DE102013020938A1

DE102013020938A1 - Verfahren zum Laden einer Batterie

Info

Publication number: DE102013020938A1
Application number: DE102013020938.2A
Authority: DE
Inventors: Moritz Böcker
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie. Erfindungsgemäß wird die Batterie vor einem Ladevorgang (L) und/oder während des Ladevorgangs (L) erwärmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Elektrofahrzeuge allgemein bekannt, deren Batterien wieder aufgeladen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Laden einer Batterie anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Laden einer Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Laden einer Batterie wird die Batterie vor einem Ladevorgang und/oder während des Ladevorgangs erwärmt.
Die mittels des Verfahrens zu ladende Batterie, d. h. eine elektrochemische Energiespeicher- und/oder -wandlereinheit, ist beispielsweise eine Batterie für ein Fahrzeug, insbesondere eine so genannte Traktionsbatterie, zum Beispiel für ein Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug. Eine derartige Batterie wird auch als Hochvoltbatterie bezeichnet und weist beispielsweise eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter elektrochemischer Einzelzellen auf.
Die Ladezeit einer solchen Batterie, insbesondere für elektrisch betriebene Fahrzeuge, ist abhängig von der Leistung, welche die Batterie aufnehmen kann. Aus dem Stand der Technik bekannte Schnellladekonzepte können nur bei niedrigen Ladezuständen der Batterie eingesetzt werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Temperatur der Batterie vor Beginn des Ladevorgang und/oder während des Ladevorgangs erhöht, wodurch sich der Innenwiderstand der Batterie reduziert und eine erhöhte Ladeleistung und ein erhöhter Wirkungsgrad über einen weiteren Betriebsbereich der Batterie zur Verfügung steht. Dadurch wird ein schnelleres Laden der Batterie ermöglicht, d. h. der Ladevorgang wird erheblich verkürzt.
Zweckmäßigerweise wird die Batterie nur dann erwärmt, wenn es sich bei dem Ladevorgang um einen Schnellladevorgang handelt. Die Batterie kann beispielsweise mittels zweier voneinander abweichender Ladevorgänge geladen werden, mittels des Schnellladevorgangs, in welchem die Batterie zum Beispiel mit einer entsprechend hohen Ladeleistung geladen wird, wodurch die Batterie in entsprechend kurzer Zeit aufgeladen ist, und mittels eines Normalladevorgangs, in welchem die Batterie zum Beispiel mit einer geringeren Ladeleistung geladen wird und welcher dann eine entsprechend längere Zeit zum Aufladen der Batterie erfordert.
Im Verfahren kann die Batterie vor und/oder während beider Ladevorgänge erwärmt werden. Da dies aber für den Normalladevorgang nicht unbedingt erforderlich ist, wenn dadurch beispielsweise während des Normalladevorgangs keine signifikante Verkürzung der Ladezeit erzielbar sein sollte, jedoch das Erwärmen der Batterie beispielsweise einen zusätzlichen Energiebedarf erfordern könnte, so ist es sinnvoll, dieses Erwärmen der Batterie lediglich für den Schnellladevorgang anzuwenden, da bei diesem die oben beschriebenen erheblichen Vorteile durch das Erwärmen der Batterie erzielt werden.
Vorzugsweise wird die Batterie auf einen vorgegebenen Temperaturwert erwärmt. Ist dieser Temperaturwert erreicht, so wird die Batterie zweckmäßigerweise während des Ladevorgangs auf diesem Temperaturwert gehalten. Dieser Temperaturwert ist zweckmäßigerweise derart vorgegeben, dass sich der Innenwiderstand der Batterie möglichst stark reduziert und eine möglichst hohe Ladeleistung und ein möglichst hoher Wirkungsgrad über einen weiteren Betriebsbereich der Batterie zur Verfügung steht, so dass sich der Ladevorgang möglichst stark verkürzt.
Der Temperaturwert wird jedoch nur derart vorgegeben, dass durch das Erwärmen der Batterie bis zu diesem Temperaturwert die Batterie nicht beschädigt wird, d. h. der Temperaturwert wird insbesondere derart vorgegeben, dass die Batterie nicht überhitzt. Auf diese Weise wird der Ladevorgang optimiert und die Ladezeit wird minimiert, wobei die Gefahr der Beschädigung der Batterie durch eine zu starke Erwärmung ausgeschlossen oder zumindest auf ein Minimum begrenzt ist. Diese Erwärmung der Batterie auf den vorgegebenen Temperaturwert wird zweckmäßigerweise durch eine Temperaturüberwachung der Batterietemperatur, beispielsweise mittels zumindest eines entsprechenden Temperatursensors, und eine batterietemperaturabhängige Steuerung und/oder Regelung der Erwärmung der Batterie erreicht. Um ein zu starkes Erwärmen der Batterie während des Ladevorgangs über diesen vorgegebenen Temperaturwert hinaus zu vermeiden, kann beispielsweise auch bei Erreichen oder bei einer Überschreitung dieses vorgegebenen Temperaturwertes ein Kühlen der Batterie vorgesehen sein.
Die Batterie wird beispielsweise durch eine Beheizung mittels zumindest einer Heizeinheit und/oder durch das Zulassen einer Selbsterwärmung erwärmt. Das Zulassen der Selbsterwärmung bedeutet, dass das Erwärmen der Batterie aufgrund des Ladens nicht verhindert wird, d. h. die Batterie wird während des Ladens nicht gekühlt, zumindest solange nicht, bis der vorgegebene Temperaturwert erreicht oder überschritten ist. Dieses Erwärmen durch Zulassen der Selbsterwärmung ist energieeffizient, da kein zusätzlicher Energieeinsatz zur Erwärmung der Batterie erforderlich ist und ein zusätzlicher Energieeinsatz zum Kühlen der Batterie vermieden wird. Um eine möglichst schnelle Erwärmung der Batterie und dadurch eine möglichst starke Verkürzung der Ladezeit zu erreichen, kann es jedoch vorteilhaft sein, die Batterie mittels der zumindest einen Heizeinheit zu erwärmen.
Vorteilhafterweise wird die Batterie durch eine Beheizung mittels zumindest einer elektrischen Heizeinheit und/oder mittels zumindest einer von einem Temperiermedium durchströmten Heizeinheit erwärmt. Die Auswahl der Ausbildung der jeweiligen Heizeinheit erfolgt zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen und den jeweiligen Möglichkeiten. So ist es beispielsweise besonders vorteilhaft, besonders bauraumsparend und besonders kostengünstig, bereits vorhandene Einrichtungen zur Kühlung der Batterie auch zu deren Beheizung zu nutzen.
Bevorzugt wird die Batterie nach Beenden des Ladevorgangs gekühlt. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Batterie unmittelbar nach dem Ladevorgang genutzt werden soll, beispielsweise zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebsmotors eines Fahrzeugs, da sich die Batterie während ihres daraus resultierenden Entladens erwärmt. Wird die bis zum vorgegebenen Temperaturwert erwärmte Batterie dann nicht gekühlt und erwärmt sich somit weiter, über diesen vorgegebenen Temperaturwert hinaus, so besteht beispielsweise die Gefahr einer Überhitzung und dadurch verursachten Beschädigung der Batterie. Dies wird durch das Kühlen der Batterie nach Beenden des Ladevorgangs vermieden.
Vorzugsweise wird die Batterie auf eine vorgegebene Betriebstemperatur gekühlt. Bei dieser Betriebstemperatur ist eine optimale Leistungsabgabe der Batterie ermöglicht, so dass eine zu starke Kühlung unter diese Betriebstemperatur nicht sinnvoll ist und beispielsweise zu einer verminderten Leistungsausbeute der Batterie führen würde. Beispielsweise wird das Kühlen der Batterie zum Beispiel bei Erreichen der Betriebstemperatur eingestellt oder derart reduziert, dass die Betriebstemperatur eingehalten wird. Diese Kühlung der Batterie auf die vorgegebene Betriebstemperatur wird zweckmäßigerweise durch die Temperaturüberwachung der Batterietemperatur, beispielsweise mittels des zumindest einen Temperatursensors, und eine batterietemperaturabhängige Steuerung und/oder Regelung der Kühlung der Batterie erreicht.
Zweckmäßigerweise wird die Batterie mittels zumindest einer Kühleinheit gekühlt. Dadurch wird eine aktive Kühlung der Batterie und die Steuerung und/oder Regelung dieser Kühlung ermöglicht.
Vorteilhafterweise wird die Batterie mittels zumindest einer elektrischen Kühleinheit und/oder mittels zumindest einer von einem Temperiermedium durchströmten Kühleinheit gekühlt. Die Auswahl der Ausbildung der jeweiligen Kühleinheit erfolgt zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen und den jeweiligen Möglichkeiten. So ist es beispielsweise besonders vorteilhaft, besonders bauraumsparend und besonders kostengünstig, die Kühlung und die Beheizung der Batterie zu kombinieren, d. h. hierfür dieselben Einrichtungen oder möglichst viele gemeinsame Komponenten zu nutzen.
Daher sind die Heizeinheit und die Kühleinheit bevorzugt als gemeinsame Temperiereinheit ausgebildet, so dass die Batterie mittels der Temperiereinheit vor dem Ladevorgang und/oder während des Ladevorgangs erwärmt wird und nach Beenden des Ladevorgangs gekühlt wird. Diese Temperiereinheit kann beispielsweise von einem Temperiermedium durchflossen sein, welches erwärmt werden kann, um die Batterie zu beheizen und dadurch zu erwärmen, und gekühlt werden kann, um die Batterie zu kühlen. Dies kann beispielsweise mittels eines Kreislaufs erfolgen, in welchem zumindest eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Temperiermediums und zumindest eine Heizvorrichtung zur Erwärmung des Temperiermediums angeordnet sind, wobei je nach Bedarf die Heizvorrichtung zur Erwärmung des Temperiermediums und dadurch der Batterie oder die Kühlvorrichtung zur Kühlung des Temperiermediums und dadurch der Batterie eingesetzt wird. Alternativ können auch zwei Teilkreisläufe vorhanden sein, ein Kühlkreislauf und ein Heizkreislauf, welche durch eine entsprechende Ventilsteuerung mit der Temperiereinheit verbunden sind, so dass das Temperiermedium zur Kühlung der Batterie durch den Kühlkreislauf fließt und zur Erwärmung der Batterie durch den Heizkreislauf fließt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch ein Diagramm mit einem Batterietemperaturverlauf.
1 zeigt schematisch ein Diagramm mit einem Temperaturverlauf VT einer Batterietemperatur T einer zu ladenden Batterie über die Zeit t während eines Ladevorgangs L und nach dem Ladevorgang L. Bei diesem Ladevorgang L handelt es sich vorzugsweise um einen Schnellladevorgang.
Wie aus 1 ersichtlich, wird die Batterietemperatur T im dargestellten Beispiel ab dem Beginn des Ladevorgangs L bis auf einen vorgegebenen Temperaturwert T_L erhöht und während des Ladevorgangs L auf diesem vorgegebenen Temperaturwert T_L gehalten. In anderen Beispielen kann dieses Erhöhen der Batterietemperatur T auch bereits vor Beginn des Ladevorgangs L erfolgen, wobei der vorgegebene Temperaturwert T_L dann entweder vor Beginn, zum Beginn oder erst nach dem Beginn des Ladevorgangs L erreicht wird. Dies kann beispielsweise abhängig sein von einer Anfangstemperatur der Batterie, von einer Umgebungstemperatur, von einer eingesetzten Heizleistung und/oder von einer Heizzeit bis zum Beginn des Ladevorgangs L.
Nachdem die Batterie voll geladen und der Ladevorgang L somit beendet ist, wird die Batterietemperatur T vorzugsweise auf eine vorgegebene Betriebstemperatur T_B abgesenkt, d. h. die Batterie wird auf diese vorgegebene Betriebstemperatur T_B abgekühlt. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Batterie unmittelbar nach Ladevorgang L genutzt werden soll, beispielsweise zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebsmotors eines Fahrzeugs, da sich die Batterie während ihres daraus resultierenden Entladens erwärmt. Wird die bis zum vorgegebenen Temperaturwert T_L erwärmte Batterie dann nicht gekühlt und erwärmt sich somit weiter, über diesen vorgegebenen Temperaturwert T_L hinaus, so besteht beispielsweise die Gefahr einer Überhitzung und dadurch verursachten Beschädigung der Batterie. Dies wird durch das Kühlen der Batterie nach Beenden des Ladevorgangs L vermieden.
Die Erhöhung der Batterietemperatur T wird durch Selbsterwärmung der Batterie und/oder durch eine Beheizung mittels zumindest einer Heizeinheit durchgeführt. Die Erhöhung der Batterietemperatur T durch Selbsterwärmung erfolgt dabei zweckmäßigerweise dadurch, dass die Selbsterwärmung zugelassen wird, d. h. dass dieser Selbsterwärmung der Batterie nicht entgegengewirkt wird.
Diese Selbsterwärmung tritt insbesondere durch den Ladevorgang L auf, kann aber auch bereits bei einem vor dem Ladevorgang L stattfindenden Entladevorgang auftreten, so dass die Batterietemperatur T auch bereits vor Beginn des Ladevorgangs L durch Selbsterwärmung erhöht werden kann, indem sie nicht oder weniger stark gekühlt wird.
Zur Selbsterwärmung der Batterie während des Ladevorgangs L wird die Batterie während des Ladevorgangs L nicht gekühlt, zumindest solange nicht, bis der vorgegebene Temperaturwert T_L erreicht oder überschritten ist, so dass sie sich selbst erwärmt. Eine Heizeinheit zur Erwärmung der Batterie ist insbesondere vorteilhaft, um die Batterie möglichst schnell auf den vorgegebenen Temperaturwert T_L zu erwärmen und die Erwärmung der Batterie und das Halten der Batterietemperatur T auf diesem vorgegebenen Temperaturwert T_L steuern und/oder regeln zu können. Diese Steuerung und/oder Regelung erfolgt zweckmäßigerweise batterietemperaturabhängig, wozu die Batterietemperatur T beispielsweise mittels zumindest eines Temperatursensors erfasst und überwacht wird.
Zweckmäßigerweise wird auch die Kühlung der Batterie auf die vorgegebene Betriebstemperatur T_B nach Beendigung des Ladevorgangs L auf diese Weise temperaturabhängig gesteuert und/oder geregelt. Diese Kühlung der Batterie erfolgt zweckmäßigerweise mittels zumindest einer Kühleinheit. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Heizeinheit und die Kühleinheit als gemeinsame Temperiereinheit ausgebildet, so dass die Batterie mittels der Temperiereinheit vor dem Ladevorgang L und/oder während des Ladevorgangs L erwärmt wird und nach Beenden des Ladevorgangs L gekühlt wird.
Die mittels des Verfahrens zu ladende Batterie, d. h. eine elektrochemische Energiespeicher- und/oder -wandlereinheit, ist beispielsweise eine Batterie für ein Fahrzeug, insbesondere eine so genannte Traktionsbatterie, zum Beispiel für ein Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug. Eine derartige Batterie wird auch als Hochvoltbatterie bezeichnet und weist beispielsweise eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter elektrochemischer Einzelzellen auf.
Die Ladezeit einer solchen Batterie, insbesondere für elektrisch betriebene Fahrzeuge, ist abhängig von der Leistung, welche die Batterie aufnehmen kann. Aus dem Stand der Technik bekannte Schnellladekonzepte können nur bei niedrigen Ladezuständen der Batterie eingesetzt werden. Im beschriebenen Verfahren wird die Batterietemperatur T der Batterie vor Beginn des Ladevorgang L und/oder während des Ladevorgangs L erhöht, wodurch sich der Innenwiderstand der Batterie reduziert und eine erhöhte Ladeleistung und ein erhöhter Wirkungsgrad über einen weiteren Betriebsbereich der Batterie zur Verfügung steht. Dadurch wird ein schnelleres Laden der Batterie ermöglicht, d. h. der Ladevorgang L wird erheblich verkürzt.
Bezugszeichenliste

L

Ladevorgang

T

Batterietemperatur

T_B

vorgegebene Betriebstemperatur

T_L

vorgegebener Temperaturwert

t

Zeit

VT

Temperaturverlauf

Claims

Verfahren zum Laden einer Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie vor einem Ladevorgang (L) und/oder während des Ladevorgangs (L) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie nur dann erwärmt wird, wenn es sich bei dem Ladevorgang (L) um einen Schnellladevorgang handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie auf einen vorgegebenen Temperaturwert (T_L) erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie durch eine Beheizung mittels zumindest einer Heizeinheit und/oder durch das Zulassen einer Selbsterwärmung erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie durch eine Beheizung mittels zumindest einer elektrischen Heizeinheit und/oder mittels zumindest einer von einem Temperiermedium durchströmten Heizeinheit erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie nach Beenden des Ladevorgangs (L) gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie auf eine vorgegebene Betriebstemperatur (B_T) gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie mittels zumindest einer Kühleinheit gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie mittels zumindest einer elektrischen Kühleinheit und/oder mittels zumindest einer von einem Temperiermedium durchströmten Kühleinheit gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie mittels einer als gemeinsame Heizeinheit und Kühleinheit ausgebildeten Temperiereinheit erwärmt oder gekühlt wird, so dass die Batterie mittels der Temperiereinheit vor dem Ladevorgang (L) und/oder während des Ladevorgangs (L) erwärmt wird und nach Beenden des Ladevorgangs (L) gekühlt wird.