DE102011089955A1

DE102011089955A1 - Verfahren zur Leistungssteigerung einer Batterie, Batterie-Management-System und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011089955A1
Application number: DE102011089955A
Authority: DE
Inventors: Xiaofeng Yan; Christian Pankiewitz; Andreas Heyl
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-06-27

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, beschrieben, bei dem die Temperatur der Batterie erhöht wird, wobei die Temperaturerhöhung durch alternierendes Laden (10) und Entladen (20) der Batterie realisiert wird, und das jeweilige Laden (10) beziehungsweise Entladen (20) über eine maximale Zeitdauer (tch) erfolgt, und nach Erreichung eines bestimmten Temperaturgrenzwertes die Ladung der Batterie in einem Ladungsänderungsprozess (50) geändert wird, wobei im Ladungsänderungsprozess (50) die Ladung (Q) der Batterie über eine Ladungsänderungszeit (tap) gemindert oder erhöht wird,
und die maximale Zeitdauer eines jeweiligen Ladens beziehungsweise Entladens (tch) zur Ladungsänderungszeit (tap) im folgenden Verhältnis steht:
tch ≤ 1/3 tap.
Außerdem werden ein Batterie-Management-System und ein Kraftfahrzeug beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, sowie ein Batterie-Management-System, mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren zur Leistungssteigerung durchgeführt werden kann. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Batterie-Management-System aufweist.
Batteriezellen sowie aus Batteriezellen zusammengesetzte Batterien sind weitgehend bekannt. Dabei ist unter einer Batteriezelle sowie auch unter einer aus Batteriezellen zusammengesetzten Batterie jeweils ein Akkumulator zu verstehen, der elektrisch ladbar und wieder entladbar ist. Die Batteriezelle ist dabei eine einzelne galvanische Zelle, die je nach Kombination der Materialien der Elektroden der Zelle eine charakteristische Spannung liefert. Zum Aufbau einer Batterie aus mehreren Batteriezellen werden diese elektrisch in Serie oder parallel geschaltet.
Es sind dabei insbesondere Lithium-Ionen-Batterien bekannt, die als wiederaufladbare Energiespeicher insbesondere in mobilen Geräten oder Einrichtungen Anwendung finden. Lithium-Ionen-Batterien sind insbesondere zur Elektrifizierung beziehungsweise zur Teilelektrifizierung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen vorgesehen.
Die Batterien solcher Fahrzeuge können dabei über einen Generator, der gegebenenfalls auch eine Elektromotorfunktion aufweist, als auch über einen Anschluss an einem externen Netzwerk ladbar sein.
Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien ist die Leistungsfähigkeit der Batterie beim Laden und Entladen temperaturabhängig. Die Batterie erlaubt bei tiefen Temperaturen einen deutlich geringeren Ladestrom beziehungsweise Entladestrom, als wenn sich die Batterie in einem optimalen Betriebstemperaturbereich befindet. Dies führt unter anderem dazu, dass eine Aufladung der Batterie bei geringen Temperaturen, wie zum Beispiel im Winter, deutlich länger dauert als bei höheren Temperaturen und somit die Startfähigkeit und Betriebsbereitschaft des Elektrofahrzeuges stark verzögert wird. Außerdem kann insbesondere bei tiefen Temperaturen ein zu starker Lade- beziehungsweise Entladestrom zu einer irreversiblen Schädigung der Batteriezellen führen, so dass ein sicherer Betrieb auf Dauer nicht mehr gewährleistet ist. Derartige Beschädigungen können sogar zu einem sogenannten thermischen Durchgehen („thermal runaway“) der Batteriezellen beziehungsweise einer gesamten Batterie führen, mit den möglichen Folgen eines Batteriebrandes und/oder dem Austritt von gefährlichen chemischen Substanzen.
Stand der Technik
Zur Temperierung von Batterien ist es bekannt, mittels einer externen Wärmequelle die Temperatur der Batteriezellen beziehungsweise der Batterie auf ein gewünschtes Temperaturniveau zu erhöhen.
Weiterhin ist bekannt, dass sich im Zuge der Aufladung einer Batterie deren Temperaturniveau erhöht, so dass anschließend an einer Aufladung die Batterie innerhalb ihrer optimalen Betriebstemperaturgrenzen betrieben werden kann. Dabei ist jedoch zu beachten, dass bei einer Aufladung bei relativ geringen Temperaturen der Ladestrom relativ schwach sein muss, um nicht die Betriebsgrenzen der Batterie zu überschreiten.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, zur Verfügung gestellt, bei dem die Temperatur der Batterie erhöht wird, wobei die Temperaturerhöhung durch alternierendes Laden und Entladen der Batterie realisiert wird und das jeweilige Laden beziehungsweise Entladen über eine maximale Zeitdauer tch erfolgt, und nach Erreichung eines bestimmten Temperaturgrenzwertes die Ladung der Batterie in einem Ladungsänderungsprozess geändert wird, wobei im Ladungsänderungsprozess die Ladung der Batterie über eine Ladungsänderungszeit tap gemindert oder erhöht wird, und die maximale Dauer eines jeweiligen Ladens beziehungsweise Entladens tch zur Ladungsänderungszeit tap im Verhältnis von tch ≤ 1/3 tap steht. Die Batterie kann dabei eine oder mehrere Batteriezellen aufweisen. Vorzugsweise werden mehrere Lade- und Entladeprozesse alternierend durchgeführt, wobei jeweils nach einem Ladeprozess ein Entladeprozess realisiert wird. Durch das Verhältnis von tch ≤ 1/3 thp wird hierbei zum Ausdruck gebracht, dass die Phase des Ladungsänderungsprozesses, in dem die Ladung der Batterie über eine Änderungszeit tap, zum Beispiel durch Speisung eines elektrischen Verbrauchers gemindert oder zum Beispiel durch Aufladung erhöht wird, wesentlich länger ist als die Zeit der jeweiligen Phasen der Lade- beziehungsweise Entladevorgänge, die der Temperaturerhöhung der Batterie dienen. Der Ladungsänderungsprozess muss dabei nicht unmittelbar im Anschluss an das alternierende Laden und Entladen erfolgen. Die maximale Zeitdauer tch für ein jeweiliges Laden oder Entladen kann zum Beispiel zwischen 1 und 3 Sekunden betragen, wobei die Ladungsänderungszeit tap mindestens 1 Minute betragen kann. In einem üblichen Ladungsänderungsprozess bei einer Aufladung der Batterie zwecks Ladungserhöhung beträgt die Ladungsänderungszeit mindestens 5 Minuten. Bei einer normalen Speisung wenigstens eines Elektromotors zum Antrieb eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges beträgt die Ladungsänderungszeit in über 95 % der Anwendungsfälle mindestens ebenfalls 1 Minute.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäße beschriebene Ladestrategie kann der Ladestrom insbesondere bei tiefer Ausgangstemperatur deutlich erhöht werden und die Batterie schonend und somit Lebensdauer verlängernd aufgeladen werden. Außerdem kann die Unterschreitung einer Betriebsgrenze und demzufolge eine daraus resultierende Havarie vermieden werden, wenn durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Unterkühlung der Batterie beim Aufladen oder beim Entladen der Batterie im Zuge ihrer zweckbestimmten Nutzung vermieden wird.
Der Vorteil der Erfindung liegt somit insbesondere darin, dass aufgrund der optimalen Temperierung der Batterie höhere Ladeströme realisiert werden können, welche kürzere Ladezeiten ermöglichen. Dies erhöht wesentlich den Komfort der Nutzung der Batterie beziehungsweise eines daran angeschlossenen Kraftfahrzeuges, da somit keine langen Wartezeiten für eine erneute Nutzung des Kraftfahrzeuges entstehen. Weiterhin wird die Sicherheit des Betriebes der Batterie erhöht, da diese von sicherheitsrelevanten Betriebsgrenzen entfernt betrieben werden kann.
Weiterhin wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Lebensdauer der Batterie erhöht, wenn diese ständig im optimalen Temperaturbereich betrieben werden kann. Hinzu kommt, dass keine externe elektrische Wärmequelle vorhanden sein muss, um ein Thermo-Management der Batterie zu realisieren.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind lediglich Temperatursensoren notwendig, die die Temperatur in der Batterie beziehungsweise im Batteriepack und die der Umgebung erfassen. Bei Unterschreitung eines vordefinierten Tieftemperatur-Schwellenwertes in der Batterie und beabsichtigter Ladungsänderung der Batterie wird das erfindungsgemäße Verfahren zwecks Erwärmung der Batterie realisiert. Der Schwellenwert ist dabei derart zu definieren, dass ein hoher Lade- beziehungsweise Entladestrom möglich ist. Der Schwellenwert kann zum Beispiel bei einer Temperatur von 10 °C liegen. Dadurch lässt sich auch nach Abstellung eines elektrisch betreibbaren Fahrzeuges dessen Batterie warmhalten, um bei einem späteren Neustart des Fahrzeuges oder einer Aufladung der Batterie diese bereits im optimalen Temperaturbereich betreiben zu können.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt, dass die Ladung der Batterie nach Durchführung des alternierenden Ladens und Entladens einen Wert innerhalb des Ladungs-Wertebereiches zwischen den Amplituden des ersten Ladevorganges und des ersten Entladevorganges aufweist. Das heißt, dass sich hier die Ladung nicht oder nur unwesentlich verändert, nämlich lediglich im Ladungs-Wertebereich zwischen den Amplituden des ersten Ladevorganges und des ersten Entladevorganges.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei den Effekt auf, dass sich die Batterie beim Laden und Entladen erwärmt. Die Wärmeproduktion in den Batteriezellen beim Laden und Entladen setzt sich hauptsächlich aus einem Joule’schen Effekt und Reaktionswärme anteilig zusammen, in Abhängigkeit von der Stromstärke haben beide Anteile aber jeweils einen höheren beziehungsweise geringeren Einfluss.
Das erfindungsgemäße Erwärmen der Batterie mittels alternierenden Ladens und Entladens kann mittels einer sogenannten „Großstrom-Strategie“ und einer sogenannten „Kleinstrom-Strategie“ durchgeführt werden.
Bei der Großstrom-Strategie erfolgt das alternierende Laden und Entladen der Batterie mindestens mit einer 10C-Rate für eine Batterie, die für ein typisches Hybrid-Kraftfahrzeug vorgesehen ist; und mindestens mit einer 2C-Rate für eine Batterie, die über einen externen Netzanschluss ladbar ist und ebenfalls für ein typisches Hybrid-Kraftfahrzeug vorgesehen ist; oder für eine Batterie, die für ein rein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug vorgesehen ist.
Das heißt, dass zum Beispiel eine Batterie mit einem Ladungsspeichervermögen von 5 Ah (Batterie, die für ein typisches Hybrid-Kraftfahrzeug vorgesehen ist) mit einer Stromstärke von mindestens 50 A geladen wird; und eine Batterie mit einem Ladungsspeichervermögen von 60 Ah (sogenannte Plug-In-Batterie, das heißt Batterie, die über einen externen Netzanschluss ladbar ist und ebenfalls für ein typisches Hybrid-Kraftfahrzeug vorgesehen ist; oder Batterie, die für ein rein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug vorgesehen ist), mit einer Stromstärke von mindestens 120 A geladen wird.
Die angegebenen Werte gehen dabei von einem Ladungszustand (SOC) von ungefähr 50 % aus und müssen demzufolge bei einem deutlich höheren oder einem deutlich geringeren Ladungszustand entsprechend angepasst werden.
Das heißt, dass das Lade-Entlade-Stromprofil mit einem relativ hohen Strom erzeugt wird. Die Wärmeproduktion entsteht dabei hauptsächlich aufgrund des Joule’schen Effektes über den Ohm’schen Innenwiderstand der Batterie. Es werden dabei bevorzugt konstante Laden-Entladen-Zyklen gefahren, wobei die Batterie jedoch am Ende dieser Zyklen nicht aufgeladen ist, sondern nur durch den Stromfluss aufgeheizt beziehungsweise auf einem passenden Temperaturniveau gehalten wird. Die Stromstärke für das jeweilige Laden und Entladen hängt dabei von der Zieltemperatur ab, ist jedoch aus Sicherheitsaspekten durch den maximal erlaubten Ladestrom begrenzt. Der maximal erlaubte Ladestrom kann im Hinblick auf die Lebensdauer und/oder auf die Temperaturabhängigkeit definiert werden.
Der Vorteil dieser Verfahrensausgestaltung liegt darin, dass die Batterie warmgehalten oder erwärmt werden kann, ohne eine zusätzliche externe Aufheizung vorzusehen. Das Verfahren ist ideal geeignet zur Vorkonditionierung der Batterie für ein zeitgesteuertes Aufladen. Mehrere Betriebsstrategien, wie zum Beispiel eine Schnellaufladung, können im Anschluss an die erfindungsgemäße Erwärmung sofort durchgeführt werden.
Dabei kann diese Verfahrensausgestaltung derart durchgeführt werden, dass zwischen wenigstens zwei Phasen des alternierenden Ladens und Entladens eine Ladepause mit einer Pausenzeit tp durchgeführt wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zwischen allen Phasen des alternierenden Ladens und Entladens Ladepausen mit einer Pausenzeit tp durchgeführt werden. Das heißt, dass auch wie bei der vorher erwähnten Verfahrensvariante im Wesentlichen kontinuierliche Laden-Entladen-Zyklen mit konstantem (relativ hohem) Strom realisiert werden, wobei der Betrag des Ladestroms gleich dem Betrag des Entladestroms ist und das Lade-Zeitfenster (Ladedauer) gleich dem Entlade-Zeitfenster (Entladedauer) ist. Somit ist keine Aufladung der Batterie nach dem alternierenden Laden und Entladen zu verzeichnen. Allerdings werden zwischen den Phasen des Ladens und Entladens Pausen durchgeführt. Da die Joule’sche Wärmeproduktion sich zum Stromfluss quadratisch verhält, kann durch Erhöhung des Stromflusses die Zeit stark reduziert werden, die benötigt wird, um die gleiche Wärmemenge zu produzieren. Somit kann zwischen den Lade- und Entladephasen auch jeweils eine Pause integriert werden. Dies lässt sich durch eine einfache Regelung wie zum Beispiel durch Taktung mit Pulsweitenmodulation (PWM) realisieren. Diese Verfahrensausgestaltung eignet sich insbesondere auch für eine Anwendung mit schneller kapazitiver Ladung und Entladung. Somit kommen prinzipiell auch Supercaps als Ladequelle in Frage. Vorzugsweise sollte die Pausenzeit tp zur Zeitdauer eines jeweiligen Ladens beziehungsweise Entladens tch in dem Verhältnis von tp ≥ tch sein. Bei einer Ladepause wird jedoch nicht wie beim Ladungsänderungsprozess der Ladungswert der Batterie geändert, sondern der Ladungswert bleibt über die Pausenzeit hinweg gleich.
Zur Realisierung der Kleinstrom-Strategie kann das alternierende Laden und Entladen der Batterie derart ausgeführt werden, dass das alternierende Laden und Entladen der Batterie maximal mit einer 10C-Rate für eine Batterie, die für ein typisches Hybrid-Kraftfahrzeug vorgesehen ist; und maximal mit einer 2C-Rate für eine Batterie, die über einen externen Netzanschluss ladbar ist und ebenfalls für ein typisches Hybrid-Kraftfahrzeug vorgesehen ist; oder für eine Batterie, die für ein rein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug vorgesehen ist, erfolgt.
Das heißt, dass zum Beispiel eine Batterie mit einem Ladungsspeichervermögen von 5 Ah mit einer Stromstärke von maximal 50 A; und eine Batterie mit einem Ladungsspeichervermögen von 60 Ah mit einer Stromstärke von mindestens 120 A geladen wird.
Auch diese angegebenen Werte gehen dabei von einem Ladungszustand (SOC) von ungefähr 50 % aus und müssen demzufolge bei einem deutlich höheren oder einem deutlich geringeren Ladungszustand entsprechend angepasst werden.
Das heißt, dass hierbei die beim Laden-Entlade-Prozess mit geringem Stromfluss erzeugte Reaktionswärme genutzt wird. In dieser Verfahrensausgestaltung werden die beiden genannten Wärmeproduktionsmöglichkeiten genutzt, wobei die Reaktionswärme eine relativ große Rolle bei der Erwärmung der Batterie spielt. Somit kann die Batterieerwärmung auch mit einem relativ geringen Strom realisiert werden. Dabei ist die Reaktionswärme nicht über den gesamten Ladungsbereich von 0 bis 100 % gleich, sondern es existiert ein Ladungsbereich, wo die Reaktionswärme ein Maximum beziehungsweise ein Minimum aufweist. Insbesondere der Ladungsbereich mit der maximalen Reaktionswärme wird dabei erfindungsgemäß genutzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dann vorteilhaft ausgebildet, wenn die Temperaturerhöhung der Batterie durch Laden und Entladen zu einem Zeitpunkt beziehungsweise über eine Zeitdauer realisiert wird, wenn der Preis des Bezuges des Stroms aus einem Netz zum Laden der Batterie über einer bestimmten Preisgrenze liegt. Das heißt, dass in Zeiten hoher Stromtarife der relativ hochpreisige Strom während des Ladens aus dem Netz bezogen und während des Entladens wieder zu denselben Konditionen in das Netz eingespeist wird. So lässt sich eine Erwärmung der Batterie auch in Zeiten relativ teurer Elektroenergie weiterhin kostengünstig realisieren.
In einer weiteren Verfahrensausgestaltung ist vorgesehen, dass parallel zum alternierenden Laden und Entladen eine Aufladung der Batterie vorgenommen wird, so dass die Ladung der Batterie nach Durchführung des alternierenden Ladens und Entladens einen Wert oberhalb des durch die Amplituden des ersten Ladevorganges und dessen Entladevorganges begrenzten Ladungs-Wertebereiches aufweist. Dadurch wird die Batterie während und/oder mittels der Aufladung warmgehalten oder erwärmt.
Vorzugsweise wird diese Verfahrensvariante durchgeführt, wenn der Preis des Bezuges des Stroms aus einem Netz zum Laden der Batterie unterhalb einer bestimmten Preisgrenze liegt. Das heißt, dass bevorzugt in Zeiten niedriger Stromtarife eine Temperaturerhöhung der Batterie durch Aufladen, parallel zum alternierenden Laden und Entladen, realisiert wird.
Beispielsweise lässt sich die Batterie auf einen vordefinierten Ladungswert SOC (state of charge) aufladen, der geringer ist als 10 % der möglichen Ladung. Dabei ist die Batterietemperatur noch geringer als ein vordefinierter Mindestwert. Anschließend lassen sich die erfindungsgemäßen Lade- und Entladezyklen realisieren, so dass die Batterietemperatur relativ schnell den gewünschten Mindest-Temperaturwert erreicht. Danach kann die Batterie zum Beispiel mit maximalem Ladestrom weiter aufgeladen werden.
In einem intelligenten Netzwerk, in dem die Batterie eines Elektrofahrzeuges zum Beispiel auch als Energiepuffer verwendet wird, hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass das alternierende Laden und Entladen relativ kostenneutral durchgeführt werden kann, da der bei der Ladung aus dem Netz entnommene Strom bei der Entladung zum gleichen oder ähnlichen Tarif wieder in das Netz eingespeist wird. Eine Aufladung der Batterie kann jedoch auch zu einem Zeitpunkt realisiert werden, zu der günstige Stromtarife bestehen. Durch die Vorwärmung der Batterie kann eine anschließende Aufladung außerdem schneller erfolgen, so dass eine geringere Abhängigkeit von Tarifschwankungen besteht.
Bei einer Steuerung der beschriebenen Prozesse über einen längeren Zeitraum wäre es zudem möglich, beim Warmhalten der Batterie diese parallel langsam zu entladen, wie zum Beispiel in der Zeit relativ hoher Stromtarife. In Zeiten günstiger Stromtarife kann das Warmhalten wiederum mit paralleler Aufladung erfolgen, so dass zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, zu dem ein Elektrofahrzeug fahrbereit sein soll, die Batterie wieder komplett aufgeladen ist und sich im optimalen Temperaturbereich befindet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Batterie-Management-System, welches derart ausgestaltet ist, dass es ein alternierendes Laden und Entladen der Batterie derart steuern kann, dass sich die Temperatur der Batterie erhöht, wobei das jeweilige Laden beziehungsweise Entladen über eine maximale Zeitdauer tch realisiert wird, und das Batterie-Management-System weiterhin derart ausgestaltet ist, dass mit ihm nach Erreichung eines bestimmten Temperaturgrenzwertes die Ladung der Batterie in einem Ladungsänderungsprozess änderbar ist, wobei im Ladungsänderungsprozess die Ladung der Batterie über eine Änderungszeit tap gemindert oder erhöht wird, und die maximale Zeitdauer eines jeweiligen Ladens beziehungsweise Entladens tch zur Ladungsänderungszeit tap in einem Verhältnis von tch ≤ 1/3 tap steht. Das heißt, dass das erfindungsgemäße Batterie-Management-System derartige Lade- und Entladevorgänge sowie ein anschließendes Aufladen oder Speisen eines Verbrauchers mit elektrischer Energie aus der Batterie steuert, wobei einer der alternierenden Lade- beziehungsweise Entladevorgänge maximal ein Drittel der Zeit dauert, mit der anschließend der Ladungszustand geändert wird, wie zum Beispiel bei einer Aufladung der Batterie oder beim Betrieb eines Kraftfahrzeuges, welches mit der Batterie und dem Batterie-Management-System ausgestattet ist. Das heißt, dass das erfindungsgemäße Batterie-Management-System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Leistungssteigerung einer Batterie ausgestaltet ist. Dabei kann das Batterie-Management-System auch die Batterie umfassen.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches insbesondere ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug sein kann, und welches ein erfindungsgemäßes Batterie-Management-System aufweist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Leistungssteigerung einer Batterie beziehungsweise durch das erfindungsgemäße Batterie-Management-System lässt sich eine Vielzahl an Auflade- und Betriebsszenarien umsetzen, wie zum Beispiel eine schnelle Aufladung, eine sofortige Fahrbereitschaft, eine schnelle Standheizung eines Kraftfahrzeuges und/oder eine flexible Nutzung der Batterie als Puffer in einem intelligenten Netz. Dabei werden im Wesentlichen eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, und ein elektrisch antreibbares Fahrzeug benötigt, welches auch ein Hybrid-Fahrzeug sein kann. Weiterhin werden ein Ladegerät zur Realisierung der Ladeprozesse sowie eine Stromquelle, welche zum Beispiel eine Ladestation zur Einspeisung von Wechselstrom aus einem Netz oder eine Ladestation zur Einspeisung von Gleichstrom aus Energiespeichern sein kann, benötigt. Das Ladegerät sollte in der Lage sein, Strom aus einem Netz für die Batterie zur Verfügung zu stellen und auch umgekehrt von der Batterie zur Verfügung gestellten Strom in das Netz einzuspeisen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes kontinuierliches Laden und Entladen mit anschließendem Ladungsänderungsprozess,
2 ein erfindungsgemäßes Laden und Entladen mit Pausen zwischen den jeweiligen Phasen,
3 das erfindungsgemäße Laden und Entladen mit anfänglicher Aufladung, und
4 das erfindungsgemäße Laden und Entladen bei gleichzeitiger Aufladung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den 1, 2 und 4 ist dabei der Ladestrom mit einer Stromstärke I über der Zeit t dargestellt. Daraus ergibt sich das jeweilige Stromprofil 1.
In 3 ist die Ladung Q über der Zeit t dargestellt. Daraus ergibt sich das in 3 dargestellte Ladungsprofil 2.
In einfachster Ausgestaltung wird das erfindungsgemäße Verfahren gemäß 1 durchgeführt, wobei von einer Batterie ausgegangen wird, die in einem ersten Ladevorgang 11 geladen wird und in einem anschließenden ersten Entladevorgang 21 wieder entladen wird, wobei sich die Ladevorgänge 10 und Entladevorgänge 20 abwechseln. Dadurch entsteht das erfindungsgemäße alternierende Laden 10 und Entladen 20. Das Laden 10 erfolgt über eine Ladedauer 12 und das Entladen 20 erfolgt über eine Entladedauer 22. Das Laden 10 beziehungsweise Entladen 20 erfolgt dabei über eine maximale Zeitdauer tch. Durch die Amplituden des Ladens 10 beziehungsweise Entladens 20 wird der Ladungs-Wertebereich 30 definiert. Nach dem letzten Vorgang des alternierenden Ladens 10 beziehungsweise Entladens 20 wird ein Ladungsänderungsprozess 50 durchgeführt, der jedoch nicht unmittelbar an den letzten Vorgang des Ladens 10 beziehungsweise Entladens 20 anschließen muss.
In 1 ist der Ladungsänderungsprozess 50 mit einer Stromabgabe und somit mit einer Ladungsminderung verbunden.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt, dass sich im Ladungsänderungsprozess die Ladung mindert, sondern die Ladung kann gegebenenfalls auch durch Aufladung der Batterie erhöht werden. Wesentlich ist jedoch, dass die Zeit tap, über die die Ladung geändert wird, wesentlich größer ist als die maximale Zeitdauer tch des Ladens 10 beziehungsweise Entladens 20. Daraus ist ersichtlich, dass die Batterie durch einen relativ schnellen Wechsel von relativ kurzzeitigen Lade- 10 beziehungsweise Entladevorgängen 20 erwärmt werden kann, bis sie auf einem entsprechenden Temperaturniveau ist, welches einen effizienten Ladungsänderungsprozess, wie zum Beispiel eine Aufladung oder eine Speisung eines elektrischen Verbrauchers, zulässt. Das heißt, dass in
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Betrag des Ladestroms genauso groß ist wie der Betrag des Entladestroms. Vorzugsweise ist auch die Ladedauer 12 genauso groß wie die Entladedauer 22. Eine Netto-Aufladung der Batterie am Ende des alternierenden Ladens und Entladens hat dabei einen Wert innerhalb des Ladungs-Wertebereiches 30. Das heißt, dass sich die Ladung der Batterie nicht über die Amplitudenwerte der alternierenden Lade- beziehungsweise Entladevorgänge 10, 20 geändert hat.
In 2 ist eine Verfahrensvariante dargestellt, bei der Phasen des alternierenden Ladens und Entladens jeweils durch eine Ladepause 40 mit einer Pausenzeit tp unterbrochen sind. Zur Verdeutlichung des Unterschiedes gegenüber der ersten, in 1 dargestellten Verfahrensvariante ist deren Verlauf auch in 2 gestrichelt angedeutet. Der Vorteil der in 2 dargestellten Verfahrensvariante liegt insbesondere darin, dass durch die kontinuierlichen Lade-Entlade-Zyklen 10, 20 mit konstanten, dafür aber gegebenenfalls höheren Strombeträgen mit integrierten Pausen effizient eine Batterieerwärmung zu realisieren ist. Da sich die Joule’sche Wärmeproduktion quadratisch zum Stromfluss verhält, kann durch die Erhöhung des Stromflusses die Zeit stark reduziert werden, die benötigt wird, um die gleiche Wärmemenge zu produzieren. Demzufolge können auch Pausen in den Prozess des alternierenden Ladens und Entladens integriert werden.
Wie bereits erwähnt, können zur Verwirklichung dieses Verfahrens auch Ladequellen genutzt werden, welche eine schnelle kapazitive Ladung realisieren, wie zum Beispiel sogenannte Supercaps. Die Pausenzeit tp sollte zur Zeitdauer eines jeweiligen Ladens 10 beziehungsweise Entladens 20 tch in dem Verhältnis von tp ≥ tch liegen.
In 3 ist eine weitere Verfahrensalternative dargestellt, bei der der erste Ladevorgang 11 einen Ladungserhöhungsbetrag bewirkt, der von den weiteren Beträgen des Ladens 10 beziehungsweise Entladens 20 nicht mehr erreicht wird. Nach Erreichung des vorbestimmten Ladungswertes wird das erfindungsgemäße Verfahren, wie zu 1 beschrieben, weiter realisiert, jedoch vorzugsweise mit einem geringeren Stromstärkebetrag. Dabei ist der Joule’sche Anteil der Wärmeproduktion QJ konstant, nämlich sowohl beim Laden 10 als auch beim Entladen 20 aufgrund des konstanten Stroms. Die Reaktionsenthalpie Qrev, die mit der gestrichelten Linie angedeutet ist, ist beim Laden 10 exotherm (positiver Betrag) und beim Entladen 20 endotherm (negativer Betrag), wobei die Wärmeproduktion beim Laden 10 größer ist als die Wärmesenke beim Entladen 20. Dadurch wird eine Gesamtwärmeproduktion Qtotal realisiert, welche sich aus der Summe von dem Joule’schen Wärmeanteil QJ und der Reaktionsenthalpie Qrev zusammensetzt. Die Gesamtwärmeproduktion Qtotal ist in der Gesamtbilanz größer als der Joule’sche Wärmeanteil QJ.
In 4 ist eine weitere Verfahrensausgestaltung dargestellt, wobei ersichtlich ist, dass durch jedes Laden 10 eine Aufladung 60 vorgenommen wird, so dass der am Ende des alternierenden Ladens 10 beziehungsweise Entladens 20 realisierbare Ladungswert der Batterie sich oberhalb des Ladungs-Wertebereiches 30, der durch die Amplituden des ersten Ladevorganges 11 und des ersten Entladevorganges 21 definiert ist, befindet. Dadurch lässt sich der Prozess der Temperierung der Batterie mit einer Aufladung der Batterie kombinieren, so dass die Batterie bereits bei Beendigung des alternierenden Ladens beziehungsweise Entladens einen gewünschten Ladungswert aufweist.

Claims

Verfahren zur Leistungssteigerung einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, bei dem die Temperatur der Batterie erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhung durch alternierendes Laden und Entladen der Batterie realisiert wird, wobei das jeweilige Laden (10) beziehungsweise Entladen (20) über eine maximale Zeitdauer (tch) erfolgt, und nach Erreichung eines bestimmten Temperaturgrenzwertes die Ladung (Q) der Batterie in einem Ladungsänderungsprozess (50) geändert wird, wobei im Ladungsänderungsprozess (50) die Ladung (Q) der Batterie über eine Ladungsänderungszeit (tap) gemindert oder erhöht wird, und die maximale Zeitdauer eines jeweiligen Ladens beziehungsweise Entladens (tch) zur Ladungsänderungszeit (tap) im folgenden Verhältnis steht: tch ≤ 1/3 tap.
Verfahren zur Leistungssteigerung einer Batterie nach Anspruch 1, bei dem die Ladung (Q) der Batterie nach Durchführung des alternierenden Ladens (10) und Entladens (20) einen Wert innerhalb des Ladungs-Wertebereiches (30) zwischen den Amplituden des ersten Ladevorganges (11) und des ersten Entladevorganges (21) aufweist.
Verfahren zur Leistungssteigerung einer Batterie nach Anspruch 2, bei dem das alternierende Laden (10) und Entladen (20) der Batterie mindestens mit einer 10C-Rate für eine Batterie, die für ein typisches Hybrid-Kraftfahrzeug vorgesehen ist; und mindestens mit einer 2C-Rate für eine Batterie, die über einen externen Netzanschluss ladbar ist und ebenfalls für ein typisches Hybrid-Kraftfahrzeug vorgesehen ist; oder für eine Batterie, die für ein rein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug vorgesehen ist, erfolgt.
Verfahren zur Leistungssteigerung einer Batterie nach Anspruch 3, bei dem zwischen wenigstens zwei Phasen des alternierendes Ladens (10) und Entladens (20) eine Ladepause (40) mit einer Pausenzeit (tp) durchgeführt wird.
Verfahren zur Leistungssteigerung einer Batterie nach Anspruch 2, bei dem das alternierende Laden (10) und Entladen (20) der Batterie maximal mit einer 10C-Rate für eine Batterie, die für ein typisches Hybrid-Kraftfahrzeug vorgesehen ist; und maximal mit einer 2C-Rate für eine Batterie, die über einen externen Netzanschluss ladbar ist und ebenfalls für ein typisches Hybrid-Kraftfahrzeug vorgesehen ist; oder für eine Batterie, die für ein rein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug vorgesehen ist, erfolgt.
Verfahren zur Leistungssteigerung einer Batterie nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem die Temperaturerhöhung der Batterie durch Laden (10) und Entladen (20) realisiert wird, wenn der Preis des Bezuges des Stroms aus einem Netz zum Laden der Batterie über einer bestimmten Preisgrenze liegt.
Verfahren zur Leistungssteigerung einer Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem parallel zum alternierenden Laden (10) und Entladen (20) eine Aufladung (60) der Batterie vorgenommen wird, so dass die Ladung (10) der Batterie nach Durchführung des alternierenden Ladens (10) und Entladens (20) einen Wert oberhalb des durch die Amplituden des ersten Ladevorganges (11) und des ersten Entladevorganges (21) begrenzten Ladungs-Wertebereiches (30) aufweist.
Verfahren zur Leistungssteigerung einer Batterie nach Anspruch 7, bei dem die Temperaturerhöhung der Batterie durch Aufladung realisiert wird, wenn der Preis des Bezuges des Stroms aus einem Netz zum Laden (10) der Batterie unterhalb einer bestimmten Preisgrenze liegt.
Batterie-Management-System, welches derart ausgestaltet ist, dass es ein alternierendes Laden (10) und Entladen (20) einer Batterie derart steuern kann, dass sich die Temperatur der Batterie erhöht, wobei das jeweilige Laden (10) beziehungsweise Entladen (20) über eine maximale Zeitdauer (tch) realisiert wird, und das Batterie-Management-System derart ausgestaltet ist, dass mit ihm nach Erreichung eines bestimmten Temperaturgrenzwertes die Ladung (10) der Batterie in einem Ladungsänderungsprozess (50) änderbar ist, wobei im Ladungsänderungsprozess (50) die Ladung (10) der Batterie über eine Ladungsänderungszeit (tap) gemindert oder erhöht wird, und die maximale Zeitdauer eines jeweiligen Ladens beziehungsweise Entladens (tch) zur Ladungsänderungszeit (tap) im folgenden Verhältnis steht: tch ≤ 1/3 tap.
Kraftfahrzeug, insbesondere elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, umfassend ein Batterie-Management-System nach Anspruch 9.