DE102012011504A1 - Method and device for charging a battery of an electric or hybrid vehicle by means of a high-power power source - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zum Laden einer Batterie (4) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, umfassend eine Batterie (4) und ein Batteriemanagementsystem (5), wobei die Batterie (4) aus einer Vielzahl von mindestens teilweise in Reihe geschalteten Batterie-Zellen (BZ1–BZn) besteht, wobei mittels einer Sensorik die Spannungen (UBZ1–UBZn) der in Reihe geschalteten Batterie-Zellen (BZ1–BZn) erfasst und in einer Auswerteeinheit (7) ausgewertet werden, wobei das Batteriemanagementsystem (5) in Abhängigkeit der erfassten Spannungen (UBZ1–UBZn) der Batterie-Zellen (BZ1–BZn) mindestens einen Leistungsschalter (8, 9) zwischen der Batterie (4) und einem fahrzeuginternen oder einem fahrzeugexternen Ladegerät (3) ansteuert, wobei das Lademanagementsystem (2) derart ausgebildet ist, dass ein Wert für einen maximalen Ladestrom (labs) abgelegt ist, auf den das Lademanagementsystem (2) ein Ladestrom begrenzt, wobei das Lademanagementsystem (2) weiter derart ausgebildet ist, dass mittels eines übermittelten Ladestroms (I) eine Ist-Ladungsmenge (Q) bestimmt und mit einem abgelegten Wert für eine maximale Ladungsmenge (Qmax) verglichen wird, wobei das Lademanagementsystem (2) eine Ladestrecke unterbricht, wenn die Ist-Ladungsmenge (Q) die maximale Ladungsmenge (Qmax) erreicht.The invention relates to a method and a device (1) for charging a battery (4) of an electric or hybrid vehicle, comprising a battery (4) and a battery management system (5), wherein the battery (4) consists of a plurality of at least partially in Series connected battery cells (BZ1-BZn), wherein by means of a sensor, the voltages (UBZ1-UBZn) of the series-connected battery cells (BZ1-BZn) are detected and evaluated in an evaluation unit (7), wherein the battery management system ( 5) in response to the detected voltages (UBZ1-UBZn) of the battery cells (BZ1-BZn) at least one power switch (8, 9) between the battery (4) and an in-vehicle or an off-vehicle charger (3) controls, wherein the charging management system (2) is designed such that a value for a maximum charging current (labs) is stored, to which the charging management system (2) limits a charging current, wherein the charging management system (2) further the is designed such that by means of a transmitted charging current (I), an actual charge amount (Q) is determined and compared with a stored value for a maximum amount of charge (Qmax), wherein the charging management system (2) interrupts a charging path when the actual amount of charge (Q) reaches the maximum amount of charge (Qmax).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.The invention relates to a method and a device for charging a battery of an electric or hybrid vehicle.

Aus der US 7 755 331 ist ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer Batterie bekannt, die sich aus mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen zusammensetzt. Dabei wird die Spannung jeder einzelnen Batteriezelle erfasst und überwacht. Des Weiteren ist zwischen der Batterie und einem Wechselrichter ein Stromsensor angeordnet, der einen Lade- und Entladestrom der Batterie überwacht.From the US 7,755,331 is an electric or hybrid vehicle with a battery known, which is composed of several series-connected battery cells. The voltage of each individual battery cell is recorded and monitored. Furthermore, a current sensor is arranged between the battery and an inverter, which monitors a charge and discharge current of the battery.

Insbesondere bei reinen Elektrofahrzeugen ist ein Nachladen der Batterie mit hohen Leistungen aufgrund der Verringerung der Ladezeiten sinnvoll. Dabei kommen relativ hohe Ladeströme von über 100 A zum Einsatz. Die Hochleistungsstromquelle kann sich dabei sowohl im Fahrzeug (internes Ladegerät) als auch extern (in der Ladesäule bzw. einem externen Ladegerät) befinden. Dabei setzt die Hochleistungsstromquelle die Netzwechselspannung in einen hohen Gleichstrom um.Especially with pure electric vehicles recharging the battery with high performance due to the reduction of charging times makes sense. Relatively high charging currents of more than 100 A are used. The high-performance power source can be located both in the vehicle (internal charger) and externally (in the charging station or an external charger). The high-performance power source converts the mains AC voltage into a high DC current.

Eine Überladung von einzelnen Batterie-Zellen wie beispielsweise Li-Ionen-Batteriezellen kann insbesondere bei hohen Strömen dazu führen, dass diese Ausgasen, sodass toxische und/oder leicht entzündbare Gase freigesetzt werden.Overloading of individual battery cells, such as Li-ion battery cells, in particular at high currents, can lead to these outgassing, so that toxic and / or highly flammable gases are released.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mittels einer Hochleistungsstromquelle zu schaffen, mittels der mit geringem schaltungstechnischen Aufwand eine verbesserte Fehlertoleranz erreichbar ist.The invention is based on the technical problem of providing a method and a device for charging a battery of an electric or hybrid vehicle by means of a high-power power source, by means of which an improved fault tolerance can be achieved with little circuit complexity.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution of the technical problem results from the objects with the features of claims 1 and 6. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Das Verfahren zum Laden einer Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrtzeugs mittels einer Hochleistungsstromquelle erfolgt dabei mittels eines Ladegerätes, das elektrisch zwischen der Ladesäule und der Batterie angeordnet ist, und einem Batteriemanagementsystem. Dabei kann das Ladegerät extern angeordnet sein oder aber kann fahrzeugintern angeordnet sein. Bei der fahrzeuginternen Anordnung kann dabei das Ladegerät auch in einen bereits vorhandenen Wechselrichter integriert sein, der zwischen einer Elektromaschine und der Batterie angeordnet ist. Die Batterie besteht aus einer Vielzahl von mindestens teilweise in Reihe geschalteten Batterie-Zellen. Die Summe der in Reihe geschalteten Batterie-Zellspannungen stellt dabei die Spannung der Batterie dar. Dabei können zusätzlich zu den einzelnen Batterie-Zellen weitere Batterie-Zellen parallel geschaltet sein, die dann die Kapazität der Batterie erhöhen. Die Spannungen über den in Reihe geschalteten Batterie-Zellen werden erfasst und in einer Auswerteeinheit ausgewertet, wobei diese insbesondere auf eine maximale Batterie-Zellenspannung überprüft werden. Die Auswerteeinheit kann dabei eine separate Einheit sein oder aber in das Batteriemanagementsystem integriert sein. Das Batteriemanagementsystem steuert dann in Abhängigkeit der erfassten Spannungen der Batterie-Zellen mindestens einen Leistungsschalter zwischen dem Ladegerät und der Batterie an, wobei bei Erreichen einer maximalen Batterie-Zellenspannung der Leistungsschalter geöffnet wird und so der Ladevorgang abgebrochen wird. Der Leistungsschalter ist vorzugsweise als Relais ausgebildet, wobei weiter vorzugsweise die Batterie allpolig vom Ladegerät abgetrennt wird. Das Ladegerät wird mittels eines Lademanagementsystems gesteuert, wobei mittels des Lademanagementsystems das Ladegerät derart eingestellt wird, dass ein vorab bestimmter absoluter maximaler Ladestrom nicht überschritten wird. Zusätzlich wird mittels eines sensorisch erfassten Ladestrom durch das Lademanagementsystem eine Ist-Ladungsmenge bestimmt und mit einer vorab abgelegten maximalen Ladungsmenge verglichen, wobei bei Erreichen der maximalen Ladungsmenge das Lademanagementsystem den Ladevorgang abbricht. Die Ist-Ladungsmenge wird dabei beispielsweise durch Aufintegration des sensorisch übermittelten Ladestromes über der Zeit ermittelt. Die maximale Ladungsmenge ist beispielsweise die Ladung, die zu Beginn der Lebenszeit (Begin of Life) der Batteriezellen in die vollständig entladenen Batteriezellen der Batterie einspeisbar ist. Durch das erfindungsgemäße Konzept existiert eine von der normalen Spannungsüberwachung der Batteriezellen unabhängige Abschaltbedingungen für den Ladevorgang, die eine sicherheitsrelevanten Überladungszustand der Batteriezellen verhindert, wobei auf eine aufwendige redundante Auslegung der Spannungsmessungen und Auswertungen an den Batteriezellen verzichtet werden kann. Durch diese Aufteilung der Absicherung der Überladungen können ASIL C oder D Anforderungen mit geringem schaltungstechnischen Aufwand eingehalten werden.The method for charging a battery of an electric or hybrid vehicle by means of a high-power power source is carried out by means of a charger, which is arranged electrically between the charging station and the battery, and a battery management system. In this case, the charger can be arranged externally or can be arranged inside the vehicle. In the vehicle-internal arrangement while the charger can also be integrated into an existing inverter, which is arranged between an electric machine and the battery. The battery consists of a plurality of at least partially connected in series battery cells. The sum of the battery cell voltages connected in series represents the voltage of the battery. In this case, in addition to the individual battery cells, further battery cells can be connected in parallel, which then increase the capacity of the battery. The voltages across the series-connected battery cells are detected and evaluated in an evaluation unit, which are in particular checked for a maximum battery cell voltage. The evaluation unit can be a separate unit or integrated into the battery management system. The battery management system then controls depending on the detected voltages of the battery cells at least one circuit breaker between the charger and the battery, upon reaching a maximum battery cell voltage of the circuit breaker is opened and so the charging process is terminated. The power switch is preferably designed as a relay, wherein more preferably the battery is disconnected from the charger all pole. The charger is controlled by means of a charging management system, wherein by means of the charging management system, the charger is set such that a predetermined absolute maximum charging current is not exceeded. In addition, an actual charge amount is determined by means of a sensory detected charging current through the charging management system and compared with a previously stored maximum amount of charge, upon reaching the maximum amount of charge, the charging management system aborts the charging process. The actual amount of charge is determined, for example, by integration of the sensory transmitted charging current over time. The maximum amount of charge is, for example, the charge that can be fed into the fully discharged battery cells of the battery at the beginning of the lifetime (Begin of Life) of the battery cells. By the inventive concept exists independent of the normal voltage monitoring of the battery cells shutdown for the charging process, which prevents a safety-relevant overcharge state of the battery cells, which can be dispensed with a complex redundant design of the voltage measurements and evaluations on the battery cells. This division of overcharging protection allows ASIL C or D requirements to be met with little circuit complexity.

In einer Ausführungsform ist in der Ladesäule (bzw. dem externen Ladegerät) oder in dem internen Ladegerät mindestens ein Stromsensor angeordnet, dessen Messwerte dem Lademanagementsystem zur Ermittlung der Ist-Ladungsmenge zugeführt werden. Ein solcher Stromsensor ist üblicherweise ohnehin in den Ladesäulen (bzw. dem externen Ladegerät) oder in dem internen Ladegerät vorhanden, sodass der fahrzeuginterne Schaltungsaufwand weiter reduziert werden kann. Es ist aber denkbar, dass der Stromsensor nur im Fahrzeug oder zusätzlich im Fahrzeug angeordnet ist, sodass dieser redundant ist. Vorzugsweise ist der Stromsensor in dem Ladegerät (intern oder extern) angeordnet, sodass der in die Batteriezellen fließende Strom erfasst wird.In one embodiment, at least one current sensor is arranged in the charging station (or the external charger) or in the internal charger, the measured values of which are fed to the charging management system for determining the actual charge quantity. Such a current sensor is usually already present in the charging stations (or the external charger) or in the internal charger, so that the vehicle-internal circuit complexity can be further reduced. But it is conceivable that the current sensor is arranged only in the vehicle or additionally in the vehicle, so that it is redundant. Preferably, the current sensor is arranged in the charger (internal or external) so that the current flowing into the battery cells is detected.

In einer weiteren Ausführungsform bricht das Lademanagementsystem den Ladevorgang nach einer maximalen Ladezeit ab, sodass eine weitere Rückfallebene existiert, die eine kritische Überladung der Batteriezellen auch bei Ausfall von Überwachungskomponenten verhindert.In a further embodiment, the charging management system aborts the charging process after a maximum charging time, so that a further fallback exists which prevents a critical overcharging of the battery cells even in case of failure of monitoring components.

In einer weiteren Ausführungsform ermittelt das Batteriemanagementsystem einen Alterungszustand der Batterie-Zellen, wobei bei Erreichen eines vorab abgelegten Alterungszustandes der Leistungshalbleiter die Verbindung zwischen Ladegerät und Batterie unterbricht. Der vorab festgelegte Alterungszustand wird derart festgelegt, dass bei einem Laden der Batterie mit dem absolut maximalen Ladestrom und der maximalen Ladungsmenge kein Ausgasen der Batterie-Zellen erfolgt. Durch die Alterung der Batterie-Zellen sinkt deren Kapazität, sodass bei Ladung der Batterie-Zellen mit der gleichen Ladungsmenge die Spannung an den Batterie-Zellen im Vergleich zum Begin of Life ansteigt. Diese kritische Spannungserhöhung wird so verhindert. Dabei ist es auch denkbar, die maximale Ladungsmenge entsprechend der Alterung zu reduzieren.In a further embodiment, the battery management system determines an aging state of the battery cells, wherein upon reaching a pre-stored aging state of the power semiconductor interrupts the connection between the charger and the battery. The predefined aging state is determined such that when the battery is charged with the absolutely maximum charge current and the maximum charge amount, no outgassing of the battery cells takes place. Due to the aging of the battery cells, their capacity decreases so that when charging the battery cells with the same amount of charge, the voltage across the battery cells increases compared to the beginning of life. This critical increase in voltage is thus prevented. It is also conceivable to reduce the maximum amount of charge according to the aging.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Laden eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mittels einer externen Ladesäule.The invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment. The single FIGURE shows a schematic block diagram of a device for charging an electric or hybrid vehicle by means of an external charging station.

Die Vorrichtung 1 zum Laden eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mittels einer externen Ladesäule 100 umfasst ein Lademanagementsystem 2, ein Ladegerät 3, eine Batterie 4 und ein Batteriemanagementsystem 5. Die Batterie 4 besteht aus einer Vielzahl von Batterie-Zellen BZ1–BZn, die in Reihe geschaltet sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass parallel zu einer Batterie-Zelle BZ ein oder mehrere weitere Batterie-Zellen geschaltet sind, um die Kapazität der Batterie 4 zu erhöhen, was aber aus Übersichtsgründen nicht dargestellt ist. Weiter ist es möglich, dass mehrere in Reihe geschaltete Batterie-Zellen BZ zu Modulen zusammengefasst sind, wobei dann die Module in Reihe oder auch parallel verschaltet sind. Auch dies ist aus Übersichtsgründen nicht dargestellt. Über Spannungsmesseinrichtungen 6 wird jeweils die Spannung der einzelnen Batterie-Zellen BZ1–BZn erfasst und einer Auswerteeinheit 7 zugeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinheit 7 in das Batteriemanagementsystem 5 integriert. Prinzipiell kann aber die Auswerteeinheit 7 als separate Einheit ausgebildet sein. Die Auswerteeinzeit 7 überprüft, ob die Spannung an den Batterie-Zellen BZ1–BZn eine maximale oder auch eine minimale Zellspannung nicht überschreitet bzw. unterschreitet, wobei für die vorliegende Erfindung hauptsächlich die Überschreitung der maximalen Zellspannung von Interesse ist. Zwischen dem Ladegerät 3 und der Batterie 4 sind zwei Leistungsschalter 8, 9 angeordnet, die vorzugsweise als Relais ausgebildet sind. Mittels der Leistungsschalter 8, 9 kann das Ladegerät 3 allpolig mit der Batterie 4 verbunden werden oder auch getrennt werden, wobei die Leistungsschalter 8, 9 durch das Batteriemanagementsystem 5 angesteuert werden. Dabei sei angemerkt, dass den Leistungsschaltern 8, 9 noch weitere Schalter und/oder Vorwiderstände zugeordnet sein können, um abrupte Schaltvorgänge zu vermeiden.The device 1 for charging an electric or hybrid vehicle by means of an external charging station 100 includes a charging management system 2 , a charger 3 , a battery 4 and a battery management system 5 , The battery 4 consists of a plurality of battery cells BZ1-BZn connected in series. It can be provided that one or more additional battery cells are connected in parallel to a battery cell BZ to the capacity of the battery 4 to increase, but this is not shown for reasons of clarity. It is also possible for a plurality of series-connected battery cells BZ to be combined into modules, in which case the modules are connected in series or also in parallel. Again, this is not shown for reasons of clarity. About voltage measuring devices 6 in each case the voltage of the individual battery cells BZ1-BZn is detected and an evaluation unit 7 fed. In the illustrated embodiment, the evaluation unit 7 into the battery management system 5 integrated. In principle, however, the evaluation unit 7 be designed as a separate unit. The evaluation time 7 checks whether the voltage across the battery cells BZ1-BZn does not exceed or fall below a maximum or also a minimum cell voltage, wherein for the present invention it is mainly the exceeding of the maximum cell voltage that is of interest. Between the charger 3 and the battery 4 are two circuit breakers 8th . 9 arranged, which are preferably designed as a relay. By means of the circuit breaker 8th . 9 can the charger 3 all-pole with the battery 4 be connected or disconnected, the circuit breaker 8th . 9 through the battery management system 5 be controlled. It should be noted that the circuit breakers 8th . 9 even more switches and / or series resistors can be assigned to avoid abrupt switching operations.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Ladegerät 3 in einen Wechselrichter des Elektro- oder Hybridfahrzeuges integriert, der mit einer Elektromaschine M des Elektro- oder Hybridfahrzeugs verbunden ist. Alternativ kann das Ladegerät auch in die Ladesäule integriert sein. Das Ladegerät 3 umfasst dabei die Hochleistungsstromquelle, die den Gleichstrom zur Verfügung stellt.In the illustrated embodiment, the charger 3 integrated into an inverter of the electric or hybrid vehicle, which is connected to an electric machine M of the electric or hybrid vehicle. Alternatively, the charger can also be integrated in the charging station. The charger 3 includes the high-performance power source that provides the DC power.

Des Weiteren ist das Ladegerät 3 mit der externen Ladesäule 100 verbunden, die beispielsweise eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung zur Verfügung stellt. Zwischen der externen Ladesäule 100 und dem Ladegerät 3 sind dabei zwei Leistungsschalter 10, 11 angeordnet, die von dem Lademanagementsystem 2 direkt oder indirekt angesteuert werden. Die Anzahl der Leistungsschalter 10, 11 ist dabei davon abhängig, wie viele Ladeleitungen von der externen Ladesäule 100 zum Ladegerät 3 geführt sind. In der externen Ladesäule 100 oder im Ledegerät 3 ist ein Stromsensor 101 angeordnet. Diese Messwerte für den Strom I werden Von der Ladesäule 100 oder dem Ladegerät 3 dem Lademanagementsystem 2 zugeführt. Vorzugsweise ist der Stromsensor 101 in dem Ladegerät 3 angeordnet und erfasst den Gleichstrom der Hochleistungsstromquelle. Somit liefert der Stromsensor 101 einen Wert, der angibt, wie viel Strom in die Batteriezellen BZ1–BZn fließt. Im Lademanagementsystem 2 ist ein Wert für eine maximale Ladungsmenge Qmax und eine maximale Ladezeit tmax abgelegt. Die maximale Ladungsmenge Qmax wird dabei vorab bestimmt und ist beispielsweise die Ladungsmenge, die in die vollständig entladenen Batterie-Zellen BZ1–BZn zu Beginn ihrer Lebenszeit (Begin of Life) einspeicherbar ist, bis diese ihre maximale Zellspannung Umax erreichen (≙ SOC = 100%). Des Weiteren ist in dem Lademanagementsystem 2 ein absoluter maximaler Strom labs abgelegt. Der absolute maximale Strom labs ist dabei derart dimensioniert, dass beim Laden der Batterie-Zellen BZ1–BZn mit dem absoluten maximalen Strom labs mit einer Ladungsmenge entsprechend der maximalen Ladungsmenge Qmax unabhängig von der Batteriezellentemperatur keine Destabilisierung (z. B. Ausgasen) der Batterie-Zellen BZ1–BZn erfolgt. Furthermore, the charger 3 with the external charging station 100 connected, which provides, for example, a single- or multi-phase AC voltage. Between the external charging station 100 and the charger 3 are two circuit breakers 10 . 11 arranged by the charging management system 2 be controlled directly or indirectly. The number of circuit breakers 10 . 11 depends on how many charging lines from the external charging station 100 to the charger 3 are guided. In the external charging station 100 or in the leather device 3 is a current sensor 101 arranged. These readings for the current I are from the charging station 100 or the charger 3 the charge management system 2 fed. Preferably, the current sensor 101 in the charger 3 arranged and detects the DC current of the high-power power source. Thus, the current sensor provides 101 a value indicating how much current flows in the battery cells BZ1-BZn. In the charging management system 2 is a value for a maximum charge amount Q max and a maximum charging time t max filed. The maximum amount of charge Q max is determined in advance and is, for example, the amount of charge that can be stored in the fully discharged battery cells BZ1-BZn at the beginning of their lifetime (Begin of Life) until they reach their maximum cell voltage U max (≙ SOC = 100%). Furthermore, in the charging management system 2 an absolute maximum current l abs is stored. The absolute maximum current l abs is dimensioned such that when charging the battery cells BZ1-BZn with the absolute maximum current l abs with a charge amount corresponding to the maximum charge amount Q max regardless of the battery cell temperature no destabilization (eg outgassing) of the battery cells BZ1-BZn occurs.

Verfahrensmäßig wird zum Laden der Batterie 4 die externe Ladesäule 100 mit dem Ladegerät 3 und dem Lademanagementsystem 2 verbunden. Die Leistungsschalter 10, 11 werden geschlossen. Das Lademanagementsystem 2 steuert dann das Ladegerät 3 derart an, dass dieses die Wechselspannung der externen Ladesäule 100 in eine Gleichspannung bzw. Gleichstrom wandelt, der über die geschlossenen Leistungsschalter 8, 9 die Batterie-Zellen BZ1–BZn auflädt. Dabei erzeugt das Lademanagementsystem 2 ein Steuersignal S1 (labs), durch das das Ladegerät 3 auf den absoluten maximalen Strom labs begrenzt wird.The procedure is to charge the battery 4 the external charging station 100 with the charger 3 and the charging management system 2 connected. The circuit breakers 10 . 11 will be closed. The charging management system 2 then controls the charger 3 such that this is the AC voltage of the external charging station 100 converted into a DC voltage or DC, via the closed circuit breaker 8th . 9 the battery cells BZ1-BZn is charging. The charging management system generates this 2 a control signal S1 (l abs ) through which the charger 3 is limited to the absolute maximum current l abs .

Die Spannungsmesseinrichtungen 6 erfassen dann die Batteriezellenspannung UBZ. Erreicht eine Batterie-Zelle BZ die maximale Zellespannung Umax, so wird dies von der Auswerteeinheit 7 ermittelt und ein Steuersignal S erzeugt und die Leistungsschalter 8, 9 geöffnet und der Ladevorgang abgebrochen. Während des Ladevorgangs integriert das Lademanagementsystem 2 den von der Ladesäule 100 oder dem Ladegerät 3 übermittelten Strom über der Zeit auf und erfasst die Ladezeit t insgesamt. Unabhängig von dem Abbruch des Ladevorganges aufgrund des Erreichens der maximalen Batteriezellenspannung Umax wird, der Ladevorgang ebenfalls abgebrochen, wenn die maximale Ladezeit tmax erreicht wird oder wenn die aufintegrierte Ladungsmenge Q die maximale Ladungsmenge Qmax erreicht. In beiden Fällen erzeugt das Lademanagementsystem 2 ein Steuersignal S2, um die Leistungsschalter 10, 11 zu öffnen. Somit ist sichergestellt, dass auch bei Ausfall der Auswerteeinheit 7 oder des Batteriemanagementsystems 5 oder der Spannungsmesseinrichtungen 6 der Ladevorgang rechtzeitig abgebrochen wird, sodass eine kritische Überladung der Batterie-Zellen BZ, die zu Ausgasungen führen könnte, vermieden wird.The voltage measuring devices 6 then capture the battery cell voltage U BZ . If a battery cell BZ reaches the maximum cell voltage U max , this is done by the evaluation unit 7 determined and generates a control signal S and the power switch 8th . 9 opened and the charging process aborted. During charging, the charging management system integrates 2 from the charging station 100 or the charger 3 transmitted power over time and detects the total charging time t. Regardless of the termination of the charging process due to the achievement of the maximum battery cell voltage U max , the charging process is also aborted when the maximum charging time t max is reached or when the integrated charge amount Q reaches the maximum charge amount Q max . In both cases, the charging management system generates 2 a control signal S2 to the power switches 10 . 11 to open. This ensures that even if the evaluation unit fails 7 or the battery management system 5 or the voltage measuring devices 6 the charging process is stopped in time, so that a critical overcharging of the battery cells BZ, which could lead to outgassing, is avoided.

Aufgrund der Alterung der Batterie-Zellen BZ nimmt deren Kapazität ab, sodass bei gleichen Ladungsmengen die Batteriezellenspannung steigt. Um diesen Effekt bei der Prozesssicherheit zu berücksichtigen, ermittelt das Batteriemanagementsystem 5 den Alterungszustand SOH (state of health) der Batterie-Zellen BZ. Erreicht dann der Alterungszustand beispielsweise einen Wert SOHgrenz, wo die Kapazität der Batterie-Zellen BZ nur 70% im Vergleich zu Beginn (Begin of Life) beträgt, so verhindert das Batteriemanagementsystem 5 ein weiteres Laden, indem die Leistungsschalter 8, 9 geöffnet werden. Dabei sei angemerkt, dass, wenn die Batterie-Zellen BZ vor Beginn des Ladens bereits voll aufgeladen sind und die Kontrolle des Batteriemanagementsystems 5 versagt, die Batterie-Zellen BZ entsprechend überladen werden (ca. 200% SOC (state of charge)), was gegebenenfalls die Lebensdauer reduziert, aber noch nicht zum Ausgasen führt.Due to the aging of the battery cells BZ decreases their capacity, so that the same charge quantities, the battery cell voltage increases. To take account of this effect in terms of process reliability, the battery management system determines 5 the state of health SOH of the battery cells BZ. If, for example, the aging state then reaches a value SOH limit , where the capacity of the battery cells BZ is only 70% compared to the beginning (Begin of Life), the battery management system prevents this 5 another store by the circuit breaker 8th . 9 be opened. It should be noted that if the battery cells BZ are already fully charged before the start of charging and the control of the battery management system 5 200% SOC (state of charge)), which may reduce the life, but does not lead to outgassing.

Zusätzlich kann zur Absicherung der vom Batteriemanagementsystem 5 ermittelten Zellkapazitäten die Gesamtlademenge QLade_total über alle Ladevorgänge durch das Lademanagementsystem 2 ermittelt werden. In Abhängigkeit von QLade_total wird dann Qmax reduziert, um der Reduktion der Zellkapazität durch Alterungseffekte Rechnung zu tragen.Additionally it can be secured by the battery management system 5 determined cell capacities, the total amount of charge Q Lade_total about all loading by the charging management system 2 be determined. Depending on Q Lade_total , Q max is then reduced in order to take into account the reduction of cell capacity due to aging effects.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • US 7755331 [0002] US 7755331 [0002]

Claims (10)

Verfahren zum Laden einer Batterie (4) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mittels einer Hochleistungsstromquelle in einem Ladegerät (3), das elektrisch zwischen einer Ladesäule (100) und der Batterie (4) angeordnet ist, und eines Batteriemanagementsystems (5), wobei die Batterie (4) aus einer Vielzahl von mindestens teilweise in Reihe geschalteten Batterie-Zellen (BZ1–BZn) besteht, wobei die Spannung (UBZ1–UBZn) der in Reihe geschalteten Batterie-Zellen (BZ1–BZn) erfasst und in einer Auswerteeinheit (7) ausgewertet werden, wobei das Batteriemanagementsystem (5) in Abhängigkeit der erfassten Spannungen (UBZ1–UBZn) der Batterie-Zellen (BZ1–BZn) mindestens einen Leistungsschalter (8, 9) zwischen dem Ladegerät (3) und der Batterie (4) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Lademanagementsystems (2) das Ladesteuergerät (3) gesteuert wird, wobei mittels des Lademanagementsystems (2) das Ladesteuergerät (3) derart eingestellt wird, dass ein vorab bestimmter absoluter maximaler Ladestrom (labs) nicht überschritten wird, wobei das Lademanagementsystem (2) mittels eines sensorisch erfassten Ladestroms (I) eine Ist-Ladungsmenge (Q) bestimmt und mit einer vorab abgelegten maximalen Ladungsmenge (Qmax) vergleicht, wobei bei Erreichen der maximalen Ladungsmenge (Qmax) das Lademanagementsystem (2) den Ladevorgang abbricht.Method for charging a battery ( 4 ) of an electric or hybrid vehicle by means of a high-power source in a charger ( 3 ) electrically connected between a charging station ( 100 ) and the battery ( 4 ), and a battery management system ( 5 ), whereby the battery ( 4 ) consists of a plurality of at least partially connected in series battery cells (BZ1-BZn), wherein the voltage (UBZ1-UBZn) of the series-connected battery cells (BZ1-BZn) detected and in an evaluation unit ( 7 ), the battery management system ( 5 ) in dependence on the detected voltages (UBZ1-UBZn) of the battery cells (BZ1-BZn) at least one power switch ( 8th . 9 ) between the charger ( 3 ) and the battery ( 4 ), characterized in that by means of a charge management system ( 2 ) the charge controller ( 3 ), whereby by means of the charge management system ( 2 ) the charge controller ( 3 ) is set such that a predetermined absolute maximum charging current (l abs ) is not exceeded, wherein the charging management system ( 2 ) determines an actual charge quantity (Q) by means of a sensed charging current (I) and compares it with a previously stored maximum charge quantity (Q max ), wherein when the maximum charge quantity (Q max ) is reached the charge management system ( 2 ) stops the charging process. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ladesäule (100) oder dem Lagegerät (3) mindestens ein Stromsensor (101) angeordnet ist, dessen Messwerte (1) dem Lademanagementsystem (2) zur Ermittlung der Ist-Ladungsmenge (Q) zugeführt werden.A method according to claim 1, characterized in that in the charging station ( 100 ) or the positioner ( 3 ) at least one current sensor ( 101 ) whose measured values ( 1 ) the charging management system ( 2 ) are supplied to determine the actual amount of charge (Q). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lademanagementsystem (2) nach einer vorgegebenen maximalen Ladezeit (tmax) den Ladevorgang abbricht.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the charging management system ( 2 ) terminates the charging process after a predetermined maximum charging time (t max ). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (5) einen Alterungszustand (SOH) der Batterie-Zellen (BZ1–BZn) ermittelt, wobei bei Erreichen eines vorab abgelegten Alterungszustandes (SOHgrenz) über den Leistungsschalter (8, 9) die Verbindung zwischen Ladesteuergerät (3) und Batterie (4) unterbrochen wird, wobei der vorab festgelegte Alterungszustand (SOHgrenz) derart festgelegt wird, dass bei einem Laden der Batterie (4) mit dem absolut maximalen Ladestrom (labs) und der maximalen Ladungsmenge (Qmax) kein Ausgasen der Batterie-Zellen (BZ1–BZn) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the battery management system ( 5 ) determines an aging state (SOH) of the battery cells (BZ1-BZn), whereby upon reaching a previously stored state of aging (SOH limit ) via the circuit breaker ( 8th . 9 ) the connection between charging controller ( 3 ) and battery ( 4 ), wherein the predetermined aging state (SOH limit ) is set such that when charging the battery ( 4 ) with the absolutely maximum charging current (labs) and the maximum charge quantity (Q max ) no outgassing of the battery cells (BZ1-BZn) takes place. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lademanagementsystem (2) eine Gesamtladungsmenge (QLade_total) über alle Ladevorgänge ermittelt, wobei die maximale Ladungsmenge (Qmax) in Abhängigkeit von der Gesamtladungsmenge (QLade_total) angepasst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the charging management system ( 2 ) determines a total charge amount (Q Lade_total ) over all charging processes, wherein the maximum charge amount (Q max ) is adjusted in dependence on the total charge amount (Q Lade_total ). Vorrichtung (1) zum Laden einer Batterie (4) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, umfassend eine Batterie (4) und ein Batteriemanagementsystem (5), wobei die Batterie (4) aus einer Vielzahl von mindestens teilweise in Reihe geschalteten Batterie-Zellen (BZ1–BZn) besteht, wobei mittels einer Sensorik die Spannungen (UBZ1–UBZn) der in Reihe geschalteten Batterie-Zellen (BZ1–BZn) erfasst und in einer Auswerteeinheit (7) ausgewertet werden, wobei das Batteriemanagementsystem (5) in Abhängigkeit der erfassten Spannungen (UBZ1–UBZn) der Batterie-Zellen (BZ1–BZn) mindestens einen Leistungsschalter (8, 9) zwischen der Batterie (4) und einem fahrzeuginternen oder einem fahrzeugexternen Ladegerät (3) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Lademanagementsystem (2) derart ausgebildet ist, dass ein Wert für einen maximalen Ladestrom (labs) abgelegt ist, auf den das Lademanagementsystem (2) ein Ladestrom begrenzt, wobei das Lademanagementsystem (2) weiter derart ausgebildet ist, dass mittels eines übermittelten Ladestroms (I) eine Ist-Ladungsmenge (Q) bestimmt und mit einem abgelegten Wert für eine maximale Ladungsmenge (Qmax) verglichen wird, wobei das Lademanagementsystem (2) eine Ladestrecke unterbricht, wenn die Ist-Ladungsmenge (Q) die maximale Ladungsmenge (Qmax) erreicht.Contraption ( 1 ) for charging a battery ( 4 ) of an electric or hybrid vehicle, comprising a battery ( 4 ) and a battery management system ( 5 ), whereby the battery ( 4 ) consists of a plurality of at least partially connected in series battery cells (BZ1-BZn), which detects by means of a sensor, the voltages (UBZ1-UBZn) of the series-connected battery cells (BZ1-BZn) and in an evaluation unit ( 7 ), the battery management system ( 5 ) in dependence on the detected voltages (UBZ1-UBZn) of the battery cells (BZ1-BZn) at least one power switch ( 8th . 9 ) between the battery ( 4 ) and an in-vehicle or off-vehicle charger ( 3 ), characterized in that the charging management system ( 2 ) is designed such that a value for a maximum charging current (l abs ) is stored, to which the charging management system ( 2 ) limits a charging current, wherein the charging management system ( 2 ) is further configured such that an actual charge quantity (Q) is determined by means of a transmitted charging current (I) and compared with a stored value for a maximum charge quantity (Q max ), wherein the charge management system ( 2 ) interrupts a charging path when the actual charge amount (Q) reaches the maximum charge amount (Q max ). Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lademanagementsystem (2) mit mindestens einer Schnittstelle ausgebildet ist, über die dem Lademanagementsystem (2) Messwerte von einer Ladesäule (100) oder dem Ladegerät (3) zuführbar sind.Device according to claim 6, characterized in that the charging management system ( 2 ) is formed with at least one interface via which the charge management system ( 2 ) Measured values from a charging station ( 100 ) or the charger ( 3 ) can be supplied. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lademanagementsystem (2) eine maximale Ladezeit (tmax) ablegbar ist.Device according to claim 6 or 7, characterized in that in the charging management system ( 2 ) a maximum charging time (t max ) can be stored. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (5) derart ausgebildet ist, um einen Alterungszustand (SOH) der Batterie-Zellen (BZ) zu ermitteln, wobei bei Erreichen eines vorab abgelegten Alterungszustandes (SOHgrenz) der Leistungsschalter (8, 9) geöffnet wird, wobei der vorab festgelegte Alterungszustand (SOHgrenz) derart festgelegt wird, dass bei einem Laden der Batterie (4) mit dem absolut maximalen Ladestrom (labs) und der maximalen Ladungsmenge (Qmax) kein Ausgasen der Batterie-Zellen (BZ) erfolgt. Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the battery management system ( 5 ) is designed in such a way to determine an aging state (SOH) of the battery cells (BZ), wherein upon reaching a pre-stored state of aging (SOH grenz ) of the circuit breaker ( 8th . 9 ), wherein the predetermined aging state (SOH limit ) is set such that when charging the battery ( 4 ) with the absolutely maximum charging current (l abs ) and the maximum charge quantity (Q max ) no outgassing of the battery cells (BZ) takes place. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lademanagementsystem (2) derart ausgebildet ist, um eine Gesamtladungsmenge (QLade_total) über alle Ladevorgänge zu ermitteln, wobei die maximale Ladungsmenge (Qmax) in Abhängigkeit von der Gesamtladungsmenge (Qlade_total) angepasst wird.Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the charging management system ( 2 ) is designed to be a Total charge amount (Q Lade_total ) to determine over all charging processes, wherein the maximum charge amount (Q max ) depending on the total charge amount (Q lade_total ) is adjusted.
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