Strom derart geregelt, dass er genau zu der vordefinierten optimalen Ortskurve der Spannung, des Stromes und der SOC passt. Das Detektieren des Überladebeginns kann beispielhaft ausgeführt werden, indem die Ladespannung über entsprechende Werte, die für die kritische Spannung bestimmt werden, geprüft wird, oder mittels eines Detektierens des tatsächlichen Beginns des Ausgasens der Batterie. Jedoch ist es bei zahlreichen Anwendungen wirtschaftlich nicht praktikabel, ein sorgfältig ausgearbeitetes, auf einem Modell beruhendes System abzuleiten und einzusetzen, um eine Steuerung des Ladens der Batterie bereitzustellen. Bei diesen Anwendungen können diskrete Funktionen einer kritischen Spannung abgeleitet werden, die dazu benutzt werden können, das be schriebene "optimale" Ladesteuerungsverfahren anzunähern. In Fig. 15 ist ein diskretes Fünf-Punkte-Spannungsobergrenzenverfahren dargestellt, wobei die fünf Punkte zu befolgende Spannungsgrenzen als eine Funktion des Ladezustandes bei einer Temperatur von 25°C angeben. Der Tempera turgraph in Richtung nach rechts von Fig. 15 liefert Korrekturwerte für die Spannungsobergrenzen in Bezug auf die Temperatur. Der Leser wird feststellen, dass das Verfahren der Erfindung praktisch als eine kontinu ierliche Funktion oder als eine abgestufte, diskrete Funktion ausgeführt werden kann, die das beschriebene Profil des "optimalen Ladeverfahrens" annähert.

Eine Annäherung des optimalen Ladeverfahrens kann zusätzlich als eine Reihe von Ladebetriebszuständen entwickelt werden, die SOC-Bereichen zugeordnet sind, beispielsweise drei Betriebszustände (1) unter 80% SOC, (2) 80% bis 90% SOC und (3) über 90% SOC, die einfach als niedriger, Nenn- und hoher SOC betrachtet werden können. Wenn der SOC der Batterie niedrig ist, fördert die Technik ein schnelles Laden, indem ein sehr hohes Niveau an Ladestrom eingeleitet wird, und sie vermeidet zu dem jegliche Überladepotentiale. Es ist festzustellen, dass ein schnelles Laden bei einem maximalen Strom, der eine 2C-Rate übersteigt, typi scherweise mit einer Blei-Säure- und gewissen anderen Batterietypen möglich ist, die erfindungsgemäß bei niedrigen SOC-Niveaus geladen werden, da die Spannungsobergrenzen- oder Überladebeginn-Bedingung für jede Laderate im Anschluss an die beschriebene Prozedur bestimmt werden kann. Typischerweise war die Laderatenbeschränkung innerhalb eines besonderen Systems hinsichtlich des verfügbaren Ladestroms bei den niedrigen SOC-Niveaus, beispielsweise die 1,2C-Rate, wie dies früher beschrieben wurde, eine Grenze des Experiments anstelle der Batterie, da die Stromquelle ein Maximum von 60 A zuführen konnte. Wenn der SOC der Batterie in den Nennbetriebsbereich des Ladeverfahrens eintritt, gilt ein mäßiges Ladestromniveau. Wenn der SOG der Batterie den hohen Bereich bei oder nahe eines vollen Ladezustandes erreicht, liefert das Ladegerät ein "schwimmendes" Laden der Batterie mit einer niedrigen Spannungsgrenze, um den Überladeeffekt zu minimieren, während die hohen Ladeniveaus kontinuierlich aufrechterhalten werden. Das Ladever fahren gemäß der vorliegenden Erfindung liefert einen einzigartigen Ansatz für ein schnelles Laden einer Batterie bis zu einem voll geladenen Zu stand, ohne in Richtung einer Beschädigung der Batterie infolge von Ausgasungseffekten, die durch Überladepotentiale hervorgerufen werden, zu geraten. Herkömmliche Schnellladesysteme sind routinemäßig oft bis zu einem Ladezustand von 80% leistungsfähig, sie sind jedoch nicht imstande, ein vollständiges Laden auszuführen, es sei denn, die Batterie wird zu einer Form von Gleichgewichtsladegerät transferiert (d. h. die Verwendung eines Überladens, um zusätzliche Energie in die Batterie bei weniger als 20% Wirkungsgrad hineinzutreiben). Diese herkömmlichen Schnellladeverfahren betonen das Laden bis zu einem Teilladezustand, und die Technik ist beispielhaft in Elektrobussen ausgeführt, deren Batte riesysteme während des Tages zwischen 50% und 80% SOC arbeiten, während ein periodisches (über Nacht) Ausgleichsladen erforderlich ist, um die Batterien vollständig aufzuladen und zu erhalten.

Um richtige Parameter hinsichtlich des beschriebenen optimalen Ladever fahrens für eine Batterie mit einem besonderen Satz von Merkmalen herzustellen, ist es bevorzugt, einen Satz von empirischen Daten unter tatsächlichen Ladebedingungen zu sammeln. Es wurden Experimente an einer Reihe von Testbatterien durchgeführt; wie Freedom®, Katalog Nr. 1812, Gruppe 78, RC: 115 und CCA: 690 von Delphi Automotive Systems. Die Probebatterie in jedem Test wurde zunächst auf 100% SOC durch eine Standardladeprozedur geladen und dann auf ein vorbestimmtes SOC-Niveau (60%, 70%, 80% oder 90%) entladen, indem eine berechnete Amperestundenkapazität mit einer 3,45 A, oder 20h-Entladerate wegge nommen wurde. Nachdem sie ihre Temperatur und ihr Spannungsgleich gewicht in einem acht- bis sechzehnstündigen Ruhezeitraum erreichen konnte, wurde die Batterie danach unter Verwendung einer Konstant strom-Energiequelle mit einer festgelegten Rate geladen (Testströme um fassten 3,45 A, 7,5 A, 15 A, 25 A, 35 A und 45 A). Ein Hochgeschwindig keits-Datenbeschaffungssystem zeichnete Ladestrom, Batteriespannung und Gasströmungsrate aus den Entlüftungsöffnungen während des Test zeitraums aus. Beim Erreichen eines festgelegten maximalen Ampere stundeneinganges oder einer maximalen Gasblasenbildungsrate wurde das Laden beendet. Repräsentative Ladeprofil- und Gasströmungsraten graphen, die aus diesem Test abgeleitet wurden, sind in den Fig. 16 und 17 gezeigt. Das Ladeprofil von Fig. 16 veranschaulicht den Ladebeginn bei 60% SOC bei 25°C für die Gruppe von Ladeströmen. Der Beginn des Ausgasens ist durch die Kreise angegeben, die längs der Spannungskur ven von Fig. 16 zu finden sind. Ein entsprechender Graph einer normier ten Gasströmung bei den sechs Ladeströmen ist in Fig. 17 gezeigt. Ein tatsächliches Testen wurde bei verschiedenen Bedingungen von Anfangs- SOC bei sowohl 25°C als auch 50°C durchgeführt, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 und Tabelle 2 zusammengefasst. Es wurde beobachtet, dass der Beginn des Ausgasens beinahe bei dem gleichen Wendepunkt auf dem entsprechenden Spannungsprofil für alle Ladeströme auftritt. Da bekanntlich die Gasblasenbildungsreaktionen (d. h. Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung) direkt mit dem Stromniveau oder dem Elektronen eingang in Beziehung stehen, kann eine normierte Gasblasenbildungsrate (SCCM pro Ampere) definiert werden, um einen vorteilhaften Vergleich zwischen den unterschiedlichen Laderaten zu ermöglichen. Eine kritische Gasströmungsrate von 1,0 SCCM/A wurde hier als ein kritischer Zustand definiert, der die maximale Gasblasenbildungsrate darstellt, die bei ir gendeiner Bedingung von Laderate, SOC und Temperatur zulässig ist. Die entsprechenden kritischen Spannungen für individuelle Tests sind in Tabelle 1 zusammengefasst. In Tabelle 2 wurden die Ausgasungsdaten aus dem Experiment weiter durch arithmetisches Mitteln reduziert und in drei Bereiche unterteilt, um beispielhaft einen Satz von drei Ladebetriebs zuständen auszuführen, insbesondere für niedrige, Nenn- und hohe SOC- Niveaus, von denen ein Beispiel zuvor beschrieben wurde. Die "obere Ladespannungsgrenze", die in Tabelle 2 für niedrige SOC-Niveaus (kleiner als 80%) angegeben ist, sollte theoretisch wesentlich über dem festgestell ten Wert von 15,30 Volt, der für 25°C angegeben ist, und dem Wert von 14,65 Volt, der für 50°C angegeben ist, liegen, jedoch wurden diese stär ker begrenzten Werte angewandt, um sich an die elektrischen Festlegun gen anzupassen, die bei typischen Fahrzeugen stärker bevorzugt sind. Nichtsdestoweniger wird eine reduzierte Spannungsgrenze keine signifi kant schädlichen Auswirkungen auf die Batterielebensdauer zeigen; d. h. geringfügiges Unterladen, oder geringfügige Zunahme der Ladezeit. Zu sätzlich tritt in dem Nennladebetriebszustand der Beginn des Ausgasens in einem sehr schmalen Bereich von Strom und SOC-Niveau auf, so dass ein Durchschnitt oder Mittelpunkt diese kritischen Spannungen derart gewählt werden muss, dass ein Antriebsstrom geliefert wird, der einen gewissen Grad an Ausgleich zwischen Überladen und Unterladen bereit stellt.

Zusätzlich kann der Überladebeginn- oder Spannungsobergrenzenglei chung bestimmt werden, indem der Ladestromgradient (dV/dQ) derart bestimmt wird, dass Werte, die ein festgelegtes Schwellenwertniveau übersteigen, das Anzeichen der Überladebeginn-Bedingung sind. Ein Beispiel eines typischen Schwellenwertes von Eingangsspannungsände rung je Amperestundenänderung für eine Blei-Säure-Batterie liegt im Bereich von 150-250 mV/Ah (das alternativ in Relation zur C-Rate ange geben werden kann).

Batterien werden im Allgemeinen während des normalen Betriebes des Fahrzeuges auf recht hohen SOC-Niveaus gehalten. Der Hauptteil des Überladens und andere die Lebensdauer verschlechternde Prozesse sind oft das Ergebnis von übermäßigem Ausgasen während des "schwimmen den Ladens", das eine Gasentwicklung, innere Wärme und ähnliche uner wünschte Prozesse stimuliert. Folglich liefert die vorliegende Erindung eine untere Spannungsgrenze für das "schwimmende Laden", die ein Ladestromniveau sicherstellt, das 3,45 Ampere nicht übersteigt, welches die Gasblasenbildungsrate unter dem angestrebten Maximum von 1,0 SCCM/A oder 3,45 SCCM hält.

Es folgt ein Beispiel, das zusätzliche Klarheit im Hinblick auf die Funkti onsweise einer Annäherung des beschriebenen optimalen Ladeverfahrens liefert:

1. Es werden kritische Spannungspegel bestimmt:
Auf der Grundlage der gesammelten Daten für die getestete Batterie wurde herausgefunden, dass das Überladebeginn-Potential, wie es durch das Niveau von Gasblasenbildung während CI-Ladens regist riert wird, bei einer Temperatur von 25°C bei 80% SOC für einen La destrom von 60 A, 85% SOC für einen Ladestrom von 45 A und 90% SOC für einen Ladestrom von 3,45 A auftritt. Dementsprechend sind die entsprechenden Überladebeginn-Spannungen 15,3 V, 14,9 V bzw. 14,0 V, wie es durch die durchschnittlichen kritischen Spannungen von Tabelle 2 für die drei Ladebetriebszustände gegeben ist.
2. Ein Laden mit hoher Rate, das bei niedrigem SOC eingeleitet wird:
Nachdem aus aufgezeichneten Betriebsabläufen bestimmt worden ist, dass die Batterie weit unter einem SOC-Niveau von 80% beim Be ginn der Ladephase liegt, erzeugt das Ladesystem einen hohen Lade strom, der wie ein CI/CV-Ladegerät von vorzugsweise 60 A oder hö her reguliert wird. Das Laden mit hohem Strom bewirkt einen schnel len Batteriespannungsanstieg in Richtung der ersten kritischen Spannung von 15,3 V. Es ist festzustellen, dass in einem herkömmli chen CI/CV-Ladesystem der Ladestrom frei geregelt werden würde, um die vorgeschriebene Batteriespannung aufrechtzuerhalten, bis die Batterie vollständig geladen ist, wie es anhand der Fig. 5 bis 7 be schrieben wurde.
3. Eine Spannungsobergrenze mit hoher Rate verhindert ein Überladen:
Der Ladestrom wird automatisch auf 60 A oder weniger durch eine Spannungsobergrenze begrenzt, um jedes Überladen zu beseitigen, bis die Batterie ein SOC-Niveau von 80% erreicht. Jedes Überladen oder uneffiziente Laden bewirkt dadurch, dass der Ladestrom nach unten geregelt wird. Diese Spannungsgrenze ist ähnlich wie die, die gemäß der Darstellung in Fig. 5 gezeigt ist.
4. Das SOC-Niveau der Batterie erreicht einen ersten Schwellenwert:
Bei einem SOC-Niveau für die Batterie von 80%, das durch Ampere stundenintegration oder andere äquivalente Verfahren bestimmt wer den kann, wird eine neue Spannungsgrenze von 14,9 V zugewiesen, um den Ladestrom schnell auf ein Niveau bei oder unter 45 A zu re geln, was die theoretischen Anforderungen erfüllt, um Überladepoten tiale zu vermeiden. In Wirklichkeit wird ein geringfügiger Betrag an Überladen auftreten, wenn das SOC-Niveau für die Batterie über 85% zunimmt, jedoch wäre der Effekt aufgrund der Verwendung ei ner relativ niedrigen Spannungsgrenze von 14,9 V anstatt der 15,3 V, die in Tabelle 2 für die obere Ladegrenze spezifiziert sind, minimal.
5. Das SOC-Niveau der Batterie erreicht einen zweiten Schwellenwert:
Auf eine ähnliche Weise wird, wenn das Batterie-SOC-Niveau 90% erreicht, eine neue Spannungsgrenze von 14,0 V zugewiesen, die eine weitere Ladestromverringerung auf annähernd 3,45 A erzwingt. Über dieses SOC-Niveau von 90% hinaus wird zugelassen, dass die Batte rie bei einer solch niedrigen Spannungsgrenze ein "schwimmendes Laden" durchführt, um einen maximalen Ladestrom sicherzustellen, der 3,45 A nicht übersteigt.

Obwohl es für Blei-Säure-Batterien beschrieben worden ist, kann das beschriebene Bewertungsverfahren allgemein auf Batterietypen mit ande ren chemischen Eigenschaften angewandt werden, die Nickel-Cadmium, Nickel-Metallhydrid, Lithium-Ion, umfassen, zusammen mit zusätzlicher auf Nickel beruhender und auf Lithium beruhender Batteriechemie. Ein Fachmann wird erkennen, dass ein Laden mit hoher Rate von NiMH-Batterien übermäßige Wärme erzeugen kann, die die Spannungsobergren zenfunktion verzerren kann, und da die Relaxation von NiMH langsam ist, wird ein Laden dieser Zellen über einer 1,5C-Rate typischerweise für die gegenwärtige Zellentechnologie nicht empfohlen. Außerdem unterscheidet sich die Bestimmung der Spannungsobergrenzenfunktion geringfügig für auf Lithium beruhende Zellen, da ein Überladen eine "Parametrisierung" bewirkt, die die Zelle zerstört (d. h. infolge von Änderungen der Elektro denmikrostruktur). In auf Lithium beruhenden Batterien ist das durchge führte Testen ein zerstörendes Testen der Batterien, so dass sie nur ein einziges Mal bei der Bestimmung der Überladebeginn-Bedingungen ver wendet wird, so dass diese Bedingungen in Batterien vermieden werden, die tatsächlichen Betriebsbedingungen ausgesetzt werden.

Es sind verschiedene Verfahren zum Anwenden variabler Spannungsober grenzen für ein Batterieladen gemäß der vorliegenden Erfindung beschrie ben worden. Obwohl der Einsatz des Spannungsobergrenzenverfahrens weit variieren kann, sind unten zwei Prozedur-Listings als Beispiele von der Durchführung von Spannungsobergrenzenberechnungen während des Betriebes sowie durch die Verwendung einer begrenzten Berechnung oder von Nachschlagetabellen während des Betriebes angegeben.

Das folgende beschreibt Schritte zur Verwendung in einer computerge steuerten Ladeumgebung, die die Spannungsobergrenze im laufenden Betrieb berechnet.

(1) Bestimme Anfangs-SOC	ϕ = ϕ₀
(2) Bestimme maximalen Strom	ϕ = ϕ_max = (I_max/Q_N)
(3) Lade mit konstantem Strom	ϕ
(4) Aktualisiere Kapazitätszunahme	ϕ = ϕ + ϕΔτ
(5) Messe Batteriespannung	V_BAT
(6) Berechne ideale Batteriespannung	V_CALC = (ϕ) + βlog(ϕ) + κϕ
(7) Prüfe Spannung	V_BAT ≧ V_CALC
AL=L<Wenn {NEIN} gehe zu Schritt 10
(8) Lege neuen Ladestrom fest	ϕ + ϕ × {Bruch}
(9) Prüfe Stromeinstellung	ϕ ≧ ϕ_MIN → 0,0
AL=L<Wenn {NEIN} gehe zu Schritt 11

In der folgenden Variante wird ein Satz von Werten gespeichert, die wäh rend des Betriebes zum Bestimmen der Spannungsobergrenze herausge sucht werden.

(1) Bestimme maximalen Strom	ϕ = ϕ_max = (I_max/Q_N)
(2) Schätze Beginn SOC bei ϕ_max ab	ϕ₀
AL=L<(3) Definiere Ladeprofil
Definiere Stromstufenprofil	ϕ₁ = ϕ₀ × {Bruch}
ϕ₂ = ϕ₁ × {Bruch}
ϕ₃ = ϕ₂ × {Bruch}
AL=L<usw.
Bestimme Anzahl von Stufen	N ∼ {ϕ₁ → ϕ_MIN}
Berechnete erwartetes Δϕ	Δϕ = (1-ϕ₀)/N
Definiere Untersätze (ϕ_j, ϕ_j)	(ϕ₁, ϕ₁ = ϕ₀ + Δϕ)
(ϕ₂, ϕ₂ = ϕ₁ + Δϕ)
(ϕ₃, ϕ₃ = ϕ₂ + Δϕ)
AL=L<usw.
AL=L CB=3<Berechne erwartete ideale Spannung@ AL=L CB=3<V	0
= (ϕ₀
) + βlog(ϕ₀
) + κϕ₀

AL=L CB=3<V	1
= (ϕ₁
) + βlog(ϕ₁
) + κϕ₁

AL=L CB=3<V	2
= (ϕ₂
) + βlog(ϕ₂
) + κϕ₂

AL=L CB=3<usw.@	(4) Lege Anfangsladestrom (j = 0) fest	ϕ = ϕ₀
(5) Lege Spannungsobergrenze fest	V_LID = V₀
(6) Lade mit konstantem Strom	ϕ
(7) Messe Batteriespannung	V_BAT
(8) Prüfe Spannung	V_BAT ≧ V_LID
AL=L<Wenn {NEIN} gehe zu Schritt 12
(9) Prüfe neuen Ladestrom (j = j + 1)	ϕ = ϕ_j
(10) Lege neue Spannungsobergrenze fest	V_LID = V_j
AL=L<(11) Wiederhole Schritte 6 bis 8

Es ist aus den vorstehenden Ausführungsformen der Erfindung festzustel len, dass das Verfahren mit variabler Spannungsobergrenze gemäß der Erfindung auf verschiedenen Weisen und Annäherungen eingesetzt wer den kann, ohne von den erfinderischen Lehren abzuweichen. Das erfinde rische Verfahren wurde unter Laborbedingungen getestet, um das Niveau an Optimierung, das geschaffen werden konnte, festzustellen. Die Ausfüh rungsform des Ladeverfahrens, das in dem Test benutzt wurde, wandte eine optimale variable Spannungsobergrenze an, um das Laden von einem Ladegerät zu begrenzen, das eine Stufenstromfunktion bereitstellte, die derart angewandt wurde, dass die Anzahl und Größe von Stromstufen, den Anpassungsgrad zwischen dem tatsächlichen Batterieladeprofil und der optimalen theoretischen Ladekurve bestimmte. Die Ergebnisse der Tests sind in den Fig. 18 und 19 gezeigt und können mit den Ergebnissen des Stufenstromtests der Fig. 10 und 11 verglichen werden, da diese Tests unter identischen Bedingungen durchgeführt wurden. Fig. 18 ist das Ladeprofil, das während des Testens dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, und es liefert eine enge Annäherung an das optimale Ladeprofil, das anhand von Fig. 13 beschrieben wurde. Unter Hochstrom-Ladebedingungen bei niedrigem SOC war die abgeschätzte Spannungsobergrenze hoch, um die durch großen Strom eingeleiteten Polarisationseffekte widerzuspiegeln. Die Spannungsobergrenze wurde anschließend allmählich auf eine kontinuierliche Weise derart reduziert, dass sie zur Ladeakzeptanzdynamik der Batterie passte. In Übereinstim mung mit den theoretischen optimalen Bedingungen näherten sich die Sollpunkt-Spannungsobergrenze und die gemessene Batteriespannung der Leerlaufspannung bei Abschluss des Ladezyklus einer voll geladenen Batterie an.

Beim Vergleich des erfinderischen Verfahrens, das zu den Fig. 18 und 19 gehört, mit dem Stufenstromprofilverfahren ist festzustellen, dass Überla de- und Gasblasenbildungsreaktionen bei jedem Niveau von SOC für das erfinderische Verfahren dem Stufenstromverfahren weit überlegen waren, und es wurde beobachtet, dass es nahezu beseitigt war (Amperestunden integrationsdaten geben Überladeniveaus im Bereich von 2%-5% an). Diese Ergebnisse sind insbesondere im Hinblick auf die vierfache Zunah me des Anfangsladestromes wesentlich, der beim Testen des erfinderi schen Verfahrens gegen das Stufenstromverfahren angewandt wurde. Die Gesamtladezeit für die Batterie war von einer Dauer von 5 bis 7 Stunden für das Stufenstromsystem bis zu einer Dauer von 1,5 bis 2,5 Stunden für das erfindungsgemäße System wesentlich reduziert. Eine Summe von fünfzehn Lade-Entlade-Zyklen wurde während des Testens durchgeführt, und es wurde keine Verschlechterung bei dem Leistungsvermögen oder ein Kapazitätsverlust für die Batterien detektiert. Die beispielhaft ausge führten Drei- und Fünf-Stadien-Spannungsgrenzen wurden im Labor nicht ähnlich getestet.

Es ist festzustellen, dass tatsächliche Batteriebetriebsbedingungen in einem Fahrzeug im Labor schwierig zu reproduzieren sind, und es ist festzustellen, dass unter normalen Testbedingungen die Batterien schnell ein stetiges Laden erreichen, insbesondere mit Batterien vom gefluteten Typ, und aufgrund des schmalen Übergangsfensters schnell in den Be triebszustand eines "schwimmenden Ladens" hineinregeln, wenn sie sich dem vollen Ladezustand nähern. Eine beträchtlich ausgiebigere Labor prozedur ist notwendig, um die optimale Funktionalität unter Bedingun gen zu untersuchen, bei denen ein dynamisches Stromlastniveau und ein maximaler Ladegerätversorgungsstrom geliefert werden, um beispielsweise eine Fahrumgebung in der Stadt mit einem Stop-And-Go-Betrieb zu simulieren.

Um einen Betrieb unter dynamischen Lade/Entlade-Bedingungen sicher zustellen, bei denen verschiedene Lastströme aus der Batterie gezogen werden, wurde das Ladeverfahren in einem Fahrzeug unter tatsächlichen Fahrbedingungen in der Stadt an zwei aufeinander folgenden Sommerta gen getestet. Der Test ergab Daten, die zusammengefasst den erwarteten Wert des erfinderischen Ladeverfahrens zur Bereitstellung eines schnellen Ladens mit einem minimalen Überladen unterstützten. Zu Beginn des Testens hatte die Batterie eine Teilladung auf ein SOC-Niveau von 80% empfangen. Ein Batterieladen bei niedrigem SOC-Niveau unter 80% war schnell bei hohen Zuströmen im Bereich von 60-80 Ampere abgeschlos sen, während eine Stromregelung bei einer relativ hohen Spannungsgren ze begann. Wenn sich die Batterie dem voll geladenen Zustand näherte, wurden sowohl der Ladestrom als auch die Spannungsgrenze erfindungs gemäß heruntergeregelt (oder herunter abgestuft), was das Überladen minimierte. Die gemessene Gasströmungsrate zeigte an, dass ein niedriges Gasblasenbildungsniveau aufrechterhalten wurde, wodurch sich eine Übereinstimmung mit dem Modell ergab und eine Angabe des Überlade grades während eines Wiederaufladezyklusses bereitgestellt wurde.

Während dieser Fahrtests nahm das berechnete SOC-Niveau für die Bat terie in weniger als einer Stunde auf über 100% zu und behielt dieses hohe Niveau für die restliche Zeit. Infolge des Anwendens des erfinderi schen Verfahrens kann durch Absenken des Generatorausgangsbedarfes eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit erzielt werden, so dass die Batterielebensdauer beträchtlich ausgedehnt werden kann, indem konti nuierlich mit einem relativ hohen SOC-Niveau gearbeitet wird, während sie nur mageren Überladeniveaus ausgesetzt wird. Das SOC-Niveau am Ende des Tests für die Batterie wurde bestätigt, indem die 20h-Entladung gemessen wurde.

Es ist dementsprechend zu sehen, dass diese Erfindung Verfahren zum Optimieren des Ladens von Batterien lehrt, indem eine Funktion einer abnehmenden variablen Spannungsobergrenze angewandt wird, die ge mäß einem Satz von Batterieladeparametern modelliert ist. Die Ladever fahren sind hierin anhand einer Automobilanwendung beschrieben wor den, bei der hochdynamische Bedingungen vorherrschen. Es ist festzu stellen, dass die Ladeverfahren in einer Vielfalt von Ladegeräten ange wandt werden können, die in der Lage sind, ein Sortiment von Batterien mit variierenden chemischen Eigenschaften zu laden. Zusätzlich sind die Verfahren gemäß einem Beispiel beschrieben, bei dem Ladeparameter empirisch für eine besondere Batterie bestimmt worden sind, jedoch sind die gelehrten Verfahren trotz des Prozesses, der dazu verwendet wird, Batterieparameter zu sammeln und in Richtung ihrer Anwendbarkeit in einer gegebenen Formel allgemein anwendbar. Die erfinderischen Lehren beschreiben alternative Verfahren, wie eine abgestufte oder bereichsweise Implementierung der vorliegenden erfinderischen Verfahren, und ein Fachmann wird feststellen, dass zahlreiche zusätzliche Abänderungen ohne kreatives Bemühen implementiert werden können.

Wenn bei der Erindung von einem Element im Singular die Rede ist, ist nicht gemeint, dass "eines und nur ein einziges" gemeint ist, es sei denn, es ist explizit so festgestellt, sondern vielmehr "eines oder mehrere".

Die Erfindung betrifft Batterieladeverfahren und zugehörige Ladegeräte 70, die in der Lage sind, eine Batterie 72 schnell aufzuladen, während sie reduzierten Überladeniveaus ausgesetzt wird. Die beschriebenen Verfah ren sind in der Lage, in zahlreichen Batterieladesystemen für Batterien benutzt zu werden, die einen Bereich von chemischen Eigenschaften überspannen, wie beispielsweise Blei-Säure-, auf Nickel beruhende und auf Lithium beruhende Batterien. Bei der Detektion eines Überladebe ginns während des Ladeprozesses wird eine variable Spannungsobergren ze auferlegt (V_LID = (ϕ) + βlogϕ + κϕ), die die maximale Spannung, die an die Batterie 72 angelegt werden kann, als eine Funktion einer Ladeakzep tanz reduziert, die typischerweise durch eine Berechnung, die auf dem Ladezustand beruht, abgeschätzt wird. Zusätzlich kann die Spannungs obergrenze mit abgestuften Spannungsobergrenzen angenähert werden, die von dem Ladeakzeptanzniveau in der Batterie abhängen.

Tabelle 1

Kritische Ladespannung als Funktion des Stromes und des SOC

Tabelle 2

Zusammenfassung der gemittelten kritischen Ladespannung

Claims

1. Verfahren zum Laden einer Batterie (72), umfassend, dass:

a) ein gesteuertes Stromniveau an die Batterie (72) angelegt wird, und
b) an die Batterie (72) angelegter Strom moduliert wird, wobei die resultierende, an die Batterie angelegte Ladespannung in Ab hängigkeit von einer Überladebeginn-Bedingung heruntermodu liert wird, und wobei der Betrag an Überladepotential, dem die Batterie ausgesetzt wird, begrenzt wird.

2. Verfahren zum Laden einer Batterie (72), umfassend, dass:

a) einer Batterie (72) ein Ladestrom zugeführt wird,
b) eine Überladebeginn-Bedingung detektiert wird, wenn der Batte rie (72) der Ladestrom zugeführt wird, und
c) die maximale an die Batterie (72) angelegte Ladespannung bei der Detektion der Ladebeginn-Bedingung verringert wird, wobei der Ladestrom einer Spannungsobergrenze ausgesetzt wird, die abnimmt, wenn der Ladezustand fortschreitet, und wobei die Überladepotentiale, denen die Batterie (72) ausgesetzt wird, be grenzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterie (72) Ladestrom von einer steuerbaren Stromquelle (74) zugeführt wird, die Strom durch einen Reihenwiderstand drückt, wo bei der Reihenwiderstand die Stromquelle (74) und die zu ladende Batterie (72) umfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom der Batterie (72) mit einer konstanten Rate zugeführt wird, und der Ladegerätstrom durch eine Maximalspannungsober grenze begrenzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein abgestufter, gemäß der Spannungsobergrenze gesteuerter Strom ausgang geliefert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überladebeginn bei einem vorbestimmten Niveau an SOC in Relation zum angelegten Strom detektiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beziehung zwischen dem Überladebeginn und dem SOC als eine Funktion des angelegten Stromes und der Temperatur empirisch be stimmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Niveau an Ausgasen der Batterie (72) detektiert wird und der Überladebeginn durch das Niveau des detektierten Ausgasens be stimmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsobergrenze eine Funktion des durch V_LID = (ϕ) + βlogϕ + κϕ angegebenen Batterieladezustandes ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsobergrenze durch eine Reihe von diskreten Stufen angenähert wird, die eine Stufengröße besitzen, die durch den An passungsgrad bestimmt wird, der durch das in einer besonderen An wendung zulässige Überladeniveau erforderlich ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Stufen vorgesehen werden, bei denen maximale feste Spannungen auf das Batterieladen angewendet werden, wobei die drei Stufen in einem zugehörigen Bereich von drei Ladezustandsbe reichen definiert sind.

12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsobergrenze durch Funktionen angenähert wird, die ähnliche Antwortprofile darstellen, die mit fortschreitendem Ladezu stand abnehmen, und ein Funktionsanpassungsgrad durch das in einer besonderen Anwendung zulässige Überladeniveau bestimmt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsobergrenze durch Erreichen einer normierten maxima len Gasblasenbildungsrate bestimmt wird, die während des Ladens der Batterie (72) erzielt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die normierte maximale Gasblasenbildungsphase während des La dens auf annähernd 1,0 SCCM/A festgelegt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsobergrenze bestimmt wird, indem ein konstanter Spannungsgradient dV/dQ erreicht wird, wobei die Spannung pro Amperestunde während des Ladens der Batterie einen festgelegten Schwellenwert übersteigt.

16. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie geladen wird, die aus der Gruppe von Batterien ausge wählt wird, die aus Blei-Säure-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metall hydrid-, Lithium-Ion-, auf Nickel beruhenden und auf Lithium beru henden Batterien besteht.

17. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine hohe Batterieladerate, die 1,2C übersteigt, an eine Batterie angelegt wird, deren Ladezustand ausreichend niedrig ist, so dass sie keiner Überladebeginn-Bedingung ausgesetzt wird, was es erlaubt, dass ein anfängliches Laden schnell voranschreiten kann.

18. Verfahren zum Laden einer Batterie (72) mit den Schritten, dass:

a) ein Ladestrom an die Batterie (72) mit einem gesteuerten, durch eine Spannungsobergrenze begrenzten Niveau angelegt wird,
b) eine Überladebeginn-Bedingung detektiert wird, während bei dem vorhandenen Ladestromniveau geladen wird,
c) die Spannungsobergrenze infolge der detektierten Überladebe ginn-Bedingung reduziert wird, um den an die Batterie angeleg ten Strom und das Überladepotential zu begrenzen, und
d) die Schritte (b) und (c) wiederholt werden, bis der an die Batterie (72) angelegte Strom auf ein ausreichend niedriges Niveau be grenzt worden ist, um ein angestrebtes "schwimmendes Laden" zu begründen.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion der Überladebeginn-Bedingung gemäß den Bedingun gen von SOC, angelegtem Strom und Temperatur abgeschätzt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgasen der Batterie (72) detektiert wird, und die Überladebe ginn-Bedingung durch das Niveau von auftretendem, detektiertem Ausgasen bestimmt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein abgestufter Stromausgang geliefert wird, der gemäß der Span nungsobergrenze gesteuert wird.

22. Vorrichtung (70) zum Laden einer Batterie (72), umfassend:

a) ein Mittel (74, 76), um ein gesteuertes Stromniveau an die Batte rie (72) anzulegen, und
b) ein Mittel (74, 76), um den an die Batterie (72) angelegten Strom zu modulieren, wobei die an die Batterie (72) angelegte resultie rende Ladespannung in Abhängigkeit von einer Überladebeginn- Bedingung nach unten moduliert wird, und wobei der Betrag an Überladepotential, dem die Batterie ausgesetzt ist, begrenzt ist.

23. Vorrichtung (70) zum Laden einer Batterie (72), umfassend:

a) ein Mittel (74, 76), um einer Batterie einen Ladestrom zuzufüh ren,
b) ein Mittel (74, 76), um eine Überladebeginn-Bedingung zu detek tieren, wenn der Batterie (72) der Ladestrom zugeführt wird, und
c) ein Mittel (74, 76), um die maximale Ladespannung, die an die Batterie angelegt wird, bei der Detektion der Überladebeginn- Bedingung zu verringern, wobei der Ladestrom einer Span nungsobergrenze ausgesetzt ist, die abnimmt, wenn der Ladezu stand fortschreitet, um die Überladepotentiale, denen die Batte rie ausgesetzt ist, zu begrenzen.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom der Batterie von einer steuerbaren Stromquelle (74) zugeführt wird, die Strom durch einen Reihenwiderstand drückt, wo bei der Reihenwiderstand die Spannungsquelle (74) und die zu la dende Batterie (72) umfasst.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom der Batterie (72) mit einer konstanten Rate zugeführt wird und durch die Maximalspannungsobergrenze begrenzt ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch ein Mittel, um einen abgestuften, gemäß der Spannungsobergrenze gesteuerten Stromausgang zu liefern.

27. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Überladebeginn bei einem vorbestimmten Niveau an SOC in Rela tion zum angelegten Strom detektiert wird.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine empirische Beziehung zwischen dem Überladebeginn und dem SOC in Relation zu Parametern, die angelegten Strom und Tempera tur umfassen, empirisch bestimmt wird.

29. Vorrichtung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch ein Mittel, um ein Ausgasen der Batterie (72) zu detektieren, und wo bei der Überladebeginn durch das Niveau an detektiertem Ausgasen bestimmt ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsobergrenze eine Funktion des durch V_LID = (ϕ) + βlogϕ + κϕ angegebenen Batterieladezustandes ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsobergrenze durch eine Reihe von diskreten Stufen an genähert ist, die eine Stufengröße besitzen, die durch einen Anpas sungsgrad bestimmt ist, der von dem in einer besonderen Anwen dung zulässigen Überladeniveau erforderlich ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Stufen vorgesehen sind, bei denen maximale feste Spannungen zum Batterieladen angewendet werden, wobei die drei Stufen in einem zugehörigen Bereich von drei Ladezustandsbereichen definiert sind.

33. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsobergrenze durch Funktionen angenähert ist, die ähn liche Antwortprofile darstellen, die mit fortschreitendem Ladezustand abnehmen, wobei ein Funktionsanpassungsgrad durch das in einer besonderen Anwendung zulässige Überladeniveau bestimmt ist.

34. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsobergrenze bestimmt ist, indem eine während des La dens der Batterie erzielte, normierte, maximale Gasphasenbildungs rate erreicht ist.

35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die normierte maximale Gasblasenbildungsrate während des Ladens auf annähernd 1,0 SCCM/A festgelegt ist.

36. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsobergrenze bestimmt ist, indem ein konstanter Span nungsgradient dV/dQ erreicht ist, wobei die Spannung pro Ampere stunde während des Ladens der Batterie (72) einen festgelegten Schwellenwert übersteigt.

37. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zu ladende Batterie aus der Gruppe von Batterien ausgewählt ist, die aus Blei-Säure-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-, Lithium- Ion-, auf Nickel beruhenden und auf Lithium beruhenden Batterien besteht.

38. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für eine hohe Batterieladerate, die 1,2C übersteigt, für eine Batterie (72) ausgestaltet ist, deren Ladezustand ausreichend niedrig ist, so dass sie keiner Überladebeginn-Bedingung ausgesetzt ist, was es zulässt, dass ein anfängliches Laden schnell fortschreiten kann.

39. Vorrichtung zum Laden einer Batterie (72), umfassend:

a) ein Mittel (74, 76), um einen Ladestrom an die Batterie (72) mit einem durch eine Spannungsobergrenze begrenzten, gesteuerten Niveau anzulegen,
b) ein Mittel, um eine Überladebeginn-Bedingung zu detektieren, während mit dem vorhandenen Ladestromniveau geladen wird,
c) ein Mittel, um die Spannungsobergrenze infolge der detektierten Überladebeginn-Bedingung zu reduzieren und somit den an die Batterie (72) angelegten Strom und das Überladepotential zu be grenzen, und
d) ein Mittel, um den an die Batterie (72) angelegten Strom auf ein ausreichend niedriges Niveau zu begrenzen und somit ein ange strebtes "schwimmendes Laden" zu begründen.

40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektion einer Überladebeginn-Bedingung gemäß den Bedin gungen von SOC, angelegtem Strom und Temperatur abgeschätzt wird.

41. Vorrichtung nach Anspruch 39, gekennzeichnet durch ein Mittel, um ein Ausgasen der Batterie (72) zu detektieren, und wobei die Überladebeginn-Bedingung durch das Niveau des auftre tenden, detektierten Ausgasens bestimmt ist.

42. Vorrichtung nach Anspruch 39, gekennzeichnet durch ein Mittel, um einen abgestuften, gemäß der Spannungsobergrenze gesteuerten Stromausgang zu liefern.