DE102011107913A1

DE102011107913A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Schnellladung von Akkumulatoren

Info

Publication number: DE102011107913A1
Application number: DE102011107913A
Authority: DE
Inventors: Karsten Zeiske
Original assignee: Panasonic Industrial Devices Europe GmbH
Current assignee: Panasonic Industrial Devices Europe GmbH
Priority date: 2011-07-02
Filing date: 2011-07-02
Publication date: 2013-01-03
Anticipated expiration: 2031-07-03
Also published as: DE102011107913B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schnellladung von Akkumulatoren, die den elektrochemischen Anteil in der Klemmspannung unter Berücksichtigung des maximalen Ladestroms regelt. Die elektrochemische Spannung wird aus der Differenz der Klemmspannung und dem Produkt aus dem gemessen Innenwiderstand der Batterie und dem Ladestrom ermittelt. Die Temperatur der Batterie wird mit einem überlagerten Regler auf ihr zulässiges Maximum begrenzt.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Arbeitspunkt des Laders auf den Nullpunkt der Phase des komplexen Innenwiderstands der Batterie geregelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schnellladung von Akkumulatoren, die den elektrochemischen Anteil in der Klemmspannung unter Berücksichtigung des maximalen Ladestroms regelt.
Bekannte Ladegeräte arbeiten häufig nach dem Prinzip, dass entweder eine konstante Spannung oder ein konstanter Strom vorgegeben ist, mit der die Batterie geladen wird. Dabei stellt sich gemäß dem Ladezustand ein entsprechender Ladestrom oder Spannung an der Batterie ein. Bei dem sogenannten Konstantspannungsladen nimmt der anfänglich meist sehr hohe Ladestrom im Laufe der Zeit immer mehr ab. Damit nach der Ladezeit keine unzulässige Erwärmung der Batterie auftritt, wird der Ladestrom entsprechend begrenzt. Dies bedingt sehr lange Ladezeiten, um die Batterie vollständig aufzuladen.
Beim sogenannten Konstantstromladen wird in die Batterie mit einer entsprechend hohen Ladespannung ein konstanter Strom eingespeist. Beim Erreichen der maximalen Spannung an der Batterie wird der Ladestrom abgeschaltet. Diese maximale Spannung setzt sich aus der elektrochemischen Spannung und der Abfallspannung am Innenwiderstand der Batterie zusammen, d. h. die Batterie ist noch nicht voll geladen, wenn abgeschaltet wird. Wird jedoch weiter geladen, so erwärmt sich die Batterie unerwünscht.
Es sind auch Schnellladegeräte bzw. -verfahren bekannt, bei denen die Batterien in wesentlich kürzeren Zeiten aufgeladen werden als bei den vorher genannten. Dabei nimmt die Batterie am Anfang des Ladevorgangs einen sehr hohen Strom auf. Um eine Überhitzung der Batterie infolge von Überladung zu verhindern, wird der Ladestrom im Laufe des Ladevorgangs reduziert. Als Kriterium für die Auswahl des Ladestroms werden Ladezeit, Ladetemperatur und die Klemmspannung berücksichtigt. Die Klemmspannung sollte dabei im stromlosen Fall gemessen werden, damit die Abfallspannung am Innenwiderstand der Batterie nicht ein zu frühes Beenden des Ladevorgangs bewirkt.
DE 102 61 118 A1 beschreibt ein Batterieladegerät, das positive und negative Impulse in Form von Spannungen und Strömen der Batterie zuführt. Zwischen den einzelnen Stromimpulsen entsteht eine einstellbare Wartezeit, innerhalb dieser die Spannung an den Batteriepolen ermittelt wird. Je nach Stromstärke des vorherigen Impulses und der gemessenen Batteriespannung wird die Höhe, Dauer und Polarität des folgenden Pulses ermittelt.
DE000019520041A1 beschreibt ein Batterieladegerät, das eine Stromquelle über ein Schaltelement, das von einer Ladesteuerung angesteuert wird, mit der zu ladenden Batterie verbindet. Über die Zeiten von ein- und ausgeschaltetem Strom und die Höhe des Stromes wird der mittlere Ladestrom bestimmt, so dass die Ladesteuerung den Strom adaptiv anpasst.
DE102009003768A1 beschreibt ein Verfahren zum gleichzeitigen Laden einer elektrochemischen Stromquelle durch eine externe Stromquelle während der Stromentnahme mittels Frequenzimpulsen, wobei die Stromentnahme während der Impulszeiten der Frequenzimpulse und das Laden in den dazwischen liegenden Impulspausen erfolgen. Falls die mittels Frequenzimpulsen entnommene und die während der Pausen zugeführte Energie gleich sind, ermöglicht dieses Verfahren einen maximal aufgeladenen Zustand der elektrochemischen Stromquelle aufrecht zu erhalten.
Nachteilig an den beschriebenen Ladeverfahren ist, dass zum Messen der elektrochemischen Spannung der Ladevorgang unterbrochen werden muss, damit der Spannungsabfall am Innenwiderstand der Batterie die Messung nicht verfälscht. Die Stromabhängigkeit des Spannungsabfalls am Innenwiderstand der Batterie erfordert auch, dass die elektrochemische Spannung am Ladeschluss öfter gemessen wird, um eine erhöhte Spannung an der Batterie zu verhindern. Der Ladevorgang muss dann öfter unterbrochen werden, was die Ladezeit verlängert. Meistens wird daher die Ladeschlussspannung tiefer festgelegt, wodurch die Batterie nicht komplett geladen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladegerät zu konzipieren, das die Batterien unabhängig vom Spannungsabfall am Innenwiderstand der Batterie komplett läd.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs und ein Verfahren mit den Merkmalen des 7. Patentanspruchs gelöst, indem der elektrochemische Anteil in der Klemmspannung unter Berücksichtigung des maximalen Ladestroms geregelt wird. Die elektrochemische Spannung wird aus der Differenz der Klemmspannung und dem Produkt aus dem gemessen Innenwiderstand der Batterie und dem Ladestrom ermittelt. Die Temperatur der Batterie wird mit einem überlagerten Regler auf ihr zulässiges Maximum begrenzt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Ladestrom je nach Ladezustand und Temperatur optimal eingestellt wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren beschrieben:
1 zeigt schematisch den Aufbau des Laders.
2 zeigt vereinfacht den Aufbau einer elektrochemischen Zelle und ihr Ersatzschaltbild.
3 zeigt schematisch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.
In 1 sieht man den Aufbau des Laders schematisch dargestellt. Die Batterie (1) wird durch eine einstellbare Stromquelle (2) geladen. An dem Steuereingang der Stromquelle liegt ein durch den Oszillator (3) und den Modulator (4) amplitudenmoduliertes Signal an. Der Ausgangsstrom der Stromquelle I = I₀ + I₁e^iωt besteht aus einem konstanten Anteil I₀ und einem modulierten Anteil I₁. Dabei besteht zwischen I₀ und I₁ ein festes Amplitudenverhältnis α. Die Klemmspannung U_C der Batterie wird mit einem Differenzverstärker (5) aufgenommen. Sie setzt sich aus der ummodulierten elektrochemischen Spannung U_ovc und dem modulierten Spannungsabfall am Innenwiderstand U_R = IR_i zusammen. Im Mischer (6) wird der modulierte Anteil demoduliert und der konstante Anteil im folgenden Tiefpass (7) ausgefiltert. Das Ausgangssignal des Tiefpasses I₁R_i wird im Verstärker (8) um den Faktor α = I₀/I₁ verstärkt und an den invertierenden Eingang des Subtrahierers (9) geführt. Am nicht invertierten Eingang des Subtrahierers hegt die mit dem Tiefpass (10) geglättete Klemmspannung U_C der Batterie an, so dass am Ausgang des Subtrahierers die elektrochemische Spannung U_C – I₁R_iI₀/I₁ = U_C – I₀R_i = U_ocv anliegt. Diese dient als Ist-Wert für den Regler (11), dessen Ausgang die Steuerspannung für die Stromquelle (2) bereit stellt. Um den maximalen Ladestrom der Batterie nicht zu übertreffen, wird die Steuerspannung mit dem Limiter (12) auf einen für die jeweilige Batterie einstellbaren Maximalwert begrenzt. Der Soll-Wert des Spannungsreglers (11) wird über einen weiteren Limiter (13) von dem Temperaturregler (14) vorgegeben, an dessen Ist-Wert-Eingang das Ausgangssignal des Temperatursensors (15) der Batterie angeschlossen ist. Am Soll-Wert-Eingang wird das Signal (16) für die Maximaltemperatur der Batterie vorgegeben. Der Limiter (13) begrenzt den Soll-Wert des Spannungsreglers auf die zulässige Ladeschlussspannung der Batterie.
Der modulierte Ladestrom akkumuliert sich in der zu ladenden Zelle und lässt die elektrochemische Spannung der Zelle langsam im Vergleich zur Modulationsfrequenz ansteigen. Der Spannungsabfall am Innenwiderstand der Zelle folgt der Modulation des Stroms gegebenenfalls mit einer Phasenverschiebung. Somit ist im Frequenzregime die Klemmspannung in die unmodulierte elektrochemische Spannung plus dem Spannungsabfall am Innenwiderstand der Zelle durch den unmodulierten Anteil des Ladestroms und dem modulierten Anteil des Spannungsabfalls am Innenwiderstand aufgeteilt. Durch Demodulation und Filterung werden die beiden Spannungsanteile auch im Spannungsregime separiert. Dabei muss gegebenenfalls die Phase des Oszillators mit einem Phasenschieber angepasst werden. Am Ausgang des Tiefpassfilters erhält man das Signal aus Produkt der Modulationsamplitude des Stroms und dem Innenwiderstand der Zelle. Durch den Verstärkungsfaktor α ergibt sich daraus der Spannungsabfall am Innenwiderstand, der von der Klemmspannung abgezogen wird, um die elektrochemische Spannung zu erhalten. Diese wird in dem Regler auf die Ladeschlussspannung geregelt. Um die Zelle durch den anfangs sehr hohen Strom nicht zu überlasten, wird der Ladestrom begrenzt. Ein überlagerter Temperaturregler mit Begrenzer verhindert die Überhitzung der Zelle.
Der Innenwiderstand einer Batterie zeigt i. A. ohmsches, induktives und kapazitives Verhalten und ist damit deutlich komplexer als bisher betrachtet. 2 zeigt vereinfacht den Aufbau einer elektrochemischen Zelle bestehend aus der Kathode (1), der Anode (2) und dem dazwischen befindlichen Elektrolyten (3). Beim Laden finden an der Kathode Oxidationsvorgänge statt, d. h. die aus dem Elektrolyten kommenden Anionen werden entladen bzw. neutrale Atome werden zu Kationen. Die elektrochemische Reaktion findet immer an der Phasengrenze zwischen der Elektrode und der Elektrolytlösung statt. Das einfachste Modell der Phasengrenze ist eine elektrische Doppelschicht (4), die an der Kathode aus einer Schicht negativer Ladung an der Oberfläche der Elektrode und einer umgebenden Schicht positiver Ladung in der Lösung besteht. In ihr entsteht eine Polarisation aufgrund des Transports von Ladungsträgern und durch ungleichmäßige Konzentrationen bei Stromfluss. Beim Laden muss diese Polarisation durch das Anlegen einer überhöhten Spannung überwunden werden. Dieser Überspannung bei Stromfluss kann man einen Widerstand und eine Kapazität zuordnen. Im Ersatzschaltbild der Zelle in 2 repräsentiert L_i die Induktivität der Zellenverbinder und Elektroden, R_i den ohmschen Widerstand der Zellenverbinder, der Elektroden und des Elektrolyten, den Ladezustand der Zelle, Alterungseffekte und die Zellentemperatur. R_tA und C_dA sind der Widerstand durch Ladungstransfer und die Grenzflächenkapazität der Anode, R_tK und C_dK sind entsprechend für die Kathode.
Der Innenwiderstand von Batterien ist stark abhängig von der Frequenz. Da der Spannungsabfall am Innenwiderstand der Batterie über die Modulation des Stroms ermittelt wird, ist der gemessene Wert i. A. kleiner als der DC-Wert, bei dem geladen wird. Entsprechend ist der ermittelte Wert der elektrochemischen Spannung größer als real. Somit wird die Batterie nicht vollständig geladen.
Es ist also von Vorteil, die Batterie mit einem stark amplitudenmodulierten Strom zu laden. Da nun Messfrequenz und Ladestromfrequenz identisch sind, tritt der oben erwähnte Messfehler hier nicht auf. Weiterhin vorteilhaft ist, im Minimum des komplexen Innenwiderstands zu laden. Leider liegt dieses bei jeder Batterie bei einer anderen Frequenz.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die in 3 schematisch gezeigt ist, wird die Modulationsfrequenz auf das Minimum des komplexen Innenwiderstands der Batterie geregelt. Dazu wird die Frequenz des Oszillators (3) mit einem weiterem Oszillator (17) moduliert. Das Ausgangssignal des Verstärkers (8) wird abgegriffen und in einem weiteren Mischer (18) demoduliert, in einem Tiefpass (19) gefiltert und als Ist-Wert für den Arbeitspunktregler (20) des Oszillators (3) der Strommodulation verwendet. Der Soll-Wert des Arbeitspunktreglers ist Null.
Der komplexe Innenwiderstand beinhaltet neben dem Amplitudensignal auch ein Phasensignal. Durch das kapazitive und induktive Verhalten des Innenwiderstands hat dieser ein lokales Minimum, in dem das Phasensignal Null ist. In diesem Minimum muss daher die Phase des Oszillators am Eingang des Mischers nicht angepasst werden. Es ist vorteilhaft, auf die Frequenz, bei der das Minimum auftritt, zu regeln.
Durch Modulation der Frequenz des amplitudenmodulierten Stroms und Demodulation des resultierenden Spannungssignals kann ein Signal gewonnen werden, dass diese Regelung ermöglicht. Dabei muss die Frequenz der Frequenzmodulation klein gegen die Frequenz der Amplitudenmodulation sein, damit sie im Tiefpass (7) nicht zu stark gedämpft wird. Dessen Ausgangssignal entspricht, wie oben beschrieben, dem Produkt aus Innenwiderstand der Zelle und der Modulationsamplitude der Stromamplitudenmodulation. Entsprechend resultiert die Frequenzmodulation der Stromamplitudenmodulation in ein amplitudenmoduliertes Signal entsprechend der Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands der Zelle. Demoduliert und gefiltert ergibt sich entsprechend der Steigung der Widerstandskurve ein Signal mit Nulldurchgang an der Frequenz, an der der Innenwiderstand das Minimum hat. Anhand dieses Signals regelt der Regler (20) die Frequenz des Oszillators (3) auf das Minimum des komplexen Innenwiderstands.
In einer vorteilhaften Abwandlung der Erfindung ist die analoge Signalverarbeitung in den Komponenten (3) bis (20) durch eine digitale Signalverarbeitung ersetzt. Da der Innenwiderstand der Batterie stark nichtlinear und damit das Optimieren der analogen Regler kompliziert ist, können beim Einsatz digitaler Signalverarbeitung nichtlineare und Fuzzy Regler eingesetzt werden
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10261118 A1 [0005]
DE 000019520041 A1 [0006]
DE 102009003768 A1 [0007]

Claims

Ladegerät bestehend aus einer steuerbaren Stromquelle, an die die zu ladende Batterie angeschlossen wird, und einer Vorrichtung zur Messung der Klemmspannung der Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannung der Stromquelle mit einem Modulator und einem Oszillator amplitudenmoduliert wird und das Klemmspannungssignal zum Einen in einem Mischer demoduliert, einem Tiefpass gefiltert, einem Verstärker verstärkt und an den invertierten Eingang eines Subtrahierers angeschlossen wird, zum Anderen in einem weiteren Tiefpass gefiltert und an den nicht-invertierten Eingang des Subtrahierers angeschlossen wird, dessen Ausgang dem Ist-Wert-Eingang des Ladespannungsreglers zugeführt wird, der das unmodulierte Steuersignal der Stromquelle liefert, das in einem einstellbaren Begrenzer begrenzt wird, wobei der Sollwert-Eingang des Ladespannungsreglers über einen weiteren Begrenzer, der den Soll-Wert des Spannungsreglers auf die zulässige Ladeschlussspannung der Batterie begrenzt, an den Ausgang des Temperaturreglers angeschlossen ist, an dessen Ist-Wert-Eingang das Ausgangssignal des Temperatursensors der Batterie und dessen Soll-Wert-Eingang das Signal für die Maximaltemperatur der Batterie angeschlossen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von konstantem Strom und moduliertem Strom konstant ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaktor des Verstärkers dem Verhältnis von konstantem Strom und moduliertem Strom entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Oszillator und Mischer ein Phasenschieber geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Oszillators für die Amplitudenmodulation des Stroms von einem weiteren Oszillator moduliert wird und die demodulierte, gefilterte und verstärkte Klemmspannung der Batterie mit einem weiteren Mischer bezüglich der Frequenzmodulationsfrequenz demoduliert, in einem Tiefpass gefiltert und dem Ist-Wert-Eingang eines Frequenzreglers angeschlossen wird, dessen Ausgang das Steuersignal für den Arbeitspunkt des Oszillators für die Amplitudenmodulation des Stroms bereit stellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle digital gesteuert wird, die Klemmspannung der Batterie in einem Wandler digitalisiert wird und die Vorrichtungen zur Signalverarbeitung digital ausgeführt sind.
Verfahren zum Laden aufladbarer Batterien mit einstellbarem Ladestrom unter Verwendung der gemessenen Klemmspannung der Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom amplitudenmoduliert und die gemessene Klemmspannung demoduliert, gefiltert und verstärkt von der ausschließlich gefilterten Klemmspannung subtrahiert wird, um als Ist-Wert eines Ladespannungsreglers zu dienen, der mittels des unmodulierten Steuersignals den Arbeitspunkt der Stromquelle regelt, wobei der maximale Strom entsprechend den Vorgaben der Batterie begrenzt und der Sollwert des Ladespannungsreglers begrenzt auf die maximal zulässige Ladeschlussspannung der Batterie von einem Temperaturregler vorgegeben wird, dessen Ist-Wert aus dem Temperatursensor der Batterie und dessen Soll-Wert aus der Maximaltemperatur der angeschlossenen Batterie gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase der Oszillatorfrequenz zur Demodulation der Klemmspannung entsprechend der Phasenverschiebung in der Batterie ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz der Amplitudenmodulation des Stroms durch Modulation auf das Minimum des komplexen Innenwiderstands der Batterie geregelt wird, wobei das bezüglich der Amplitudenmodulation des Stroms demodulierte, gefilterte und verstärkte Klemmspannungssignal bezüglich der Frequenzmodulationsfrequenz demoduliert und gefiltert als Ist-Wert des Frequenzreglers dient.