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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher sowie ein Verfahren zur Entsorgung eines Energiespeichers. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Vermeidung kritischer Zustände durch elektrische Restladung eines entsorgten elektrochemischen Energiespeichers.
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Das Entsorgungskonzept von Batteriesystemen – insbesondere solchen mit hohem Energieinhalt oder hoher elektrischer Spannungslage – sieht derzeit vor, dass der Energiespeicher im Rahmen der Entsorgung zunächst vollständig zu entladen ist. Zur Durchführung dieser Entladung muss das Batteriesystem extern beschaltet werden. Unter Umständen muss das Batteriesystem dazu auch geöffnet werden. Derzeit sind keine die technischen Möglichkeiten vollständig ausschöpfenden Maßnahmen bekannt, über welche sich das Batteriesystem selbst zur Entsorgung in einen tiefentladenen Zustand versetzen kann.
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DE-10 2011 103 118 A1 betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum automatischen Entladen einer Batterie eines Fahrzeugs. Hierbei wird ein Steuergerät innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers dazu veranlasst, einen Entladewiderstand, welcher eigens für die Entladung des Energiespeichers vorgesehen ist, elektrisch mit den elektrochemischen Zellen zu verbinden.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Maßnahme einer Entladung im Rahmen des Entsorgungsvorgangs trifft insbesondere für Batteriesysteme aus Elektro-Traktionsanwendungen zu, da diese einen hohen Energieinhalt, einen hohen Restenergieinhalt und gegebenenfalls ein gefährlich hohes elektrisches Spannungsniveau während der Entsorgung aufweisen können. Die Restentladung der Hochvoltbatterie führt bei deren Entsorgung zu Ereignissen, die gefährlich für das Entsorgungspersonal und die Umgebung sein können. Die im Stand der Technik bekannten Lösungen bedingen eine Vielfalt unterschiedlicher zu unternehmender Schritte vor der Entsorgung der Hochvoltbatterien, wodurch sich die Kosten für Ausrüstung und Durchführung der Maßnahmen erhöhen. Insbesondere die zur Entladung gegebenenfalls unterschiedlichen erforderlichen Apparaturen führen zu hohen Investitionskosten. Ein gegebenenfalls erforderliches Öffnen des Batteriesystems erfordert zudem Fachwissen, wodurch zusätzliche Schulungs- und Personalkosten entstehen. Zudem ist das Öffnen von Batteriesystemen stets mit einem Risiko einer elektrischen Entladung (“elektrischer Schlag“), eines Kurzschlusses etc. verbunden. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sichere und wirtschaftlich attraktive Möglichkeit zur Entladung/Entsorgung eines elektrochemischen Energiespeichers bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Entsorgung eines Energiespeichers mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie einen Energiespeicher mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7 gelöst. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt durch Integration einer entsprechenden Logik in das Batteriesystem bzw. in dessen Gehäuse, welches eine gezielte und vollständige Entladung der Batterie ermöglicht. Für den Entladeprozess muss eine geeignete Hardware im Batteriesystem integriert sein, sofern eine externe Bereitstellung entsprechender Werkzeuge vermieden werden soll. Speziell Lithium-Batteriesysteme (wobei analoge Überlegungen für andere Speichertechnologien zutreffen) verfügen in der Regel über eine Beschaltung, die im Normalbetrieb zum Ladungsausgleich (“Balancing“) zwischen den Zellen des Energiespeichers benutzt wird. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass bekannte Batteriesysteme hierdurch bereits die gegenständlichen Mittel (Hardware) beinhalten, mit denen sie sich selbst in einen sicheren, tiefentladenen Zustand versetzen können. Der Entladeprozess muss also lediglich mit geeigneten Maßnahmen von außen angestoßen werden (z.B. mittels eines Diagnosesystems, eines Kommunikationsgerätes o.ä.), im Ansprechen worauf der Entladeprozess selbständig und unabhängig von einer bestehenden Kommunikationsverbindung ablaufen kann. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird das Balancing-Steuergerät des zu entsorgenden Energiespeichers zum Herstellen eines entsorgungstauglichen Tiefentladezustandes verwendet. Mit anderen Worten wird die für das Balancing vorgesehene Hardware erfindungsgemäß nicht lediglich für eine Ladungsanpassung zwischen den Zellen während der bestimmungsgemäßen Verwendung eingesetzt, sondern insbesondere für eine vollständige Entladung der Hochvoltbatterie vor der Entsorgung verwendet. Die Verwendung der Balancing-Hardware hat den Vorteil, dass hierdurch zur Realisierung der erfindungsgemäßen Entladefunktion keine zusätzlichen Elemente erforderlich sind. Einerseits werden somit Bauteilerfordernis und Platzbedarf innerhalb des Energiespeichers verringert bzw. dessen Kapazität bei gleichbleibender Bauform erhöht, andererseits werden ohnehin zur Kommunikation mit dem Energiespeicher vorhandene Kommunikationsschnittstellen verwendet, um den erfindungsgemäßen Entladevorgang anzustoßen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt kann das Balancing-Steuergerät durch ein Diagnose-Gerät kontaktiert werden, um einen Befehl zur endgültigen, entsorgungstauglichen Tiefentladung des Energiespeichers zu empfangen. Diese Kontaktierung kann innerhalb des Fahrzeugs vorgenommen werden, wofür beispielsweise fahrzeuggebundene Schnittstellen (OBD-Schnittstelle) verwendet werden können. Alternativ oder zusätzlich kann der erfindungsgemäße Vorgang auch außerhalb eines Fahrzeugs angestoßen werden, indem das verwendete Diagnosegerät direkt (ohne Vermittlung durch ein Fahrzeugbordnetz) an den Energiespeicher angebunden wird. Auf diese Weise kann der Tiefentladevorgang auch unabhängig von einem Fahrzeug vorgenommen werden, welches zwischenzeitlich mit einem neuen (frischen) Energiespeicher ausgestattet und bestimmungsgemäß verwendet werden kann.
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Bevorzugt kann eine Kennung/Berechtigung eines Anwenders abgefragt werden, bevor das erfindungsgemäße Verfahren die Tiefentladung des Energiespeichers herbeiführt. Die Kennung kann beispielsweise in Form eines Zahlencodes und/oder einer Werkstattkennung in Verbindung mit einem Passwort in einem Datenspeicher des Energiespeichers hinterlegt sein. Sofern z.B. ein Diagnosegerät zur Entladung des Energiespeichers verwendet werden soll, kann zunächst die Berechtigung des Diagnose-Gerätes bzw. dessen Anwenders durch Abgleich der Kennung des Energiespeichers überprüft werden. Auf diese Weise kann eine versehentliche bzw. durch nicht autorisiertes Personal veranlasste Tiefentladung des Energiespeichers, welche unweigerlich zu dessen Beschädigung/Zerstörung führt, verhindert werden.
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Bevorzugt ist eine fortbestehende Kommunikationsverbindung nach einem Anstoßen des erfindungsgemäßen Entladevorgangs nicht erforderlich, so dass nach einem erfolgreichen Abfragen der Kennung und Anstoßen des Entladevorgangs eine Kommunikationsverbindung zwischen dem Diagnosegerät und dem Energiespeicher unterbrochen bzw. beendet werden kann. Hierzu ist das Balancing-Steuergerät eingerichtet, eine Zielvorgabe vom Diagnosegerät zu erhalten und selbstständig zu verwirklichen oder im Ansprechen auf ein erfolgreiches Anstoßen des Entladevorganges eine vorab hinterlegte vordefinierte Zielvorgabe selbständig zu verwirklichen. Hierzu kann das Balancing-Steuergerät einen Mikrocontroller, einen Nanocontroller, o.ä. umfassen, welcher eingerichtet ist, mit einem Programmcode zur Durchführung eines kontrollierten Entladens der Zellen des Energiespeichers geladen zu werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die elektrochemischen Zellen des Energiespeichers derart miteinander verschaltet werden, dass die Ausgleichsströme zur elektrischen Entladung beitragen, wobei sich die elektrochemisch Energie an den Innenwiderständen der Zellen sowie im Balancing-Steuergerät in Wärme umwandelt. Alternativ oder zusätzlich können die Widerstandsbauteile, welche während des Balancings einen Ladungsabbau einzelner Zellen durchführen, und dabei insbesondere elektrische Leistungen im Bereich einstelliger oder zweistelliger Wattzahlen umsetzen, durch das Balancing-Steuergerät verwendet werden.
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Die hierbei freiwerdende Energie kann zu einer Erhöhung der Temperatur auf einen ersten Temperaturwert einer elektrochemischen Zelle bzw. des Balancing-Steuergerätes führen, welcher als oberer Grenzwert für einen Arbeitsbereich während des Entladens vorgesehen ist. Wenn das Balancing-Steuergerät ein Erreichen dieses ersten Temperaturwertes erkennt, kann es die Entladeleistung derart reduzieren, dass die Temperatur auf einen zweiten Temperaturwert abfällt. Mit anderen Worten wird eine Hysterese vorgeschlagen, um ein stabiles und sicheres Entladen des elektrochemischen Energiespeichers ohne die Gefahr extremer Temperaturwerte und unsicherer Betriebszustände zu ermöglichen.
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Ist der elektrochemische Energiespeicher erfindungsgemäß entladen bzw. tiefentladen worden, kann er sicher entsorgt werden. Dies kann beispielsweise ein Öffnen des Gehäuses, Separieren seiner Komponenten und gegebenenfalls Aufbereiten seines Elektrolytes und/oder seines Gehäuses umfassen.
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Durch die vorliegende Erfindung werden unkontrollierte und mitunter gefährliche Zustände während der Handhabung des Energiespeichers vermieden, obwohl eine elektrochemisch (irreversible) Schädigung des Energiespeichers provoziert wird. Eine versehentliche Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher für funktionsbereite elektrochemische Energiespeicher unbedingt zu vermeiden. Hierzu können folgende Bedingungen überprüft werden, bevor das erfindungsgemäße Verfahren gestartet werden kann. Die Alterung des Batteriesystems kann über definierte (und im Stand der Technik bekannte) Verfahren festgestellt werden. Mit anderen Worten kann ein vordefinierter Mindest-Alterungszustand des Batteriesystems erforderlich sein, bevor das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, eine zusätzliche Kennung und/oder Bestätigung abzufragen, sofern der Energiespeicher einen Alterungszustand aufweist, welcher seiner Betriebsbereitschaft nicht entgegensteht. Beispielsweise kann eine solche Abfrage sinngemäß “Energiespeicher betriebsbereit! Soll tatsächlich irreversibel schädigend tiefentladen werden?“ lauten. Zusätzlich kann überprüft werden, ob der erfindungsgemäße Energiespeicher bereits aus einem Fahrzeug ausgebaut worden ist. Beispielsweise kann hierzu überprüft werden, ob ein während der Kommunikation mit externen Steuergeräten üblicherweise zwischengeschaltetes Kommunikationsgateway zur Weiterleitung der Nachrichten verwendet wird oder ob das Diagnose-Gerät direkt an den erfindungsgemäßen Energiespeicher angeschlossen ist. Alternativ oder zusätzlich können Sicherheitscodes, Fingerabdruck-Scans, Retina-Scans, Dongles etc. abgefragt und überprüft werden, bevor der erfindungsgemäße Entladeprozess freigeschaltet wird.
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Bevorzugt kann der erfolgreich durchgeführte Entladeprozess nach Beendigung über geeignete Kommunikationsmittel dem Anwender/dem Kundendienst bestätigt werden. Hierzu kann ein Datenspeicher (z.B. ein Fehlerspeicher) verwendet werden, in welchem eine Nachricht über den Status des erfindungsgemäßen Entladevorgangs hinterlegt wird, welche der Anwender oder Kundendienst vor der Entsorgung auslesen kann. Insbesondere kann eine vordefinierte Nachricht einen erfolgreich durchgeführten Entladevorgang kennzeichnen und somit eine Freigabe für den nachfolgenden Entsorgungsvorgang darstellen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Energiespeicher vorgeschlagen, welcher beispielsweise als Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel (z.B. E-Bike, Pedelec, PKW, Transporter, LKW) ausgestaltet ist. Der Energiespeicher umfasst mehrere elektrochemische Zellen, welche beispielsweise auf Lithium-Ionen- bzw. Lithium-Polymer-Technologie bzw. Lithium Eisenphosphat basieren können. Zusätzlich ist ein Balancing-Steuergerät in dem Energiespeicher (z.B. innerhalb eines Gehäuses des Energiespeichers vorgesehen, welches üblicherweise für einen Ladungsausgleich zwischen elektrochemischen Zellen mit ungleichen Ladezuständen verwendet wird. Zusätzlich ist eine Kommunikationsschnittstelle zur direkten Kommunikation mit einem Diagnose-Gerät vorgesehen. Durch die Kommunikation mit dem Diagnose-Gerät kann ein vordefinierter Befehl an das Balancing-Steuergerät gesendet werden, im Ansprechen, worauf das Balancing-Steuergerät die elektrochemischen Zellen tief entlädt. Dies kann insbesondere dadurch stattfinden, dass sich mehrere elektrochemische Zellen gegenseitig entladen und die vormals enthaltene elektrochemische Energie in Form von Verlustwärme an deren Innenwiderständen freigesetzt wird oder indem durch das Balancing-Steuergerät ohmsche Balancing-Widerstände mit den elektrochemischen Zellen verbunden werden und die verbliebene Energie umsetzen. Der Energiespeicher kann bevorzugt eine Kennung aufweisen, über welche eine Berechtigungsprüfung eines Anwenders bzw. eines Anwenderendgerätes abgerufen und überprüft werden kann. Im Ansprechen auf eine der Kennung entsprechende Nachricht vom Diagnose-Gerät kann das Balancing-Steuergerät den Befehl zum Tiefentladen ausführen. Sofern ein solcher Abgleich nicht erfolgreich ist, führt das Balancing-Steuergerät das erfindungsgemäße Verfahren nicht durch. Auf diese Weise kann eine unbeabsichtigte bzw. durch nicht autorisiertes Personal veranlasste Entladung des Energiespeichers verhindert werden.
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Das Balancing-Steuergerät kann eingerichtet sein, den Befehl zum Tiefentladen unabhängig von einem Fortbestehen der Kommunikationsverbindung (bis zum Ende) auszuführen, sofern der Befehl einmal erfolgreich gegeben worden ist. Mit anderen Worten ist das Balancing-Steuergerät mit Softwarecode ausgestattet bzw. ausstattbar (wobei insbesondere bis dahin enthaltener Softwarecode überschrieben wird), mittels welchem es ein selbstständiges Tiefentladen der elektrochemischen Zellen durch entsprechendes Verschalten mehrerer elektrochemischer Zellen durchführen kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine Übersicht über Komponenten zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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2 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Traktionsbatterie 1 als elektrochemischen Energiespeicher, welche drei elektrochemische Zellen 2a, 2b, 2c auf Lithium-Ionen-Basis umfasst. Die elektrochemischen Zellen 2a, 2b, 2c sind über Steuerleitungen mit einem Balancing-Steuergerät 3 verbunden, welches eine Kennung in einem Datenspeicher 7 und einen Prozessor 8 umfasst. Die Kennung dient dem Abgleich mit einer Kennung eines Laptops 4 als Diagnose-Gerät, welches über ein serielles Kabel 5 als Kommunikationsverbindung und eine serielle Schnittstelle 6 als Kommunikationsschnittstelle mit der Traktionsbatterie 1 bzw. ihrem Balancing-Steuergerät 3 verbunden ist. Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Tiefentladung bzw. Entsorgung der Traktionsbatterie 1, ist die Traktionsbatterie 1 aus einem PKW 10 als Fortbewegungsmittel ausgebaut worden. Um sicherzustellen, dass die Traktionsbatterie 1 tatsächlich für die Entsorgung vorgesehen ist, kann der Laptop 4 zudem sicherstellen, dass er keine übrigen Steuergeräte des PKW 10 ansprechen kann, mit anderen Worten also die Traktionsbatterie 1 nicht mehr in das Fahrzeugbordnetz des PKW 10 integriert ist.
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2 zeigt Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 100 wird das Balancing-Steuergerät eines elektrochemischen Energiespeichers mit einem Diagnose-Gerät verbunden und durch das Diagnose-Gerät kontaktiert. Das Balancing-Steuergerät fragt in Schritt 200 eine Kennung von dem Diagnose-Gerät ab. Bei einer Übereinstimmung der Kennung bzw. Berechtigung des verbundenen Diagnose-Gerätes wird in Schritt 300 ein Befehl zur Tiefentladung des Energiespeichers durch das Diagnose-Gerät gesendet. In Schritt 400 erfolgt der Start des Tiefentladevorgangs des Energiespeichers. Hierbei werden die elektrochemischen Zellen des Energiespeichers derart (z.B. alternierend) miteinander verschaltet, dass die verbliebene Energie an den Innenwiderständen der Zellen in Wärme umgewandelt wird. Nach dem erfolgreichen Start des erfindungsgemäßen Tiefentladevorgangs wird das Diagnose-Gerät in Schritt 500 vom Energiespeicher abgezogen und hierbei die Kommunikationsverbindung mit dem Energiespeicher getrennt. In Schritt 600 setzt das Balancing-Steuergerät den Tiefentladevorgang selbständig fort. Die zunehmende Wärmeentwicklung führt in Schritt 700 dazu, dass ein Erreichen eines ersten maximalen Temperaturwertes einer betrachteten elektrochemischen Zelle durch das Balancing-Steuergerät erkannt wird. Um eine Überhitzung des Energiespeichers sowie des Balancing-Steuergerätes zu vermeiden, reduziert das Balancing-Steuergerät in Schritt 800 die Tiefentladeleistung, bis ein zweiter (niedrigerer) Temperaturwert der betrachteten elektrochemischen Zelle erreicht ist. Anschließend wird in Schritt 900 der tiefentladene Energiespeicher sicher entsorgt. Das Fehlen verbliebener elektrochemischer Energie verhindert ein unvorhergesehenes Auftreten kritischer Zustände im weiteren Verlauf der Entsorgung.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Traktionsbatterie
- 2a, 2b, 2c
- elektrochemische Speicherzellen
- 3
- Balancing-Steuergerät
- 4
- Laptop
- 5
- serielles Kabel
- 6
- serielle Schnittstelle
- 7
- Datenspeicher
- 8
- Prozessor
- 10
- PKW
- 100–900
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011103118 A1 [0003]