DE102010064341A1

DE102010064341A1 - Verfahren zum Laden von Li-Ion-Batterien sowie entsprechende Ladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102010064341A1
Application number: DE102010064341A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Weigel; Sebastian Hessler
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2012-07-05

Abstract

Eine Batterie (31), welche aus mehreren in Serie geschalteten einzelnen Batterie-Zellen besteht wird in einem zweiphasigen Ladeverfahren geladen. Zunächst wird die Batterie (31) mit einem konstanten Strom geladen, bis die Spannung einer der Batteriezellen eine vorgegebene Spannungsgrenze erreicht. In der zweiten Phase des Ladevorgangs wird die Batterie (31) mit einer geregelten Ladespannung geladen, wobei die geregelte Ladespannung so ausgeregelt wird, dass an keiner Batterie-Zelle die vorgegebene Spannungsgrenze überschritten wird. Wenn der Ladestrom in der zweiten Phase eine Abschaltschwelle unterschreitet, ist der Ladevorgang abgeschlossen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden von aufladbaren Batterien, welche aus einer Vielzahl von in Serie geschalteten einzelnen Batterie-Zellen bestehen, sowie eine entsprechend ausgestaltete Ladeschaltung.
Üblicherweise wird eine Batterie, wie eine Li-Ion-Batterie, welche aus einer Vielzahl in Serie geschalteter einzelner Batterie-Zellen besteht über ein Ladeverfahren geladen welches zwei Phasen beinhaltet: Während der ersten Phase wird die Batterie mit einem konstanten Ladestrom geladen, wobei die Ladespannung an den beiden Batterieklemmen langsam ansteigt. Erreicht die Spannung an den Batterien einen bestimmten Grenzwert, so beginnt die zweite Phase der Batterieladung. In der zweiten Phase wird die Batterie mit konstanter Spannung geladen, wobei mit zunehmendem Ladezustand der Batterie der Ladestrom langsam sinkt. Wenn der Ladestrom einen bestimmten Schwellwert unterschreitet, wird der Ladevorgang beendet.
Üblicherweise wird die konstante Spannung, mit der in der zweiten Phase geladen wird gleichgesetzt mit dem Grenzwert der Ladespannung, bei dem der Übergang von der ersten in die zweite Phase vorgenommen wird. Dieser Grenzwert der Ladespannung kann beispielsweise aus dem Produkt der Anzahl der Zellen multipliziert mit der zulässigen Spannungsgrenze einer einzelnen Batterie-Zelle gewonnen werden.
Ein solcher zweiphasiger Ladevorgang kann von einem Ladegerät relativ einfach durchgeführt werden, wenn dieses einerseits eine stabilisierte Sollspannung abgibt und andererseits den maximalen Ladestrom über eine geregelte Begrenzerschaltung begrenzt. Solange der Ladestrom der Batterie größer als der maximale Ladestrom ist, ohne dass die stabilisierte Sollspannung erreicht wird, regelt die Begrenzerschaltung selbständig den Ladestrom auf den maximalen Ladestrom der Begrenzerschaltung. Wenn der Ladestrom den maximalen Ladestrom der Begrenzerschaltung unterschreitet, gibt das Ladegerät die stabilisierte Sollspannung als Ladespannung vor, was der zweiten Phase des Ladevorgangs entspricht. Beendet wird dann der Ladevorgang bei Unterschreitung eines Schwellenwertes für den Ladestrom.
Problematisch ist allerdings, dass sich die Zellenspannungen der einzelnen Batterie-Zellen während des Ladevorgangs unterscheiden können, so dass einzelne Zellen der Batterie eine höhere Spannung erreichen als andere Zellen. Dieser Effekt tritt beispielsweise besonders stark in Erscheinung, wenn die Batterie bereits durch wiederholtes Laden und Entladen stark beansprucht wurde. Dadurch kann im Laufe der Zeit die Kapazität der einzelnen Batterie-Zellen abnehmen, wobei diese Abnahme der Kapazität bei den einzelnen Zellen der Batterie unterschiedlich verlaufen kann. Dies wiederum kann beim Ladevorgang dazu führen, dass die Batterie-Zelle mit der geringsten Kapazität am schnellsten geladen wird und damit während des Ladevorgangs die höchste Spannung erreicht. Wenn die Ladeschaltung die Batteriespannung überwacht und einen entsprechenden Grenzwert einhält, ist es in diesem Fall trotzdem möglich, dass die maximal zulässige Spannung einer einzelnen Batterie-Zelle überschritten wird und diese Batterie-Zelle möglicherweise geschädigt wird.
Daher ist insbesondere für den Einsatz von elektrischen Speichern in Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, eine genaue Kenntnis und sichere Kontrolle des Ladezustands des Batteriesystems erforderlich. Sowohl eine Überladung als auch eine Tiefentladung einzelner Batterie-Zellen schädigt das Batteriesystem oder einzelne Zellen davon und verkürzt die Lebensdauer.
Daher werden in Batteriesystemen von Kraftfahrzeugen üblicherweise Batterie-Management-Systeme (BMS) eingesetzt, welche versuchen, die Zellspannungen der einzelnen Batterie-Zellen zu balancieren. Dabei können Batterie-Zellen mit besonders hoher Zellspannung aktiv beispielsweise über einen Entladewiderstand selektiv soweit entladen werden, dass sich ihre Spannung wieder der der übrigen Batterie-Zellen angleicht. Solche Systeme werden auch als passive Systeme bezeichnet. Bei aktiven Systemen wird die Energie einer solchen Zellentladung nicht in Wärme umgewandelt, sondern auf andere Batterie-Zellen übertragen, indem Ladung von Batterie-Zellen mit besonders hoher Zellspannung auf Batterie-Zellen mit besonders geringer Zellspannung beispielsweise mittels eines DC-DC-Wandlers übertragen wird.
Allerdings gibt es Fälle, bei denen Batterien entweder ohne BMS verwendet werden oder das BMS ein Ungleichgewicht der Zellspannungen nicht ausreichend gut ausgleichen kann.
In diesem Fall kann ein Überladen einzelner Batterie-Zellen durch das folgende Verfahren verhindert werden: Die Spannung jeder einzelnen Batterie-Zelle der Batterie wird kontinuierlich während des Ladens überwacht. Falls die Batterie-Zelle mit der höchsten Zellspannung ihre zulässige maximale Ladespannung überschreitet, wird der Ladevorgang beendet. Dieses Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass die Batterie nicht vollständig geladen wird, da der Ladevorgang bei starkem Ungleichgewicht der einzelnen Batterie-Zellen verfrüht beendet wird.
US 2009/0015209 beschreibt ein ähnliches Verfahren zum Laden von Li-Ion-Batterien. Bei diesem Verfahren wird ebenfalls die Spannung jeder einzelnen Zelle der Li-Ion-Batterie überwacht. Das Verfahren arbeitet im Prinzip auch unter Nutzung der zwei oben beschriebenen Phasen, bei dem die Batterie zunächst mit konstant gehaltenem Ladestrom und anschließend mit konstant gehaltener Ladespannung geladen wird. Die Vorgabe des Ladestromes (in der ersten Phase) bzw. der Ladespannung (in der zweiten Phase) wird dabei allerdings so gesteuert, dass der Ladestrom bzw. die Ladespannung um einen bestimmten Faktor reduziert wird, wenn die Spannung einer Zelle der Batterie ihre maximal zulässige Zellenspannung überschreitet.
Entsprechend wird daher entweder der Ladestrom jedes Mal dann um einen bestimmten Faktor reduziert, wenn die Spannung einer Batterie-Zelle ihre Maximalspannung überschreitet. Alternativ kann in der zweiten Ladephase nach Überschreiten der maximalen Zellenspannung einer einzelnen Batterie-Zelle die Ladespannung entsprechend jeweils um einen bestimmten Faktor reduziert werden, so dass keine Batterie-Zelle ihre Maximalspannung überschreitet. Allerdings hat dieses Verfahren ebenfalls den Nachteil, dass die Batterie möglicherweise nicht vollständig geladen wird, beziehungsweise dass der Ladevorgang außerordentlich lange dauert.
Aus diesem Grund ist es wünschenswert, eine Batterie so zu laden, dass einerseits bei keiner einzelnen Batterie-Zelle während des Ladevorgangs ein bestimmter Spannungsgrenzwert überschritten wird und andererseits der Ladevorgang nicht bereits unterbrochen wird, bevor die Batterie vollständig aufgeladen ist.
Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Batterie möglichst vollständig zu laden, ohne dabei aber einen Spannungsgrenzwert einer einzelnen Batterie-Zelle zu überschreiten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Laden von Batterien nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung zum Laden von Batterien nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Laden einer Batterie mit einer Regelung der Ladespannung bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet dabei die Messung der Zellenspannung für jede Zelle der Batterie. Insbesondere wird der Spannungsverlauf derjenigen Batterie-Zelle mit dem höchsten aktuellen Spannungswert für die Ermittlung der für die Ladung erforderlichen Ströme und Spannungen verwendet. Entsprechend wird in einer ersten Ladephase die Batterie zunächst mit einem konstanten Ladestrom geladen. Die erste Ladephase wird beendet, wenn die Batterie-Zelle mit dem höchsten aktuellen Spannungswert eine vorgegebene Spannungsgrenze, z. B. ihre zulässige Maximalspannung, erreicht. In der anschließenden zweiten Phase wird die Batterie mit einer vorgegebenen Ladespannung geladen, wobei diese Ladespannung so geregelt wird, dass die Batterie-Zelle mit der höchsten aktuellen Spannung nicht ihre zulässige Maximalspannung überschreitet. Dies wird beispielsweise so erreicht, dass die vorgegebene Ladespannung bei Erreichen oder bei leichtem Überschreiben der zulässigen Maximalspannung einer Batterie-Zelle entsprechend abgeregelt wird. Allerdings kann der Regler die vorgegebene Ladespannung auch wieder anheben, wenn die Spannung der Batterie-Zelle mit dem höchsten Spannungswert die zulässige Maximalspannung wieder unterschreitet. Auf diese Weise kann in der zweiten Phase der Ladevorgang dergestalt optimiert werden, dass die Ladespannung immer so geregelt wird, dass diejenige Batterie-Zelle mit der höchsten aktuellen Spannung ständig sehr nahe an ihrer zulässigen Maximalspannung gehalten wird.
Um ein günstiges Regelverhalten für die vorgegebene Ladespannung zu erreichen, wird bei einem Ausführungsbeispiel der aktuelle Spannungswert derjenigen Batterie-Zelle mit der höchsten Zellenspannung mit einer zulässigen Maximalspannung verglichen und das Ergebnis dieses Vergleichs einem Integrator zugeführt. Wenn die gemessene Zellenspannung den Maximalwert überschreitet, kann ein erhöhtes Steuersignal an den Integrator geleitet werden, worauf die Ausgangsspannung des Integrators langsam ansteigt. Entsprechend kann im Falle, dass die Zellenspannung den Maximalwert unterschreitet, ein reduziertes Steuersignal an den Integrator geleitet werden, worauf die Ausgangsspannung des Integrators langsam absinkt. Diese Ausgangsspannung des Integrators kann – um einen entsprechenden Faktor verstärkt – zur Bestimmung der vorgegebenen Ladespannung verwendet werden.
Vorzugsweise kann die Regelung so ausgelegt werden, dass die vorgegebene Ladespannung einen gewissen Grenzwert nicht überschreitet. Dieser Grenzwert kann einerseits dafür sorgen, dass die vorgegebene Ladespannung das Produkt aus Zellenzahl und maximaler Zellenspannung für die Batterie nicht überschreitet. Andererseits kann der Grenzwert auch dafür sorgen, dass während der zweiten Phase des Ladevorgangs der Ladestrom den Wert des Ladestroms nicht überschreitet, der in der ersten Phase des Ladevorgangs verwendet wurde.
Weiterhin kann die Regelung so ausgeführt werden, dass bei Erreichen einer maximalen vorgegebenen Ladespannung noch so lange geladen wird, bis der Ladestrom eine Abschaltschwelle unterschreitet.
Darüber hinaus kann die Laderegelung auch digital erfolgen, so dass die Spannungen in diskreten Spannungsschritten erfasst und verarbeitet werden und die Aufnahme, Verarbeitung und Ausgabe der entsprechenden Regelgrößen in diskreten Zeitschritten erfolgen. Ein aktueller Sollwert für die vorgegebene Ladespannung wird dann aus den gemessenen Größen und unter Berücksichtigung vorheriger Werte errechnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht damit, dass keine Batterie-Zelle der in Serie geschalteten Zellen der Batterie während des Ladevorgangs ihre zulässige Maximalspannung überschreitet. Gleichzeitig kann insbesondere während der zweiten Phase des Ladevorgangs erreicht werden, dass immer mit einer optimalen Spannung so geladen wird, dass der Ladevorgang möglichst schnell durchgeführt wird ohne dass zulässige Ströme und Spannungen überschritten werden.
Weiterhin ermöglicht die Verwendung des beschriebenen Regelverfahrens zur Ermittlung des Sollwertes für die vorgegebene Ladespannung, dass diese vorgegebene Ladespannung auch wieder angehoben werden kann, wenn die maximale Zellenspannung einer Batterie-Zelle (nach Erreichen eines Maximalwertes) wieder absinkt. Ein solches Absinken der Zellenspannung kann beispielsweise durch chemische Ausgleichsvorgänge innerhalb der Batterie-Zelle zustande kommen. Insbesondere kann ein solches Absinken der Zellenspannung aber auch durch eine Schaltung zum Ausbalancieren der Zellspannung (z. B. über ein Batterie-Management-System) verursacht werden. Dabei ist es von besonderem Vorteil, dass das erfindungsgemäße Ladeverfahren durch einen solchen Balanciervorgang der Batterie-Zellen nicht negativ beeinflusst wird. Stattdessen kann durch die Kombination eines Balanciervorgangs mit dem erfindungsgemäßen Ladeverfahren der Ladevorgang noch weiter beschleunigt werden ohne dass die Regelung des Ladeverfahrens auf den Balanciervorgang abgestimmt werden muss.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie bereitgestellt, welche aus mehreren in Serie geschalteten einzelnen Batterie-Zellen besteht. Beispielsweise kann diese Batterie eine Li-Ion-Batterie sein. Die Vorrichtung beinhaltet eine steuerbare Ladeschaltung, die die Batterie in zwei Phasen zunächst mit einem vorgegebenem Strom und anschließend mit einer geregelten vorgegebenen Ladespannung lädt. Der Wert der vorgegebenen Ladespannung wird über einen Sollwert eines Reglers vorgegeben. Weiterhin kann die Vorrichtung eine Messeinrichtung, welche die Spannung jeder einzelnen Batterie-Zelle misst und eine Maximalwert-Ermittlungseinheit, welche den Spannungswert derjenigen Batterie-Zelle an einen Vergleicher weiterleitet, die den höchsten aktuellen Spannungswert aufweist, umfassen. Der Vergleicher vergleicht den weitergeleiteten Spannungswert mit einer zulässigen Maximalspannung, und kann ein Steuersignal an einen Integrator leiten. Ist der weitergeleitete Spannungswert höher als die zulässige Maximalspannung leitet der Vergleicher in diesem Fall ein erhöhtes Steuersignal an den Integrator weiter, woraufhin der Integrator ein mit der Zeit ansteigendes Ausgangssignal erzeugt. Dieses Ausgangssignal wird um einen bestimmten Faktor verstärkt und kann als Sollwert für die vorgegebene Ladespannung an die Ladeschaltung weitergegeben werden. Unterschreitet der weitergeleitete Spannungswert die zulässige Maximalspannung, wird vom Vergleicher ein reduziertes Steuersignal an den Integrator weitergeleitet, welcher dadurch einen mit der Zeit absinkenden Sollwert für die Ladeschaltung erzeugt. Auf diese Weise wird die vorgegebene Ladespannung so ausgeregelt, dass die Batterie-Zelle der Batterie mit der höchsten Spannung gerade im Bereich ihrer höchsten zulässigen Spannung gehalten wird.
Vorzugsweise ist der Regler so ausgeführt, dass die vorgegebene Ladespannung einen gewissen Grenzwert nicht überschreiten kann. Insbesondere kann dieser Grenzwert so bemessen sein, dass der Ladestrom während der zweiten Phase des Ladevorgangs den Wert des Ladestromes in der ersten Phase nicht überschreitet.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgeführt ist, dass der Ladevorgang beendet wird, wenn der Ladestrom in der zweiten Phase des Ladevorgangs eine Abschaltschwelle unterschreitet.
Weiterhin können sowohl die Messeinrichtung, die Maximalwert-Ermittlungseinheit, der Vergleicher und der Integrator so ausgeführt sein, dass sie digital arbeiten und daher die Spannungswerte und die Zeit als diskrete Zahlenwerte verarbeiten. Insbesondere kann in diesem Fall ein Teil der Vorrichtung in einer Mikroprozessor-gesteuerten Schaltung in Form einer gespeicherten Befehlsfolge implementiert sein.
Ein spezielle Vorteil der Ausführungsform der Erfindung, welche die Signale digital verarbeitet besteht darin, dass sämtliche Parameter zur Ermittlung und Regelung der vorgegebenen Ladespannung sehr leicht modifiziert werden können. So kann der Maximalwert der Zellenspannung, der maximale Ladestrom und die Abschaltschwelle leicht modifiziert werden. Beispielsweise kann auch eine Temperaturabhängigkeit der maximalen Zellenspannung mitberücksichtigt werden. Außerdem kann aber auch das Verhalten des Reglers einfach modifiziert werden, indem beispielsweise die Zeitkonstante des Integrators verändert wird. Darüberhinaus können aber auch optimierte Regelalgorithmen implementiert werden, welche sich nur schwer über analoge Schaltungen realisieren lassen.
Die weiteren Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
Die vorliegende Erfindung bietet folgende Vorteile:

– Der Ladevorgang wird so ausgeführt, dass bei keiner Batterie-Zelle eine vorgegebene Spannungsgrenze überschritten wird.
– Die Ladespannung während der zweiten Phase des Ladevorganges kann auch wieder angehoben werden, wenn die Spannung der Batterie-Zelle mit der höchsten aktuellen Spannung wieder unter die vorgegebene Spannungsgrenze sinkt.
– Die Regelung der Ladespannung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht ein schnelles und vollständiges Laden einer Batterie, die aus einer Vielzahl von in Serie geschalteten Batterie-Zellen besteht.
– Auch wenn zusätzlich eine Schaltung zum Ausbalancieren der Spannungen einzelner Batterie-Zellen verwendet wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung gleichzeitig anwendet werden ohne auf die Schaltung zum Ausbalancieren der Spannungen abgestimmt zu werden.
– Die erfindungsgemäße Steuerung und Regelung des Ladevorgangs kann teilweise in Form einer digitalen Schaltung realisiert werden, wodurch die entsprechenden Ladeparameter und auch die Ladecharakteristik sehr leicht modifiziert und angepasst werden können.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zum Laden von Batterien auf Prüfständen, bei denen ein Batterie-Management-System nicht vorhanden ist oder nicht verwendet werden soll.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren beschrieben.
In 1 sind der Strom- und Spannungsverlauf eines zweiphasigen Ladevorganges für eine einzelne Batterie-Zelle einer Li-Ion-Batterie gemäß dem Stand der Technik gezeigt.
In 2 ist ein Ladevorgang einer Li-Ion-Batterie, bestehend aus 100 Batterie-Zellen als Zeitverlauf des Ladestromes und der einzelnen Spannungen dargestellt.
In 3 sind eine Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Regelung der Ladespannung, das regelbare Ladegerät und die Batterie dargestellt.
In 1 ist ein typischer zweiphasiger Ladevorgang einer Li-Ion-Batterie-Zelle dargestellt. Während der ersten Phase wird die Batterie-Zelle mit konstantem Strom geladen. Der Stromverlauf 11 hat im gezeigten Beispiel während dieser Zeit zwischen 0 und 10 Zeiteinheiten einen konstanten Wert von 40 A. Im gleichen Zeitraum steigt die Spannung 10 kontinuierlich an, bis sie bei 10 Zeiteinheiten einen Wert von 4,1 Volt erreicht. Diese Spannung von 4,1 Volt wird im vorliegenden Beispiel als vorgegebene Spannungsgrenze der Batterie-Zelle verwendet.
Entsprechend wird bei Erreichen der Spannung von 4,1 Volt die zweite Ladephase begonnen, während der die Ladespannung konstant auf dem Wert von 4.1 Volt gehalten wird. Im weiteren Verlauf des Ladevorganges sinkt der Ladestrom dabei ab, bis er eine Abschaltschwelle erreicht. In 1 liegt diese Abschaltschwelle bei einem Strom von ca. 1,5 Ampere, der nach etwa 23 Zeiteinheiten unterschritten wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Ladevorgang beeindet.
2 zeigt einen Ladevorgang einer Batterie die aus 100 in Serie geschalteten Batterie-Zellen besteht und die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geladen wird. In der ersten Phase von 0 bis 10 Zeiteinheiten wird die Batterie mit einem konstanten Strom geladen. Dabei steigt einerseits die Gesamtspannung 20 der Batterie kontinuierlich an, wobei die zugehörige Spannung in der linken Skala von 2 dargestellt ist. Gleichzeitig sind auch der Spannungsverlauf 22 der Zelle mit der höchsten Zellenspannung und der Spannungsverlauf 23 der Zelle mit der niedrigsten Zellenspannung dargestellt.
Zum Zeitpunkt bei 10 Zeiteinheiten erreicht die Zelle mit der höchsten Zellenspannung bereits ihre Spannungsgrenze von 4,1 Volt, wobei die gesamte Spannung der Batterie noch unter dem 100 fachen Wert von 410 Volt liegt. Bisherige Systeme würden zu diesem Zeitpunkt noch mit einem konstanten Ladestrom solange weiterladen, bis die gesamte Spannung der Batterie 410 Volt erreicht hat. Das erfindungsgemäße Verfahren reduziert zu dieser Zeit zwischen 10 und 11 Zeiteinheiten die Ladespannung 21 bei 26, so dass die Zellenspannung 22 der Batterie-Zelle mit der höchsten Spannung die Spannungsgrenze von 4,1 Volt nur geringfügig überschreitet, 25. Im weiteren Verlauf des Ladevorganges wird die Ladespannung so ausgeregelt, dass die Batterie-Zelle mit der höchsten Spannung ihre Spannungsgrenze von 4,1 Volt nicht überschreitet. Der Ladevorgang wird bei vorgegebener geregelter Ladespannung wieder fortgeführt bis der Ladestrom eine Abschaltschwelle unterschreitet. Zu diesem Zeitpunkt bei ca. 23 Zeiteinheiten wird der Ladevorgang beendet.
Die Darstellung in 2 ist nur mit einer beispielhaften Anzahl von Batterie-Zellen dargestellt. Sowohl die Anzahl von Batterie-Zellen, als auch die Ladeströme und die Zellenspannungen können je nach Batterietyp variieren.
In 3 sind eine Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Regelung der Ladespannung, das regelbare Ladegerät und eine Batterie 31 dargestellt. Die Vorrichtung der 3 kann beispielsweise Ladevorgänge wie unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben durchführen. Ein Mess-System 32 erfasst die Spannungswerte jeder einzelnen Batterie-Zelle und führt die Messwerte einer Maximalwert-Ermittlungseinheit 33 zu. Die Maximalwert-Ermittlungseinheit 33 ermittelt die Batterie-Zelle mit der höchsten aktuellen Zellenspannung und leitet den Spannungsverlauf dieser Batterie-Zelle an einen Vergleicher 34 weiter. Der Vergleicher 34 vergleicht die aktuelle Spannung der betreffenden Batterie-Zelle mit einem vorgegebenem Spannungsgrenzwert. Wenn die Spannung der betreffenden Batterie-Zelle den vorgegebenen Spannungsgrenzwert überschreitet, gibt der Vergleicher ein erhöhtes Steuersignal aus; andernfalls, wenn die Spannung der betreffenden Batterie-Zelle den vorgegebenen Spannungswert unterschreitet, gibt der Vergleicher reduziertes Steuersignal aus. Es ist zu bemerken, dass grundsätzlich auch verschiedene Spannungsgrenzwerte für verschiedene Zellen vorgesehen sein können, aber auch ein einziger Spannungsgrenzwert für alle Zellen verwendet werden kann. Dieses Steuersignal wird einem Integrator 35 zugeführt. Entsprechend dem Zeitverhalten des Integrators steigt das Ausgangssignal des Integrators 35 mit der Zeit langsam an, wenn der Integrator 35 ein erhöhtes Steuersignal vom Vergleicher 34 bekommt; andernfalls sinkt das Ausgangssignal des Integrators 35 mit der Zeit langsam ab. Das Ausgangssignal des Integrators 35 wird von einem Multiplizierer 36 mit der Anzahl der Zellen der Batterie 31 multipliziert um ein Spannungssignal zu bestimmen, welches äquivalent zur Soll-Ladespannung der Batterie ist. Eine weitere Regeleinrichtung 37, welche vorzugsweise digital ausgeführt ist, errechnet aus dem Spannungssignal des Multiplizierers 36 einen neuen Wert der Soll-Ladespannung zum Zeitpunkt n + 1. Die so ermittelte Soll-Ladespannung wird dem regalbaren Ladegerät 30 zugeführt, so dass das Ladegerät 30 die Batterie 31 entsprechend diesen Vorgaben laden kann.
3 zeigt nur ein spezifische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei entsprechend der vorhergehenden Beschreibung nicht alle in 3 dargestellten Komponenten für eine Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung notwendig sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2009/0015209 [0010]

Claims

Verfahren zum Laden einer Batterie (31), wobei die Batterie (31) aus mindestens zwei in Serie geschalteten Batterie-Zellen besteht und wobei das Verfahren umfasst: (i) Laden der Batterie (31) mit einem vorgegebenem konstanten Ladestrom, bis eine der mindestens zwei in Serie geschalteten Batterie-Zellen eine vorgegebene Spannungsgrenze erreicht; und (ii) nach Erreichen der Spannungsgrenze Laden der Batterie (31) mit einer geregelten Ladespannung, bis ein vom Ladezustand der Batterie (31) abhängiger Ladestrom eine Abschaltschwelle unterschreitet, wobei die geregelte Ladespannung so ausgeregelt wird, dass die Spannung an keiner der mindestens zwei in Serie geschalteten Batterie-Zellen die vorgegebene Spannungsgrenze überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geregelte Ladespannung kleiner oder gleich dem Produkt der vorgegebenen Spannungsgrenze und der Anzahl der mindestens zwei in Serie geschalteten Batterie-Zellen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Vergleichen der Spannung derjenigen Batterie-Zelle mit der höchsten Spannung mit einem vorgegebenen Grenzwert, um ein Steuersignal zu erhalten, Integrieren des Steuersignals, um eine Steuergröße zu erhalten, und Regeln der geregelten Ladespannung beim Ladevorgang während des Schritts (ii) in Abhängigkeit von der Steuergröße.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Begrenzen der beim Integrieren erhaltene Steuergrößen durch einen maximalen und/oder einen minimalen Wert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Ausgleichen unterschiedlicher Spannungen der mindestens zwei in Serie geschalteten Batterie-Zellen während des Ladevorgangs, indem mindestens eine der in Serie geschalteten Batterie-Zellen teilweise entladen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch aktive Übertragung von Ladung von Batterie-Zellen mit höherer Spannung auf Batterie-Zellen mit niedrigerer Spannung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Zurückkehren des Ladevorgangs während des Schritts (ii) zu Schritt (i), wenn der Ladestrom während des Schritts (ii) den vorgegebenen konstanten Ladestrom überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Laden einer Li-Ion-Batterie (31) verwendet wird.
Vorrichtung zum Laden einer Batterie (31), wobei die Batterie (31) aus mindestens zwei in Serie geschalteten Batterie-Zellen besteht, umfassend – ein Ladegerät (30) zum Laden der Batterie (31), – einen Vergleicher (34), welcher eingerichtet ist die Spannung der Batterie-Zellen mit einer vorgegebenen Spannungsgrenze zu vergleichen und das Ladegerät (30) so zu steuern, dass die Batterie (31) zunächst mit einem vorgegebenen konstanten Ladestrom geladen wird, bis eine der mindestens zwei in Serie geschalteten Batterie-Zellen die vorgegebene Spannungsgrenze erreicht, und – einen Regler, welcher eingerichtet ist, über das Ladegerät (30) eine geregelte Ladespannung so zu erzeugen, dass die Batterie nach dem Laden mit konstantem Ladestrom mit der geregelten Ladespannung geladen wird, wobei der Regler eingerichtet ist, die Ladespannung so zu regeln, dass die Spannung an keiner der mindestens zwei in Serie geschalteten Batterie-Zellen die vorgegebene Spannungsgrenze überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Mess-System (32) umfasst, welches eingerichtet ist, die Spannung jeder der mindestens zwei in Serie geschalteten Batterie-Zellen zu messen, und eine Maximalwert-Ermittlungseinheit (33) umfasst, welche eingerichtet ist, nur die gemessene Spannung derjenigen Batterie-Zelle mit dem höchsten Spannungswert an den Vergleicher (34) weiterzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Integrator (35) umfasst, welcher eingerichtet ist, das Ausgangssignal des Vergleichers (34) in eine Steuer-Spannung umzuwandeln, die ansteigt, wenn die Spannung der Batterie-Zelle mit dem höchsten Spannungswert die vorgegebene Spannungsgrenze überschreitet und die absinkt, wenn die Spannung der Batterie-Zelle die vorgegebene Spannungsgrenze unterschreitet, und wobei der Integrator (35) so ausgeführt ist, dass die erzeugte Steuer-Spannung durch einen maximalen und einen minimalen Wert begrenzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Multiplizierer (36) umfasst, welcher eingerichtet ist, die Steuer-Spannung des Integrators (35) mit der Anzahl der Zellen zu multiplizieren, um so eine Steuergröße für das Ladegerät (30) zu erhalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein aktueller Sollwert der Ladespannung über eine digitale Regeleinrichtung (37) aus einem vorherigen Sollwert der Ladespannung und einer Regelabweichung ergibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Laden einer Li-Ion-Batterie (31) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.