DE102014206112A1

DE102014206112A1 - Verfahren zum Überwachen eines Ladezustands bzw. eines Lade- oder Entladestroms eines Akkumulators

Info

Publication number: DE102014206112A1
Application number: DE102014206112.1A
Authority: DE
Inventors: Alexander Osswald
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2015-10-01
Also published as: CN104977540A; US20150280476A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Ladezustands bzw. eines Lade- oder Entladestroms eines Akkumulators, insbesondere ein Lade- oder Entladeverfahren für einen Akkumulator, insbesondere einen Lithium-Ionen-Akkumulator, wobei auf den Ladezustand bzw. den Lade- oder Entladestrom des Akkumulators durch eine Ableitung (dU/dt) einer elektrischen Lade- (U) oder Entladespannung (U) des Akkumulators geschlossen wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt, eine Recheneinheit oder eine Verarbeitungseinrichtung, sowie eine Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung oder eine akkumulatorbetriebene Vor-/ Einrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Ladezustands bzw. eines Lade- oder Entladestroms eines Akkumulators, insbesondere ein Lade- oder Entladeverfahren für einen Akkumulator, insbesondere einen Lithium-Ionen-Akkumulator. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt, eine Recheneinheit oder eine Verarbeitungseinrichtung, und/oder eine Akkumulator-Ladevor-/ -einrichtung oder eine akkumulatorbetriebene Vor-/Einrichtung.
Stand der Technik
Immer mehr elektrische und elektronische Geräte werden ausschließlich oder optional durch Akkumulatoren mit elektrischer Leistung versorgt. Beispiele sind neben mobiler Kommunikations- und Informationstechnologie, Lampen sowie Elektrowerkzeuge zum Bohren, Schleifen, Schrauben, Sägen etc. Der Akkumulator, oft auch als wiederaufladbare Batterie bezeichnet, aus einer oder mehreren Zellen ist in der Regel elektrisch und mechanisch lösbar mit dem elektrischen oder elektronischen Gerät verbunden. Zum Laden wird der Akkumulator vom elektrischen oder elektronischen Gerät abgenommen und mechanisch und elektrisch mit einer Ladevorrichtung verbunden. Alternativ verbleibt der Akkumulator auch während des Ladens mit dem Gerät verbunden, wobei das Gerät direkt über eine Ladeeinrichtung verfügen kann oder mit einer Ladevorrichtung elektrisch verbindbar ist.
Akkumulatoren stehen heute in unterschiedlichen Typen und Größen für eine Vielzahl von Anwendungen zu Verfügung. Typische Arten sind entsprechend der in ihnen jeweils enthaltenen Komponenten beispielsweise Bleisäure-, Nickelcadmium-(NiCd), Nickelmetallhydrid-(NiMH), Lithiumionen-(Li-Ion) oder Lithiumpolymer-Akkumulatoren. Diese können vielfach genutzt und in einer geeigneten Ladeeinrichtung oder Ladevorrichtung wieder aufgeladen werden. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter einem Akkumulator eine wiederaufladbare Batterie verstanden, der neben dem eigentlichen Akkumulator oder einem eigentlichen Akkupack wenigstens eine weitere Komponente, wie etwa eine elektronische Schaltung, einen elektrischen Anschluss und/oder einen Verriegelungsmechanismus für einen mechanischen Anschluss an das elektrische oder elektronische Gerät bzw. die Ladevorrichtung aufweisen kann.
Insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren dürfen nicht überladen werden, um Beschädigungen an ihnen zu vermeiden. Solche Akkumulatoren werden üblicherweise mit einem konstanten Ladestrom geladen, bis eine Grenzspannung bzw. eine Ladeschlussspannung erreicht ist. In einer zeitlichen Folge wird die Ladespannung konstant gehalten und der Ladestrom zurückgenommen (I-U-Ladeverfahren, CCCV constant current constant voltage: Konstantstrom-Konstantspannungs-Ladeverfahren). Wird ein bestimmter Ladestromwert unterschritten, so wird der Ladevorgang beendet, wofür eine Stromerfassung im Ladegerät erforderlich ist. Hierfür werden teure und komplexe Schaltelemente benötigt, die immer auch einen elektrischen Widerstand besitzen, was eine Effizienz beim Laden und/oder Entladen des Akkumulators beeinträchtigt.
Die DE 693 18 029 T2 bzw. die US 5 477 125 A lehrt ein Verfahren zum Laden von Akkumulatoren, bei welchem unter Anwendung einer Spannungs-Zeit-Funktion der Akkumulator mit einem konstanten Anfangsladestrom aufgeladen und der Ladestrom periodisch unterbrochen wird, um ein stromfreies Intervall einer bestimmten Zeitdauer zu schaffen. In diesem Intervall wird eine widerstandsfreie Spannung des aufzuladenden Akkumulators zu einem bestimmten Zeitpunkt während eines jeden Stromfreiintervalls abgenommen und gemessen sowie eine Überladebezugsspannung des Akkumulators ausgewählt. Die Überladebezugsspannung ist dabei typisch für einen Beginn einer Überladereaktion des Akkumulators. Der Ladestrom wird dabei periodisch derart eingestellt, dass die widerstandsfreie Spannung des Akkumulators nicht größer als die Überladebezugsspannung des Akkumulators wird, um ein signifikantes Überladen zu vermeiden.
Aufgabenstellung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Überwachen eines Ladezustands eines Akkumulators, bevorzugt ein Ladeverfahren für einen Akkumulator, insbesondere einen Lithium-Ionen-Akkumulator, zur Verfügung zu stellen, welches mit einer kostengünstigen Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung oder einer vergleichsweise kostengünstigen akkumulatorbetriebenen Vor-/Einrichtung durchgeführt werden kann. Hierbei soll ein Überladen des Akkumulators wirksam verhindert werden können, wobei ein effizienter Ladevorgang möglich sein soll. – Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, diesem entsprechend ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt, eine Recheneinheit oder eine Verarbeitungseinrichtung, und/oder eine Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung oder eine akkumulatorbetriebene Vor-/-einrichtung anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zum Überwachen eines Ladezustands eines Akkumulators, insbesondere ein Lade- oder Entladeverfahren für einen Akkumulator, insbesondere einen Lithium-Ionen-Akkumulator, gemäß Anspruch 1; mittels eines Computerprogramms oder eines Computerprogrammprodukts gemäß Anspruch 9; mittels einer Recheneinheit oder einer Verarbeitungseinrichtung, bevorzugt für eine Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung oder eine akkumulatorbetriebene Vor-/Einrichtung, gemäß Anspruch 10; und eine Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung oder eine akkumulatorbetriebene Vor-/Einrichtung, insbesondere ein Ladegerät, einen Apparat, ein elektromechanisches Werkzeug, eine Lampe, ein Gerät oder ein Fahrzeug, gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Bei dem erfindungsgemäßen Überwachungsverfahren wird auf einen Ladezustand bzw. einen elektrischen Lade- oder Entladestrom des Akkumulators durch eine mathematische Ableitung bzw. einen Differentialquotienten einer elektrischen Lade- oder Entladespannung des Akkumulators geschlossen. Hierbei kann auf den Ladezustand bzw. den Lade- oder Entladestrom des Akkumulators durch eine Änderungsgeschwindigkeit, eine Änderungsbeschleunigung, einen Änderungsruck und/oder eine oder eine Mehrzahl weiterer Ableitungen bzw. Differentialquotienten der Lade- oder Entladespannung des Akkumulators geschlossen werden. Die (aktuelle) Ableitung der (aktuellen) Lade- oder Entladespannung zur (aktuellen) Änderungsgeschwindigkeit, zur (aktuellen) Änderungsbeschleunigung, zum (aktuellen) Änderungsruck etc. erfolgt dabei anhand der (aktuell) bestimmten, ermittelten oder abgeschätzten Lade- oder Entladespannung sowie anhand einer oder einer Mehrzahl kurzfristig zurückliegend bestimmter, ermittelter oder abgeschätzter Lade- oder Entladespannungswerte unter Berücksichtigung der Zeit.
Das Überwachungsverfahren wird dabei hauptsächlich oder im Wesentlichen über eine gesamte Zeitspanne eines Ladens oder Entladens des Akkumulators hinweg durchgeführt. Hierbei wird der aktuelle Ladezustand bzw. der aktuelle Lade- oder Entladestrom des Akkumulators anhand der Änderungsgeschwindigkeit, der Änderungsbeschleunigung und/oder des Änderungsrucks etc. der Lade- oder Entladespannung des Akkumulators bevorzugt bestimmt, ermittelt oder abgeschätzt. Die Lade- oder Entladespannung wird dabei bevorzugt gemessen oder anderweitig auf diese geschlossen, d. h. ermittelt, bestimmt oder abgeschätzt.
Das Überwachungsverfahren kann bei einem fließenden elektrischen Lade- oder Entladestrom durchgeführt werden. Ferner kann das Überwachungsverfahren ohne eine Beeinflussung und/oder ohne eine Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms durchgeführt werden. Des Weiteren kann das Überwachungsverfahren ohne auf einen Lade- oder Entladestrom zu Schließen durchgeführt werden. D. h. der Lade- oder Entladestrom wird durch das Überwachungsverfahren weder gemessen, noch ermittelt, noch bestimmt. Das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren findet während des Ladens oder Entladens des Akkumulators statt, wobei die Lade- oder Entladespannung am Akkumulator bei in den Akkumulator einströmenden bzw. hindurchfließenden Lade- oder Entladestrom z. B. gemessen wird und daraus die Ableitung der Lade- oder Entladespannung bestimmt, ermittelt oder abgeschätzt wird.
Eine Steuerung oder Regelung des Lade- oder Entladestroms abseits des Überwachungsverfahrens erfolgt dabei bevorzugt passiv, also im Hintergrund. Bevorzugt beeinflusst diese den Lade-(bestimmte anwendbare Ladeverfahren) oder Entladestrom bis zu einem Ende des Ladens bzw. Entladens. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist für das Abschätzen des Ladezustands bzw. des Lade- oder Entladestroms bevorzugt keine Information über den Lade- oder Entladestrom selbst notwendig. Für das Überwachungsverfahren kann gemäß der Erfindung auf Mittel zum Schließen (Messen, Ermitteln, Bestimmen, Abschätzen) auf den Lade- oder Entladestrom oder auf Mittel zum Beeinflussen des Lade- oder Entladestroms verzichtet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann während einer Durchführung des Überwachungsverfahrens, natürlich aber außerhalb des Überwachungsverfahrens selbst, der Lade- (kein Erhaltungsladen) oder Entladestrom hauptsächlich oder im Wesentlichen konstant gehalten werden (Laden: I-U-Ladeverfahren). Hierbei ist der Lade- oder Entladestrom bevorzugt ein für einen bestimmten Typ eines Akkumulators typischer Lade- oder Entladestrom. D. h. die Steuerung oder Regelung des Lade- oder Entladestroms erfolgt in bekannter Weise. Ferner kann das Überwachungsverfahren für eine Dauer eines planvollen Ladens oder Entladens des Akkumulators hauptsächlich oder im Wesentlichen unterbrechungsfrei bzw. permanent und ggf. in diskreten, zeitlich aufeinander folgenden Schritten durchgeführt werden. Typisch sind hier Werte von 0,1 s bis 1,75 s, insbesondere 1 s ± 0,1–0,5 s.
Unter einem planvollen Laden oder Entladen des Akkumulators soll dabei z. B. das Laden des Akkumulators mithilfe einer Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung (siehe unten), das Entladen des Akkumulators mithilfe einer Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung oder das Entladen des Akkumulators in einer akkumulatorbetriebenen Vor-/Einrichtung (siehe unten) verstanden werden. D. h. unter einem bestimmungsgemäßen Gebrauch des Akkumulators in der akkumulatorbetriebenen Vor-/Einrichtung, z. B. bei einem Beleuchten einer Umgebung mithilfe einer Taschenlampe, soll ebenfalls ein Entladen des Akkumulators, mit einem bevorzugt konstanten Entladestrom, verstanden werden.
Gemäß der Erfindung kann in einem Bereich einer konstanten Lade- oder Entladekurve des Akkumulators durch einen Vergleich einer Mehrzahl von Ableitungen einer Mehrzahl von Lade- oder Entladespannungen des Akkumulators auf den Ladezustand bzw. den Lade- oder Entladestrom des Akkumulators geschlossen werden. Ferner kann gemäß der Erfindung bei einem Erreichen eines definierten Werts oder Wertebereichs für die Ableitung der Lade- oder Entladespannung das Laden oder Entladen des Akkumulators beendet werden.
Des Weiteren kann gemäß der Erfindung auf den Ladezustand bzw. den Lade- oder Entladestrom des Akkumulators ferner durch eine für einen bestimmten Typ eines Akkumulators typische Lade- oder Entladekurve geschlossen werden. D. h. diese Lade- oder Entladekurve wird zusätzlich zu einer Ableitung der Lade- oder Entladespannung herangezogen.
Das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren kann ein Lade- und/oder Entladeverfahren für wenigstens einen Akkumulator sein. Ferner kann das Überwachungsverfahren bei einem bestimmungsgemäßen Entladen bzw. Gebrauch des Akkumulators bei dem Akkumulator durchgeführt werden. Des Weiteren kann das Überwachungsverfahren zum Bestimmen, Ermitteln oder Abschätzen eines aktuellen Ladezustands bzw. eines aktuellen Lade- oder Entladestroms bei einem bestimmungsgemäßen Entladen bzw. Gebrauch des Akkumulators bei dem Akkumulator eingesetzt werden. Weiterhin kann das Überwachungsverfahren zum Erkennen einer defekten Akkuzelle oder zum Erkennen eines defekten Akkumulators eingesetzt werden.
Gemäß der Erfindung kann bei dem Überwachungsverfahren ein Bestimmen, Ermitteln oder Abschätzen des Lade- oder Entladestroms eingesetzt werden, wobei zusätzlich ein aktives Beeinflussen des Lade- oder Entladestroms eingesetzt werden kann. D. h. statt lediglich einer Steuerung oder Regelung, z. B. auf einen festgelegten Lade- oder Entladestrom im Hintergrund, kann gemäß der Erfindung auf den Lade- oder Entladestrom geschlossen werden. Dieser gemessene, ermittelte, bestimmte oder abgeschätzte Lade- oder Entladestrom kann dann das Überwachungsverfahren ergänzen. So kann anhand einer Information über den Lade- oder Entladestrom das Überwachungsverfahren in seinem Verhalten geändert werden. So kann dadurch z. B. ein Lade- oder Entladeverfahren beendet werden. Hierbei kann auch auf eine Stärke des Lade- oder Entladestroms Einfluss genommen werden.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm oder das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt weist Programmcodemittel auf, die ausgebildet sind, ein erfindungsgemäßes Überwachungsverfahren durchzuführen, wenn die Programmcodemittel auf einer Recheneinheit oder einer Verarbeitungseinrichtung ablaufen, oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind. Die Erfindung ist als (analoges) Verfahren und/oder als Computerprogramm implementierbar. Hierbei kann das Computerprogramm auf einem (Mikro-)Prozessor oder einem (Kleinst- oder Klein-)Computer ausgeführt werden und/oder auf einem Datenträger oder einem digitalen Speichermedium gespeichert sein.
Solch ein maschinen- bzw. computerlesbarer Datenträger bzw. ein solches Speichermedium kann z. B. eine Festplatte, ein ROM-, EPROM-, EEPROM- oder ein Flash-Speicher, ein Speicherbaustein, eine Diskette, eine CD-ROM, eine DVD oder eine Blu-Ray Disc sein. Ferner kann das Computerprogramm in Form von Firmware gespeichert sein. Hierbei kann das Computerprogramm mit elektronisch zur Verfügung stellbaren oder auslesbaren (ggf. Steuer-/Regel-)Signalen, z. B. Informationen über die Lade- oder Entladespannung des Akkumulators, in einer programmierbaren Prozessor- oder Computereinrichtung oder einem entsprechenden System derart zusammenwirken, dass eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens durchgeführt werden kann.
Die erfindungsgemäße Recheneinheit oder die erfindungsgemäße Verarbeitungseinrichtung ist derart ausgebildet, dass durch diese ein erfindungsgemäßes Überwachungsverfahren durchführbar ist, durch diese ein erfindungsgemäßes Computerprogramm ablaufbar ist und/oder diese ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt aufweist. Die Recheneinheit kann z. B. als eine arithmetisch-logische Einheit oder als eine Untereinheit einer Verarbeitungseinrichtung ausgebildet sein. Die Verarbeitungseinrichtung ist z. B. als eine elektronische Recheneinrichtung oder -einheit, beispielsweise als ein Mikrocontroller, als ein (Kleinst- oder Klein-)Computer oder als eine andere Vorrichtung oder ein Gerät, ausgebildet, welche bzw. welches natürlich auch noch andere Aufgaben durchoder ausführen kann.
Die erfindungsgemäße Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung oder die erfindungsgemäße akkumulatorbetriebene Vor-/Einrichtung ist derart eingerichtet, dass durch diese ein erfindungsgemäßes Überwachungsverfahren durchführbar ist, diese ein erfindungsgemäßes Computerprogramm und/oder Computerprogrammprodukt aufweist und/oder diese eine erfindungsgemäße Recheneinheit oder eine erfindungsgemäße Verarbeitungseinrichtung aufweist. D. h. die vorliegende Erfindung kann als eine Ladevorrichtung oder eine Ladeeinrichtung zum Laden eines Akkumulators, oder als eine Vorrichtung oder eine Einrichtung, welche aus dem Akkumulator eine elektrische Leistung bezieht, implementiert sein.
Hierbei kann die Akkumulator-Ladevorrichtung oder -Ladeeinrichtung bzw. die akkumulatorbetriebene Vor- oder Einrichtung derart ausgebildet sein, dass mittels dieser ein beschriebenes Verfahren durchgeführt werden kann. Hierbei kann die Akkumulator-Ladevorrichtung oder -Ladeeinrichtung bzw. die akkumulatorbetriebene Vorrichtung oder Einrichtung ein Computerprogramm, ein Computerprogrammprodukt oder einen computerlesbaren Datenträger, wie z. B. ein beschriebenes digitales Speichermedium, umfassen.
Die Akkumulator-Ladevorrichtung- oder -Ladeeinrichtung bzw. die akkumulatorbetriebene Vorrichtung oder Einrichtung kann für ein Messen einer oder für ein anderweitiges Schließen auf die Lade- oder Entladespannung eine analoge Schaltung oder einen Analog-Digital-Wandler aufweisen. Ferner kann zur verbesserten Auflösung der Lade- oder Entladespannung ein Ladestromkreis der Akkumulator-Ladevorrichtung oder -Ladeeinrichtung einen elektrischen Zusatzwiderstand aufweisen. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die akkumulatorbetriebene Vorrichtung oder Einrichtung eine hauptsächlich oder im Wesentlichen lineare Entladungscharakteristik und/oder einen hauptsächlich oder im Wesentlichen konstanten Entladestrom aufweist.
Eine Akkumulator-Ladevorrichtung kann z. B. ein externer Lader für z. B. Mignonoder Micro-Akkus, oder ein externer Lader z. B. mit einer Ladeschale beispielsweise für ein handgeführtes Elektrowerkzeug sein. – Eine Akkumulator-Ladeeinrichtung kann z. B. eine Ladeeinrichtung einer akkumulatorbetriebenen Vorrichtung oder Einrichtung sein, wobei die akkumulatorbetriebene Vorrichtung oder Einrichtung bzw. dessen Ladeeinrichtung für ihre Funktion lediglich mit einem elektrischen Kabel verbunden werden muss. Hierbei kann auch ein Stecker für das Kabel eine Funktion für die Ladeeinrichtung besitzen. – Eine akkumulatorbetriebene Vorrichtung ist z. B. ein Apparat, ein elektromechanisches Werkzeug, eine Lampe, ein Gerät oder ein Fahrzeug. – Eine akkumulatorbetriebene Einrichtung kann z. B. ein Bestandteil einer Vorrichtung sein.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In den schematischen Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:
1 in einem Liniendiagramm einen idealen Strom-/Spannungsverlauf eines I-U-Ladeverfahrens eines Lithium-Ionen-Akkumulators;
2 ebenfalls in einem Liniendiagramm einen wirklichen Strom-/Spannungsverlauf einer Ladevorrichtung oder Ladeeinrichtung bei einem I-U-Ladeverfahren eines Lithium-Ionen-Akkumulators;
3 eine Darstellung einer Ladevorrichtung oder Ladeeinrichtung bzw. einer akkumulatorbetriebenen Vorrichtung oder Einrichtung mit einem daran oder darin elektrisch angeschlossenen Akkumulator und dazugehörigen elektrischen Innenwiderständen; und
4 die Ladevorrichtung oder Ladeeinrichtung bzw. die akkumulatorbetriebenen Vorrichtung oder Einrichtung aus 3, mit einem elektrischen Zusatzwiderstand für den Akkumulator.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsformen eines I-U-Ladeverfahrens für Akkumulatoren, insbesondere für Lithium-Ionen-Akkumulatoren, näher erläutert. Die Erfindung ist nicht auf solche Ausführungsformen beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie auf eine Vielzahl von Lade-/ Entladeverfahren für eine Vielzahl Akkumulatoren angewendet werden kann. Der Akkumulator, der auch als Akkupack bezeichnet werden kann, kann dabei z. B. als ein Blei-, ein Lithium-Polymer-, ein Lithium-Eisen-Phosphat-, ein Lithium-Titanat-, ein Natrium-Nickelchlorid-, ein Natrium-Schwefel-, ein Nickel-Eisen-, ein Nickel-Cadmium-, ein Nickel-Metallhydrid-, ein Nickel-Wasserstoff-, ein Nickel-Zinkoder ein Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator etc. mit einer oder einer Mehrzahl von in serie- und/oder parallelgeschalteten Zellen ausgebildet sein.
In einer ersten Phase des in 1 dargestellten idealen I-U-Ladeverfahrens wird der Akkumulator 10 (vgl. 3 und 4) mit einem konstanten, durch eine Ladevorrichtung 20 (Lader 20) oder eine Ladeeinrichtung 20 begrenzten, elektrischen Strom I geladen. Gegenüber einem reinen Konstantspannungs-Ladeverfahren wird dabei ein Begrenzen eines sonst hohen Anfangsladestroms I erreicht. Bei einem Erreichen einer gewählten Grenzspannung U_G am Akkumulator 10 wird von einer Strom- auf eine Spannungssteuerung bzw. -regelung umgeschaltet. – In einer zweiten Ladephase wird mit einer konstanten Spannung U weiter geladen, wobei mit einem zunehmendem Ladezustand des Akkumulators 10 der Ladestrom I selbsttätig absinkt. Als ein Kriterium für ein Beenden des Ladens wird im Stand der Technik ein Unterschreiten eines gewählten minimalen Ladestroms I angewendet.
Gemäß der Erfindung erfolgt dies mit Hilfe einer Ableitung dU/dt, d²U/dt², d³U/dt³, ... einer elektrischen Ladespannung U des Akkumulators 10, vgl. 2. Dies kann analog auf eine elektrische Entladespannung U des Akkumulators 10 angewendet werden. Hierfür wird ein Lade- I oder Entladestrom I des Akkumulators 10 weder erfasst noch unterbrochen. Gemäß der Erfindung kann der Ladestrom I abgeschätzt werden, ohne dass dafür eine Strommessung erforderlich ist. Somit können Kosten z. B. für das Ladegerät 20 reduziert werden. Anstelle einer direkten Strommessung wird bei der Erfindung wenigstens über eine Änderungsgeschwindigkeit dU/dt der Lade- bzw. Akkumulatorspannung U eine Höhe des Ladestroms I abgeschätzt bzw. anhand eines charakteristischen Merkmals eines Verhaltens dieser Änderungsgeschwindigkeit dU/dt ein Einfluss auf einen Ladevorgang genommen.
Ein Messen, Bestimmen, Ermitteln oder Abschätzen der Akkumulatorspannung U, also ein Schließen auf die Akkumulatorspannung U, erfolgt relativ, was einen Einsatz preiswerter Analog-Digital-Wandler oder analoger Messschaltungen ohne eine vergleichsweise sehr genaue Spannungsreferenz – beispielsweise im µV-Bereich – ermöglicht. Zusätzlich oder alternativ sind neben der Änderungsgeschwindigkeit dU/dt eine Änderungsbeschleunigung d²U/dt², ein Änderungsruck d³U/dt³ und/oder eine oder eine Mehrzahl weiterer Ableitungen der Akkumulatorspannung U anwendbar.
Beim Laden des Akkumulators 10 bleibt die Spannung U am Akkumulator 10 nach einen Erreichen einer Grenzspannung U_G theoretisch konstant (vgl. 1). In Wirklichkeit (2) jedoch nähert sich die Grenzspannung U_G mit sinkendem Ladestrom I einer wirklichen Grenzspannung U_G an. Dies wird durch einen Innenwiderstand 12 des Akkumulators 10 bzw. dessen Zellen und einen Innenwiderstand 22 einer Ladeschaltung 26 des Ladegeräts 20 verursacht. – Gemäß der Erfindung wird bei einem Erreichen eines vorherbestimmten Werts oder Wertebereichs der Änderungsgeschwindigkeit dU/dt und/oder bei einem Erreichen eines vorherbestimmten Werts oder Wertebereichs einer weiteren Ableitung d²U/dt², d³U/dt³, ... der Akkumulatorspannung U der Ladevorgang beendet. Für eine einzelne Zelle eines Akkumulators 10 beträgt diese Änderungsgeschwindigkeit dU/dt 1–2 mV/min bis 200 mV/min. Auf zehn Zellen je Akkumulator 10 umgerechnet ergibt sich dabei eine Änderungsgeschwindigkeit die zwischen 10–20 mV/min und 2 V/min liegen kann.
Mittels eines zusätzlichen Widerstands 24 (4) im Ladestromkreis 26 des Ladegeräts 20 kann eine Messzeit t für die Änderungsgeschwindigkeit dU/dt der Akkumulatorspannung U erhöht werden, wobei insbesondere eine Phase mit konstanter Ladespannung U zeitlich verlängert wird. Dabei wird ein Einfluss eines Innenwiderstands 12 des Akkumulators 10 auf die Änderungsgeschwindigkeit dU/dt der Akkumulatorspannung U reduziert. Die Änderungsgeschwindigkeit dU/dt der Ladespannung U kann zudem für eine Abschätzung des Ladezustands des Akkumulators 10 verwendet werden, was z. B. für eine Ladezustandsanzeige verwendbar ist.
Des Weiteren können Defekte der Akkumulatorzellen oder defekte Akkumulatoren 10 durch eine Auswertung der Änderungsgeschwindigkeit dU/dt der Lade- U oder Entladespannung U erkannt werden. Der Ladestrom I wird dabei nicht erfasst und nicht beeinflusst. – Ferner können verschiedene Änderungsgeschwindigkeiten dU/dt bzw. eine weitere Ableitung davon d²U/dt², d³U/dt³, ... insbesondere in einem Bereich einer Konstantstrom-Ladephase (vgl. 2) für eine Abschätzung des Ladezustands des Akkumulators 10 angewendet werden. Hierbei sind insbesondere Wendepunkte in einem Verlauf der Akkumulatorspannung U in der Konstantstrom-Ladephase auszuwerten.
Eine Messung der Änderungsgeschwindigkeit dU/dt bzw. eine weitere Ableitung d²U/dt², d³U/dt³, ... der Akkumulatorspannung U kann sowohl über einen Analog-Digital-Wandler als auch mit einer analogen Schaltung erfolgen. – Die Ladevorrichtung 20 oder Ladeeinrichtung 20 bzw. die akkumulatorbetriebene Vorrichtung 20 oder Einrichtung 20 umfasst des Weiteren bevorzugt eine Überwachungseinrichtung, welche eine physikalische Größe des Akkumulators ermittelt. Beispielsweise kann es sich bei der physikalischen Größe um eine Temperatur des Akkumulators 10 handeln. Weicht die physikalische Größe von einem vorgegebenen Wert oder Bereich ab, so unterbricht oder verändert die Überwachungseinrichtung ein Laden oder Entladen des Akkumulators 10.
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Lade- oder Entladeverfahren insbesondere für Lithium-Ionen-Akkumulatoren 10 mit einer Messung einer Änderungsgeschwindigkeit dU/dt einer Akkumulatorspannung U und/oder weiterer Ableitungen d²U/dt², d³U/dt³, ... der Akkumulatorspannung U. Bei dem Verfahren kann ein Ladestrom I anhand der Änderungsgeschwindigkeit dU/dt und/oder weiterer Ableitungen d²U/dt², d³U/dt³, ... der Akkumulatorspannung U abgeschätzt werden. Die Abschätzung erfolgt relativ mittels einer Spannungserfassung. Bei Erreichen eines definierten Werts, z. B. einer bestimmten Änderungsgeschwindigkeit dU/dt der Akkumulatorspannung U wird der Lade- oder Entladevorgang beendet.
Durch das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren kann der Ladestrom I aus der oder den Ableitungen dU/dt, d²U/dt², d³U/dt³, ... der Akkumulatorspannung U abgeschätzt bzw. berechnet werden, ohne diesen zu messen. Dies ist von Vorteil, wenn Zusatzinformationen bereitstehen, die zusammen mit dem derart ermittelten Ladestrom I neue Erkenntnisse versprechen. – Ist dies nicht der Fall, so kann durch das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren der Ladestrom I subsituiert werden. D. h. statt dem Ladestrom I wird eine andere Größe, also die Ableitung(en) dU/dt, d²U/dt², d³U/dt³, ... der Akkumulatorspannung U, angewendet, wobei diese nicht unbedingt in einer Ähnlichkeitsbeziehung zum Ladestrom I stehen muss bzw. müssen. – Es ist natürlich ebenso möglich, beides anzuwenden.
Die obigen Erläuterungen beziehen sich auf ein Laden des Akkumulators 10 mit elektrischer Energie; es ist jedoch möglich, diese Erläuterungen vice versa auf ein Entladen des Akkumulators 10 anzuwenden. – Die Erfindung kann z. B. auf Akkumulatoren 10 von kleinen Apparaten 20, wie elektrische Zahnbürsten 20 oder Rasierer 20; Mobiltelefonen 20; Lampen 20, wie Taschenlampen 20; Spielzeugen 20; schnurlosen Werkzeugen 20, wie handgeführte Elektrowerkzeuge 20; Notebooks 20; Computer 20 bis hin zu Batterien 10, d. h. Akkumulatoren 10, für elektrische Antriebe 20; Elektromobile 20; Gabelstapler 20; Elektrofahrzeuge 20 und Hybridfahrzeuge 20 etc. angewendet werden.
Ein Kriterium für einen Abbruch eines Lade- oder Entladeverfahrens ist z. B. eine bestimmte Steilheit eines Zuwachses der Akkumulatorspannung U in einer bestimmten Zeitspanne, was durch die Änderungsgeschwindigkeit dU/dt und/oder weiterer Ableitungen d²U/dt², d³U/dt³, ... der Akkumulatorspannung U ermittelbar ist. – Ist z. B. die Änderungsgeschwindigkeit dU/dt der Akkumulatorspannung U bei einem Ladeverfahren geringer als ein bestimmter Wert oder Wertebereich (Mindeststeilheit), so kann davon ausgegangen werden, dass der betreffende Akkumulator 10 einen Ladezustand erreicht hat, welcher an seiner Kapazitätsgrenze liegt. – Ist die Änderungsgeschwindigkeit dU/dt der Akkumulatorspannung U bei einem Entladeverfahren größer als ein bestimmter Wert oder Wertebereich (Maximalsteilheit), so kann davon ausgegangen werden, dass der betreffende Akkumulator 10 im Wesentlichen vollständig entleert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69318029 T2 [0005]
US 5477125 A [0005]

Claims

Verfahren zum Überwachen eines Ladezustands eines Akkumulators (10), insbesondere Lade- oder Entladeverfahren für einen Akkumulator (10), insbesondere einen Lithium-Ionen-Akkumulator (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf den Ladezustand bzw. den Lade- oder Entladestrom des Akkumulators (10) durch eine Ableitung (dU/dt, d²U/dt², d³U/dt³, ...) einer elektrischen Lade- (U) oder Entladespannung (U) des Akkumulators (10) geschlossen wird.
Überwachungsverfahren gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Ladezustand des Akkumulators (10) durch eine Änderungsgeschwindigkeit (dU/dt), eine Änderungsbeschleunigung (d²U/dt²), einen Änderungsruck (d³U/dt³) und/oder eine oder eine Mehrzahl weiterer Ableitungen (...) der Lade- (U) oder Entladespannung (U) des Akkumulators (10) geschlossen wird.
Überwachungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsverfahren: • bei einem fließenden elektrischen Lade- (I) oder Entladestrom (I) durchgeführt wird; • ohne eine Beeinflussung und/oder ohne eine Unterbrechung des Lade- (I) oder Entladestroms (I) durchgeführt wird; und/oder • ohne auf einen Lade- (I) oder Entladestrom (I) zu Schließen durchgeführt wird.
Überwachungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Durchführung des Überwachungsverfahrens der Lade- (I) oder Entladestrom (I) hauptsächlich oder im Wesentlichen konstant gehalten ist, wobei der Lade- (I) oder Entladestrom (I) bevorzugt ein für einen bestimmten Typ eines Akkumulators (10) typischer Lade- (I) oder Entladestrom (I) ist.
Überwachungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsverfahren für eine Dauer eines planvollen Ladens oder Entladens des Akkumulators (10) hauptsächlich oder im Wesentlichen unterbrechungsfrei und ggf. in diskreten, zeitlich aufeinander folgenden Schritten durchgeführt wird.
Überwachungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich einer konstanten Lade- oder Entladekurve des Akkumulators (10) durch einen Vergleich einer Mehrzahl von Ableitungen (dU/dt, d²U/dt², d³U/dt³, ...) einer Mehrzahl von Lade- (U) oder Entladespannungen (U) des Akkumulators (10) auf den Ladezustand des Akkumulators (10) geschlossen wird.
Überwachungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Erreichen eines definierten Werts oder Wertebereichs für die Ableitung (dU/dt, d²U/dt², d³U/dt³, ...) der Lade- (U) oder Entladespannung (U) das Laden oder Entladen des Akkumulators (10) beendet wird.
Überwachungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • auf den Ladezustand des Akkumulators (10) ferner durch eine für einen bestimmten Typ eines Akkumulators (10) typische Lade- oder Entladekurve geschlossen wird; • das Überwachungsverfahren ein Lade- und/oder Entladeverfahren für wenigstens einen Akkumulator (10) ist; • das Überwachungsverfahren bei einem bestimmungsgemäßen Entladen bzw. Gebrauch des Akkumulators (10) bei dem Akkumulator (10) durchgeführt wird; • das Überwachungsverfahren zum Bestimmen, Ermitteln oder Abschätzen eines aktuellen Ladezustands bei einem bestimmungsgemäßen Entladen bzw. Gebrauch des Akkumulators (10) bei dem Akkumulator (10) eingesetzt wird; • das Überwachungsverfahren zum Erkennen einer defekten Akkuzelle oder zum Erkennen eines defekten Akkumulators (10) eingesetzt wird; • bei dem Überwachungsverfahren ferner ein Bestimmen, Ermitteln oder Abschätzen des Lade- (I) oder Entladestroms (I) eingesetzt wird; und/oder • bei dem Überwachungsverfahren ferner ein aktives Beeinflussen des Lade- (I) oder Entladestroms (I) eingesetzt wird.
Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die ausgebildet sind ein Überwachungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn die Programmcodemittel auf einer Recheneinheit oder Verarbeitungseinrichtung ablaufen, oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind.
Recheneinheit oder Verarbeitungseinrichtung, bevorzugt für eine Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung (20) oder eine akkumulatorbetriebene Vor-/Einrichtung (20), welche derart ausgebildet ist, dass durch die Recheneinheit bzw. die Verarbeitungseinrichtung ein Überwachungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführbar ist, ein Computerprogramm nach Anspruch 9 ablaufbar ist und/oder ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9 aufweist.
Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung oder akkumulatorbetriebene Vor-/Einrichtung, insbesondere Ladegerät (20), Apparat (20), elektromechanisches Werkzeug (20), Lampe (20), Gerät (20) oder Fahrzeug (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung (20) bzw. die akkumulatorbetriebene Vor-/Einrichtung (20) derart eingerichtet ist, dass dadurch ein Überwachungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführbar ist, die Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung (20) bzw. die akkumulatorbetriebene Vor-/Einrichtung (20) ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9, und/oder eine Recheneinheit oder eine Verarbeitungseinrichtung nach Anspruch 10 aufweist.
Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung oder akkumulatorbetriebene Vor-/Einrichtung gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass: • die Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung (20) bzw. die akkumulatorbetriebene Vor-/Einrichtung (20) für ein Messen einer oder für ein anderweitiges Schließen auf die Lade- (U) oder Entladespannung (U) eine analoge Schaltung oder einen Analog-Digital-Wandler aufweist; • die Akkumulator-Ladevor-/-einrichtung (20) in einem Ladestromkreis (26) einen elektrischen Zusatzwiderstand (24) aufweist; • die akkumulatorbetriebene Vor-/Einrichtung (20) eine hauptsächlich oder im Wesentlichen lineare Entladungscharakteristik aufweist; und/oder • die akkumulatorbetriebene Vor-/Einrichtung (20) einen hauptsächlich oder im Wesentlichen konstanten Entladestrom aufweist.