DE102014216876A1

DE102014216876A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen sowie Verfahren und Vorrichtung zum Durchführen eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen

Info

Publication number: DE102014216876A1
Application number: DE102014216876.7A
Authority: DE
Inventors: Jens Becker; Triantafyllos Zafiridis; Kai-Andre Boehm; Marcus Boege; Michael Rueger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2016-02-25
Also published as: WO2016030137A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen. Dabei weist das Verfahren (200) einen Schritt (230) des Bestimmens einer Ladegruppe aus zumindest einer Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen auf. Auch weist das Verfahren (200) einen Schritt (240) des Erzeugens eines ersten Steuersignals zur Ausgabe an eine Schnittstelle zu der Ladevorrichtung auf. Hierbei ist das erste Steuersignal ausgebildet, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der Ladegruppe mittels der Ladevorrichtung zu bewirken. Ferner weist das Verfahren (200) einen Schritt (250) des Wiederholens des Bestimmens auf, um eine veränderte Ladegruppe mit einer bezüglich der Ladegruppe veränderten Anzahl von Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen zu bestimmen. Zudem weist das Verfahren (200) einen Schritt (260) des erneuten Durchführens des Erzeugens auf, um ein zweites Steuersignal zur Ausgabe an die Schnittstelle zu der Ladevorrichtung zu erzeugen. Dabei ist das zweite Steuersignal ausgebildet, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der veränderten Ladegruppe mittels der Ladevorrichtung zu bewirken.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen, auf ein Verfahren zum Durchführen eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen, auf entsprechende Vorrichtungen sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
An Ladeeinrichtungen zum Laden von Batteriepacks kann üblicherweise ein Akkumulator angeschlossen und geladen werden. Die anzuschließenden Akkumulatoren unterscheiden sich jedoch oft erheblich. Lithium- oder Blei-basierte Batterien können üblicherweise nach dem CCCV-Verfahren (CCCV = constant current constant voltage) bzw. Konstantstrom-Konstantspannungs-Ladeverfahren, auch als IU-Ladeverfahren bezeichnet, geladen werden.
Beispielsweise beschreibt die US 2013/0187602 A1 einen Auflader für eine Batterie.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein Verfahren zum Durchführen eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen, ferner eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können mehrere elektrochemische Energiespeicher zur Vermeidung einer sequenziellen Ladestrategie vorteilhafterweise zumindest teilweise parallel geladen werden. Dies kann beispielsweise in Verbindung mit einer Ladeinstallation erfolgen, die es ermöglicht, mehrere elektrochemische Energiespeicher simultan bzw. parallel anzuschließen und in beliebiger Kombination mit der Ladeschaltung zu verbinden. Für den Ladevorgang können hierbei elektrische Eigenschaften der elektrochemischen Energiespeicher als Rahmenbedingungen berücksichtigt, überwacht und eingehalten werden.
Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung somit ein zumindest teilweise paralleles Ladeverfahren zur zeitoptimierten und/oder schonenden Ladung von elektrochemischen Energiespeichern bzw. Batterien eingesetzt werden. So kann beispielsweise eine Gesamtladedauer mehrerer zu ladender Batterien reduziert werden, kann eine Lebensdauer von zu ladenden Batterien erhöht werden und kann eine Auslastung einer Ladeeinrichtung und damit eine Wirtschaftlichkeit erhöht werden. Es kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erreicht werden, dass sich bei dem Ladevorgang ein Ladestrom möglichst gleichmäßig bzw. proportional in Relation zu Ladestromgrenzen auf die Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen verteilt, um mit maximal zulässigem Gesamtstrom laden zu können. Ein Parallelschalten von elektrochemischen Energiespeichern kann, sofern dieselben im Wesentlichen dieselbe Spannungslage haben bzw. wenn Rahmenbedingungen beachtet werden, üblicherweise unkompliziert erfolgen.
Es wird ein Verfahren zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bestimmen einer Ladegruppe aus zumindest einer Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen;
Erzeugen eines ersten Steuersignals zur Ausgabe an eine Schnittstelle zu der Ladevorrichtung, wobei das erste Steuersignal ausgebildet ist, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der Ladegruppe mittels der Ladevorrichtung zu bewirken;
Wiederholen des Schritts des Bestimmens, um eine veränderte Ladegruppe mit einer bezüglich der Ladegruppe veränderten Anzahl von Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen zu bestimmen; und
erneutes Durchführen des Schritts des Erzeugens, um ein zweites Steuersignal zur Ausgabe an die Schnittstelle zu der Ladevorrichtung zu erzeugen, wobei das zweite Steuersignal ausgebildet ist, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der veränderten Ladegruppe mittels der Ladevorrichtung zu bewirken.
Beispielsweise kann im erstgenannten Schritt des Bestimmens eine Ladegruppe aus beispielsweise zwei Energiespeichereinrichtungen gebildet werden und im erstgenannten Schritt des Erzeugens kann ein Steuersignal erzeugt werden, mit dem die Ladevorrichtung so angesteuert wird, dass die beiden Energiespeichereinrichtungen parallel geladen werden.
Im wiederholten Schritt des Bestimmens kann die bisherige Ladegruppe verändert, beispielsweise eine weitere Energiespeichereinrichtung hinzugefügt werden, sodass sich eine neue Ladegruppe ergibt, die nun drei Energiespeichereinrichtungen umfasst. Im wiederholten Schritt des Erzeugens kann nun ein neues Steuersignal erzeugt werden, mit dem dieselbe Ladevorrichtung nun so angesteuert wird, dass die drei Energiespeichereinrichtungen der neuen Ladegruppe parallel geladen werden.
Die genannten Schritte des Bestimmens und Erzeugens können beispielsweise solange wiederholt ausgeführt werden, bis alle an die gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen Energiespeichereinrichtungen aufgeladen sind.
Weisen zwei Energiespeichereinrichtungen derselben Bauart denselben Ladezustand auf, so können sie im Schritt des Bestimmens zu einer Ladegruppe zusammengefasst werden.
Bei einem elektrochemischen Energiespeicher kann es sich um eine galvanische bzw. elektrochemische Sekundärzelle, eine Batteriezelle, eine Batterie bzw. einen Akkumulator handeln. Ein elektrochemischer Energiespeicher kann ein sogenannter Batteriepack mit einer Mehrzahl von Batteriezellen sein, beispielsweise für ein Elektrofahrzeug oder dergleichen. Ein elektrochemischer Energiespeicher kann auch Teil eines Batteriepacks mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern sein. Die elektrische Eigenschaft kann als ein Selektionskriterium zur Auswahl von Energiespeichereinrichtungen verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Erfassens der mindestens einen elektrischen Eigenschaft von zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen aufweisen. Hierbei kann als die elektrische Eigenschaft ein Ladezustand, eine elektrische Spannung, ein Innenwiderstand, eine Kapazität, eine Zellchemie, eine Ladeschlussspannung, eine maximal zulässige Ladespannung und/oder ein maximal zulässiger Ladestrom der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen erfasst werden. Der Schritt des Erfassens kann während des Ladevorgangs zeitlich aufeinanderfolgend wiederholt ausgeführt werden. Im Schritt des Erfassens kann die mindestens eine elektrische Eigenschaft mit den elektrochemischen Energiespeichern ausgehandelt werden und/oder durch Messen ermittelt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Ladegruppe und die veränderte Ladegruppe unter Berücksichtigung von genau quantifizierbaren Rahmenbedingungen gebildet werden können, welche die mindestens eine erfasste elektrische Eigenschaft aufweisen. Somit kann der Ladevorgang besonders effizient im Hinblick auf zeitliche und energetische Anforderungen ausgeführt werden.
Auch kann im Schritt des Bestimmens eine Ladegruppe aus zumindest einer spannungsminimalen Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen bestimmt werden. Die zumindest eine spannungsminimale Energiespeichereinrichtung kann hierbei eine minimale elektrische Spannung und zusätzlich oder alternativ einen niedrigsten Ladezustand der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine besonders energieeffiziente Ladestrategie zur Anwendung gebracht werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform, bei der die mindestens eine elektrische Eigenschaft eine Ladeschlussspannung ist, kann das Wiederholen des Schritts des Bestimmens ausgeführt werden, wenn die Ladeschlussspannung zumindest einer Energiespeichereinrichtung in der Ladegruppe erreicht ist. Dabei kann die Ladegruppe um die zumindest eine Energiespeichereinrichtung, deren Ladeschlussspannung erreicht ist, verkleinert werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch elektrochemische Energiespeichereinrichtungen, die unterschiedliche Maximalspannungen aufweisen, zumindest teilweise parallel geladen werden können.
Gemäß einer Ausführungsform, wobei die mindestens eine elektrische Eigenschaft eine elektrische Spannung ist, kann das Wiederholen des Schritts des Bestimmens ausgeführt werden, wenn die elektrische Spannung der zumindest einen Energiespeichereinrichtung in der Ladegruppe eine elektrische Spannung von zumindest einer ladegruppenexternen Energiespeichereinrichtung erreicht. Hierbei kann die Ladegruppe um die zumindest eine ladegruppenexterne Energiespeichereinrichtung, deren elektrische Spannung von der zumindest einen Energiespeichereinrichtung in der Ladegruppe erreicht ist, vergrößert werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen in einer nach ihrer elektrischen Spannung gestaffelten Ladestrategie besonders schonend und zugleich wirtschaftlich geladen werden können.
Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Gruppierens der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen in eine erste Anschlussgruppe zum Anschluss an eine erste Ladeschaltung der Ladevorrichtung und in eine zweite Anschlussgruppe zum Anschluss an eine zweite Ladeschaltung der Ladevorrichtung aufweisen. Auch kann im Schritt des Gruppierens die Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen in zumindest eine weitere Anschlussgruppe zum Anschluss an zumindest eine weitere Ladeschaltung der Ladevorrichtung gruppiert werden. Die mindestens eine elektrische Eigenschaft kann hierbei ein Selektionskriterium und/oder Gruppierungskriterium repräsentieren. Dabei kann das Verfahren in Verbindung mit einer Ladevorrichtung mit zumindest zwei Ladeschaltungen ausgeführt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil eines weiter optimierten Ladeverfahrens, da Energiespeichereinrichtungen unterschiedlicher Zellchemien und damit Spannungslagen oder ähnlicher Kapazität gruppiert und damit, was eine Lastverteilung bzw. Stromverteilung angeht, besser ausbalanciert geladen werden können. Durch das Gruppieren kann erreicht werden, dass sich ein Ladestrom möglichst gleichmäßig bzw. proportional in Relation zu den Ladestromgrenzen auf die Energiespeichereinrichtungen verteilt, um mit maximal zulässigem Gesamtstrom laden zu können.
In diesem Fall können in den Schritten des Bestimmens erste Ladegruppen aus zumindest einer Energiespeichereinrichtung der ersten Anschlussgruppe und zweite Ladegruppen aus zumindest einer Energiespeichereinrichtung der zweiten Anschlussgruppe bestimmt werden. Entsprechend können in den Schritten des Erzeugens Steuersignale zur Ausgabe an die erste Ladeschaltung der Ladevorrichtung und weitere Steuersignale zur Ausgabe an die zweite Ladeschaltung der Ladevorrichtung erzeugt werden. Auf diese Weise können zwei Ladegruppen parallel an den beiden Ladeschaltungen geladen werden. Das Verfahren kann dabei in entsprechender Weise auf weitere Ladeschaltungen erweitert werden.
Es wird auch ein Verfahren zum Durchführen eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Ausführen einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens, um zumindest ein Steuersignal zum Laden der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen bereitzustellen; und
Laden der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung des zumindest einen bereitgestellten Steuersignals.
Das Verfahren zum Durchführen ist somit in Verbindung mit einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens zum Steuern vorteilhaft ausführbar. Wenn Energiespeichereinrichtungen mit unterschiedlicher Maximalspannung zusammengeschaltet werden sollen, kann somit insbesondere ein stufenweises Ladeverfahren zum Einsatz kommen. Das zumindest eine Steuersignal kann beispielsweise bewirken, dass eine erste Spannungsgrenze angefahren und so lange konstant gehalten wird, bis eine Energiespeichereinrichtung mit der niedrigsten Maximalspannung vollgeladen ist. Danach kann diese Energiespeichereinrichtung von der Ladevorrichtung getrennt werden. Das zumindest eine Steuersignal kann beispielsweise auch bewirken, dass dann eine nächsthöhere Spannungsgrenze angefahren wird. Anders ausgedrückt kann hierbei zunächst die Energiespeichereinrichtung mit der niedrigsten Spannung auf ein Spannungsniveau der Energiespeichereinrichtung mit der zweitniedrigsten Spannung geladen werden. Wenn beide Energiespeichereinrichtungen ein vergleichbares Potential erreicht haben, können dieselben parallel geschaltet und gemeinsam bis auf das Potential der Energiespeichereinrichtung mit der drittniedrigsten Spannung geladen werden.
Auch diese Energiespeichereinrichtung mit der drittniedrigsten Spannung kann dann parallel zu den anderen beiden geschaltet werden. Dieses Vorgehen kann wiederholt werden, bis beispielsweise die Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen parallel geschaltet sind. Das Vorgehen kann beim Erreichen von Ladeschlussspannungen der Energiespeichereinrichtungen beispielsweise invers analog angewendet werden. Nach und nach können die Energiespeichereinrichtungen von der Ladevorrichtung getrennt und die Ladespannung sukzessive wie benötigt angehoben werden, um die verbliebenen Energiespeichereinrichtungen vollzuladen.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einem Steuergerät kann ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Es wird insbesondere auch ein System zum Laden einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen vorgestellt, wobei das System folgende Merkmale aufweist:
eine Ausführungsform des vorstehend genannten Steuergeräts; und
eine Ladevorrichtung zum zumindest teilweise parallelen Laden der Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen, wobei die Ladevorrichtung eine Schnittstelle zu dem Steuergerät und zumindest eine Ladeschaltung aufweist, wobei die Ladevorrichtung über die Schnittstelle datenübertragungsfähig mit dem Steuergerät verbunden ist, wobei die Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen an die zumindest eine Ladeschaltung der Ladevorrichtung anschließbar sind.
Somit kann in Verbindung mit dem System zum Laden eine Ausführungsform des vorstehend genannten Steuergeräts vorteilhaft verwendet bzw. eingesetzt werden. Dabei kann die Ladevorrichtung insbesondere auch eine Mehrzahl von Ladeschaltungen aufweisen.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer, einem Steuergerät oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ladesystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Ladevorgangs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Durchführen eines Ladevorgangs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4A bis 5B verschiedene Ladediagramme von Ladevorgängen für elektrochemische Energiespeichereinrichtungen.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ladesystems 100 bzw. Systems zum Laden einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Ladesystem 100 weist ein Steuergerät 110 mit einer Bestimmungseinrichtung 112 sowie einer Erzeugungseinrichtung 114, eine Schnittstelle 116 und eine Ladevorrichtung 120 auf. Das Steuergerät 110 und die Ladevorrichtung 120 des Ladesystems 100 sind mittels der bidirektional ausgeführten Schnittstelle 116 datenübertragungsfähig miteinander verbunden.
Ferner sind in 1 eine Mehrzahl von lediglich beispielhaft vier elektrochemische Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 gezeigt, die elektrisch leitfähig an Anschlussstellen des Ladesystems 100 bzw. an der Ladevorrichtung 120 angeschlossen sind. Jede der Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 kann einem Fahrzeug zugeordnet sein, dass zum Aufladen seiner Energiespeichereinrichtung 132, 134, 136 und 138 an das Ladesystem 100 angeschlossen ist.
Das Steuergerät 110 ist ausgebildet, um einen unter Verwendung der Ladevorrichtung 120 durchgeführten Ladevorgang der Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 zu steuern.
Hierbei ist das Steuergerät 110 ausgebildet, um über die Schnittstelle 116 und die Ladevorrichtung 120 mindestens eine elektrische Eigenschaft von zumindest einer Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 einzulesen. Bei der mindestens einen elektrischen Eigenschaft handelt es sich hierbei zum Beispiel um einen Ladezustand, eine elektrische Spannung, einen Innenwiderstand, eine Kapazität, eine Zellchemie, eine Ladeschlussspannung, eine maximal zulässige Ladespannung und zusätzlich oder alternativ einen maximal zulässigen Ladestrom zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138.
Die Bestimmungseinrichtung 112 des Steuergerätes 110 ist ausgebildet, um unter Verwendung der mindestens einen elektrischen Eigenschaft eine Ladegruppe zu bestimmen, die zumindest eine der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 umfasst. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Ladegruppe die Energiespeichereinrichtungen 132, 138. Ferner ist die Bestimmungseinrichtung 112 ausgebildet, um der Erzeugungseinrichtung 114 eine Information hinsichtlich der Ladegruppe bereitzustellen.
Die Erzeugungseinrichtung 114 des Steuergerätes 110 ist ausgebildet, um die Information hinsichtlich der Ladegruppe von der Bestimmungseinrichtung 112 einzulesen bzw. zu empfangen. Auch ist die Erzeugungseinrichtung 114 ausgebildet, um ein erstes Steuersignal zur Ausgabe an die Schnittstelle 116 zu erzeugen. Das erste Steuersignal ist dabei ausgebildet, um die Ladevorrichtung 120 so anzusteuern, dass ein paralleles Laden der in der Ladegruppe enthaltenen Energiespeichereinrichtung 132, 138 durchgeführt wird.
Im Verlauf des Ladevorgangs kann sich eine elektrische Eigenschaft der Energiespeichereinrichtungen 132, 138 der Ladegruppe verändern. Um solche Veränderungen berücksichtigen zu können, ist die Bestimmungseinrichtung 112 ausgebildet, um fortlaufend aktuelle elektrische Eigenschaften der Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 zu empfangen und basierend auf den aktuellen Eigenschaften eine Zusammensetzung der Ladegruppe zu verändern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bestimmungseinrichtung 112 ausgebildet, um unter Verwendung der aktuellen Eigenschaften der Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 eine geänderte Ladegruppe zu bestimmen, die nun zusätzlich die Energiespeichereinrichtungen 134, 136 umfasst. Ferner ist die Bestimmungseinrichtung 112 ausgebildet, um der Erzeugungseinrichtung 114 eine Information hinsichtlich der veränderten Ladegruppe bereitzustellen.
Die Erzeugungseinrichtung 114 ist entsprechend ausgebildet, um ein an die veränderte Ladegruppe angepasstes verändertes Steuersignal zu erzeugen und an die Schnittstelle 116 auszugeben. Hierbei ist das veränderte Steuersignal ausgebildet, um ein paralleles Laden der in der veränderten Ladegruppe enthaltenen Energiespeichereinrichtung 132, 134, 136, 138 mittels der Ladevorrichtung 120 zu bewirken.
Das Steuergerät 110 ist somit ausgebildet, um die Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136, 138 zeitlich aufeinanderfolgend in unterschiedliche Ladegruppe zu gruppieren und zum Laden der sich in den jeweiligen Ladegruppen befindlichen Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136, 138 geeignete Steuersignale an die Ladevorrichtung 120 auszugeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel stellen die Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 Autobatterien dar, die in Fahrzeugen verbaut sind. In rein elektrischen Fahrzeugen können beispielsweise Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 mit einer Kapazität von bis zu 85 Kilowattstunden verbaut sein, wobei zukünftig auch Batterien mit einer größeren Kapazität eingesetzt werden können. Hybridfahrzeuge können beispielsweise eine Energiespeichereinrichtung 132, 134, 136 und 138 mit einer Kapazität von bis zu 10 Kilowattstunden oder mehr als 10 Kilowattstunden aufweisen.
Die Ladevorrichtung 120 kann eine Ladeeinrichtung 140 mit einer einzigen Ladeschaltung 142 oder mit einer Mehrzahl von Ladeschaltungen 142, 144 aufweisen. Beispielhaft sind in 1 zwei Ladeschaltungen 142, 144 gezeigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 in zwei Anschlussgruppen unterteilt werden, wobei Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 der ersten Ladegruppe über die erste Ladeschaltung 142 und Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 der zweiten Ladegruppe über die zweite Ladeschaltung 144 geladen werden können. Die Ladeschaltungen 142, 144 sind dabei ausgebildet, um die Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 unter Verwendung von Steuersignalen des Steuergeräts 110 zu laden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die erste Ladeschaltung 142 ausgebildet, um eine Hochstromladung mit konstantem Strom in einem niedrigen Ladezustandsbereich bzw. SOC-Bereich (SOC = state of charge) unter 80% durchzuführen. Die zweite Ladeschaltung 144 ist als eine Niederstromladeschaltung ausgebildet, um vorbereitend eine Vorladung einer Gruppe von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136, 138 auf ein gemeinsames Mindestspannungsniveau und/oder eine Entladung mit konstanter Spannung durchzuführen. Eine entsprechende Entladung kann beispielsweise zu Diagnosezwecken durchgeführt werden. Ferner kann eine Endladung, d.h. der abschließende Ladevorgang durchgeführt werden, der üblicherweise nicht mehr mit hohem Strom durchgeführt werden kann, sondern durch den Bereich beschrieben ist, in dem der Strom logarithmisch abnimmt, da die Packspannung die Ladeschlussspannung erreicht.
Auch wenn in 1 beispielhaft zwei Ladeschaltungen 142, 144 sowie vier Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 gezeigt sind, kann das Ladesystem 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel eine hiervon abweichende Anzahl von Ladeschaltungen der Ladeeinrichtung 140 und/oder eine geeignete Anzahl von Anschlussstellen zum Anschließen einer bezüglich 1 abweichenden Anzahl von Energiespeichereinrichtungen aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Steuergerät 110 auch Teil der Ladevorrichtung 120 sein oder kann zusammen mit der Ladevorrichtung 120 Teil einer gemeinsamen Vorrichtung sein.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß dem 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren 200 dabei in mögliche Schritte des Erfassens 210, des Gruppierens 220, des Bestimmens 230, des Erzeugens 240, des Erfassens 210, des Wiederholens 250 des Bestimmens und des erneuten Durchführens 260 des Erzeugens auf. Das Verfahren 200 zum Steuern eines Ladevorgangs ist unter Verwendung bzw. in Verbindung mit dem Ladesystem aus 1 vorteilhaft durchführbar.
In dem optionalen Schritt 210 des Erfassens werden eine oder mehrere elektrische Eigenschaften einer oder mehrerer Energiespeichereinrichtungen erfasst. Dabei kann als elektrische Eigenschaft beispielsweise ein Ladezustand, eine elektrische Spannung, ein Innenwiderstand, eine Kapazität, eine Zellchemie, eine Ladeschlussspannung, eine maximal zulässige Ladespannung und zusätzlich oder alternativ ein maximal zulässiger Ladestrom der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen erfasst werden. Die elektrische Eigenschaft einer Energiespeichereinrichtung kann beispielsweise durch Auswerten eines eine Information über die elektrische Eigenschaft übertragendes elektrisches Signal erfasst werden.
Der Schritt 210 kann entfallen, wenn die erforderlichen elektrischen Eigenschaften bereits vorliegen.
Der optionale Schritt 220 des Gruppierens kann ausgeführt, wenn mehr als eine Ladeschaltung zum Laden der Energiespeichereinrichtungen zur Verfügung steht. In dem Schritt 220 des Gruppierens werden die Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung der vorhanden oder im Schritt 210 des Erfassens erfassten Eigenschaften der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen beispielsweise in eine erste Anschlussgruppe zum Anschluss an eine erste Ladeschaltung der Ladevorrichtung und in eine zweite Anschlussgruppe zum Anschluss an eine zweite Ladeschaltung der Ladevorrichtung gruppiert.
Im Schritt 230 des Bestimmens wird eine Ladegruppe bestimmt, die zumindest eine Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen umfasst. Die Ladegruppe wird dabei unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Energiespeichereinrichtungen bestimmt. Wenn der Schritt 220 ausgeführt wurde, kann pro Anschlussgruppe je eine Ladegruppe bestimmt werden.
In dem Schritt 240 des Erzeugens wird ein erstes Steuersignal zur Ausgabe an eine Schnittstelle zu der Ladevorrichtung erzeugt. Hierbei ist das erste Steuersignal ausgebildet, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der in der Ladegruppe zusammengefassten Energiespeichereinrichtungen zu bewirken. Wenn der Schritt 220 ausgeführt wurde, kann pro Anschlussgruppe je ein Steuersignal erzeugt werden. Dies ermöglicht ein paralleles Laden von Energiespeichereinrichtungen der beiden Anschlussgruppen.
Zwischen dem Schritt 240 des Erzeugens und dem Schritt 250 des Wiederholens des Bestimmens ist optional erneut der Schritt 210 des Erfassens ausführbar. Im Schritt 210 des Erfassens kann eine elektrische Eigenschaft einer Energiespeichereinrichtung erfasst werden. Dazu kann beispielsweise eine kontinuierliche Messung bzw. Informationsaquise bzgl. Stromgrenzen, Temperatur usw. durchgeführt werden. Ergibt sich daraus, dass es beispielsweise sinnvoll ist, eine sich in einer aktuellen Ladegruppe befindliche Energiespeichereinrichtung aufgrund Überhitzung aus der aktuellen Ladegruppe auszuschließen, so kann im Schritt 250 eine Ladegruppe bestimmt werden, in der die überhitze Energiespeichereinrichtung nicht mehr enthalten ist. In dem Schritt 250 des Bestimmens kann die aktuelle Ladegruppe somit in ihrer Zusammensetzung verändert werden. Eine solche Veränderung der Zusammensetzung der Ladegrupppe kann auch dann sinnvoll sein, wenn neue Energiespeichereinrichtungen an die Ladevorrichtung angeschlossen oder entfernt werden.
Dadurch können aktuelle Eigenschaften der Energiespeichereinrichtungen erfasst werden, die beispielsweise verwendet werden können, um eine Zusammensetzung bestehender Gruppierungen von Energiespeicherspeichereinrichtungen zu überprüfen und gegebenenfalls zu ändern.
In dem Schritt 250 des Wiederholens kann der bereits beschriebene Schritt 230 erneut ausgeführt werden, um eine veränderte Ladegruppe mit einer bezüglich der bestehenden Ladegruppe veränderten Anzahl von Energiespeichereinrichtungen zu bestimmen. Die veränderte Ladegruppe kann dabei unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen bestimmt werden.
Im Schritt 260 des erneuten Durchführens kann der bereits beschriebene Schritt 240 des Erzeugens erneut durchgeführt werden, um ein geändertes Steuersignal zur Ausgabe an die Schnittstelle zu der Ladevorrichtung zu erzeugen. Dabei ist das geänderte Steuersignal ausgebildet, um ein Laden der Energiespeichereinrichtungen der im Schritt 250 bestimmten geänderten Ladegruppe zu bewirken.
Auch wenn es in 2 nicht explizit gezeigt ist, so können insbesondere die Schritte 250, 260 mehrfach wiederholt ausgeführt werden, um ansprechend auf sich ändernde elektrische Eigenschaften der Energiespeichereinrichtungen jeweils eine neue Zusammensetzung der Ladegruppe zu bestimmen und ein zum Laden der jeweiligen Energiespeichereinrichtungen geeignetes Steuersignal bereitzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden im Schritt 230 des Bestimmens beispielsweise Energiespeichereinrichtung mit der geringsten Ladespannung in eine Ladegruppe zusammengefasst. Durch ein erneutes Ausführen des Schritts 210 kann erkannt werden, dass die Energiespeichereinrichtungen der Ladegruppe bis zu einer vorgegebenen Zwischenspannung erhöht wurden. Durch das Wiederholen 250 des Schritts 230 des Bestimmens kann nun beispielsweise die Ladegruppe um weitere Energiespeichereinrichtungen erweitert werden, deren Ladespannung bereits im Bereich der Zwischenspannung liegt. Durch ein erneutes Ausführen des Schritts 210 kann erkannt werden, dass beispielsweise eine der Energiespeichereinrichtungen der aktuellen Ladegruppe bis zu einer Ladeschlussspannung dieser Energiespeichereinrichtung erhöht wurde. Durch das Wiederholen 250 des Schritts 230 des Bestimmens kann nun beispielsweise die aktuelle Ladegruppe um die Energiespeichereinrichtung verkleinert werden, deren Ladeschlussspannung erreicht wurde.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Durchführen eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 300 zum Durchführen eines Ladevorgangs ist in Verbindung mit dem Verfahren zum Steuern aus 2 vorteilhaft durchführbar. Auch ist das Verfahren 300 zum Durchführen eines Ladevorgangs unter Verwendung bzw. in Verbindung mit dem Ladesystem aus 1 vorteilhaft durchführbar.
Das Verfahren 300 weist einen Schritt 310 des Ausführens zumindest einiger der Schritte des Verfahrens aus 2 auf, um zumindest eine Ladegruppe von Energiespeichereinrichtungen zu bestimmen und zumindest ein Steuersignal zum Laden der Energiespeichereinrichtungen der Ladegruppe bereitzustellen. In einem Schritt 320 des Ladens wird das Steuersignal verwendet, um die Energiespeichereinrichtungen der Ladegruppe zu laden. Der Schritt 320 des Ladens kann beispielsweise unter Verwendung der anhand von 1 beschriebenen Ladevorrichtung durchgeführt werden.
4A zeigt ein Ladediagramm 400 eines Ladevorgangs für elektrochemische Energiespeichereinrichtungen. Insbesondere zeigt das in 4A dargestellte Lagediagramm 400 einen sequenziellen Ladevorgang zweier baugleicher Batterien bzw. Energiespeichereinrichtungen mit unterschiedlicher Kapazität und unterschiedlichem Ladezustand, z. B. 100s2p und 100s3p. Die Darstellung in 4A ist hierbei schematisch und weder maßstabsgetreu noch detailgetreu. Das Ladediagramm 400 ist als ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt, wobei an einer Abszissenachse des Ladediagramms 400 die Zeit t aufgetragen ist und an einer Ordinatenachse sowohl elektrische Spannung U als auch elektrische Stromstärke I aufgetragen sind.
Bis zu einem ersten Zeitpunkt t₁ wird beispielsweise eine erste Energiespeichereinrichtung bis zu einer Spannungsgrenze U_max aufgeladen. Dabei repräsentiert ein Graph U₀ einen Verlauf einer Ladespannung der ersten Energiespeichereinrichtung und repräsentiert ein Graph I₀ einen Verlauf eines Ladestroms der ersten Energiespeichereinrichtung. Zwischen dem Zeitpunkt t₁ und einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t₂ wird beispielsweise eine zweite Energiespeichereinrichtung bis zu der Spannungsgrenze U_max aufgeladen. Dabei repräsentiert ein Graph U₁ einen Verlauf einer Ladespannung der zweiten Energiespeichereinrichtung und repräsentiert ein Graph I₁ einen Verlauf eines Ladestroms der zweiten Energiespeichereinrichtung.
In 4A ist das übliche Ladeverfahren gezeigt, das darauf basiert, dass eine Person die Batterien nacheinander um- oder ansteckt. Nachfolgend wird anhand von 4B ein verbessertes Ladeverfahren beschrieben, bei dem Batterien automatisiert zu Ladegruppen zusammengefasst werden können.
4B zeigt ein Ladediagramm 450 eines Ladevorgangs für elektrochemische Energiespeichereinrichtungen. Insbesondere zeigt das in 4B dargestellte Lagediagramm 450 einen parallelen Ladevorgang zweier baugleicher Batterien bzw. Energiespeichereinrichtungen mit unterschiedlicher Kapazität und unterschiedlichem Ladezustand, z. B. 100s2p und 100s3p. Die Darstellung in 4B ist hierbei schematisch und weder maßstabsgetreu noch detailgetreu. Das Ladediagramm 450 ist als ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt, wobei an einer Abszissenachse des Ladediagramms 450 die Zeit t aufgetragen ist und an einer Ordinatenachse sowohl elektrische Spannung U als auch elektrische Stromstärke I aufgetragen sind. Der in dem Ladediagramm 450 dargestellte Ladevorgang ergibt sich beispielsweise bei Ausführung eines der Verfahren aus 2 und 3 unter Verwendung des Ladesystems aus 1.
Bis zu einem ersten Zeitpunkt t₁ sowie zwischen dem ersten Zeitpunkt t₁ und einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t₂ werden beide Energiespeichereinrichtungen zumindest teilweise parallel bis zu einer Spannungsgrenze U_max aufgeladen. Bis zu dem ersten Zeitpunkt t₁ sind ein Graph U₀ eines Verlaufs einer Ladespannung einer ersten Energiespeichereinrichtung, ein Graph I₀ eines Verlaufs eines Ladestroms der ersten Energiespeichereinrichtung, ein Graph U₁ eines Verlaufs einer Ladespannung einer zweiten Energiespeichereinrichtung und ein Graph I₁ eines Verlaufs eines Ladestroms der zweiten Energiespeichereinrichtung dargestellt. Bis zu dem ersten Zeitpunkt t₁ wird die zweite Energiespeichereinrichtung bis zu einer Spannungsgrenze aufgeladen, die einem Wert der Ladespannung U₀ der ersten Energiespeichereinrichtung entspricht. Anders ausgedrückt werden die beiden Energiespeichereinrichtungen auf ein gleich großes Potenzial gebracht.
Zwischen dem ersten Zeitpunkt t₁ und dem zweiten Zeitpunkt t₂ werden die zwei Energiespeichereinrichtungen gemeinsam parallel bis zu der Spannungsgrenze U_max aufgeladen. Dabei repräsentiert ein Graph U₀/U₁ einen Verlauf einer gemeinsamen Ladespannung der beiden Energiespeichereinrichtungen und repräsentiert ein Graph I₀ + I₁ einen Verlauf eines gemeinsamen Ladestroms der beiden Energiespeichereinrichtungen.
Unter Bezugnahme auf 1 erfolgt beispielsweise bis zu dem ersten Zeitpunkt t₁ ein Laden der Ladegruppe, wobei die zweite Energiespeichereinrichtung hierbei ein Mitglied der Ladegruppe ist. Zwischen dem ersten Zeitpunkt t₁ und dem zweiten Zeitpunkt t₂ erfolgt unter Bezugnahme auf 1 beispielsweise ein Laden der veränderten Ladegruppe, wobei zusätzlich zu der zweiten Energiespeichereinrichtung nun die erste Energiespeichereinrichtung zu der veränderten Ladegruppe gehört.
5A zeigt ein Ladediagramm 500 eines Ladevorgangs für elektrochemische Energiespeichereinrichtungen. Insbesondere zeigt das in 5A dargestellte Lagediagramm 500 einen sequenziellen Ladevorgang zweier unterschiedlicher Batterien bzw. Energiespeichereinrichtungen mit unterschiedlicher Kapazität, Ladeschlussspannung und unterschiedlichem Ladezustand, z. B. LiNiCoAl und LiFePO₄. Die Darstellung in 5A ist hierbei schematisch und weder maßstabsgetreu noch detailgetreu. Das Ladediagramm 500 ist als ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt, wobei an einer Abszissenachse des Ladediagramms 500 die Zeit t aufgetragen ist und an einer Ordinatenachse sowohl elektrische Spannung U als auch elektrische Stromstärke I aufgetragen sind.
Bis zu einem ersten Zeitpunkt t₁ wird beispielsweise eine erste Energiespeichereinrichtung bis zu einer Spannungsgrenze U_max,0 aufgeladen. Dabei repräsentiert ein Graph U₀ einen Verlauf einer Ladespannung der ersten Energiespeichereinrichtung und repräsentiert ein Graph I₀ einen Verlauf eines Ladestroms der ersten Energiespeichereinrichtung. Zwischen dem ersten Zeitpunkt t₁ und einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t₂ wird beispielsweise eine zweite Energiespeichereinrichtung bis zu einer Spannungsgrenze U_max,1 aufgeladen. Dabei repräsentiert ein Graph U₁ einen Verlauf einer Ladespannung der zweiten Energiespeichereinrichtung und repräsentiert ein Graph I₁ einen Verlauf eines Ladestroms der zweiten Energiespeichereinrichtung.
5B zeigt ein Ladediagramm 550 eines Ladevorgangs für elektrochemische Energiespeichereinrichtungen. Insbesondere zeigt das in 5B dargestellte Lagediagramm 550 einen parallelen Ladevorgang zweier unterschiedlicher Batterien bzw. Energiespeichereinrichtungen mit unterschiedlicher Kapazität, Ladeschlussspannung und unterschiedlichem Ladezustand, z. B. LiNiCoAl und LiFePO₄. Die Darstellung in 5B ist hierbei schematisch und weder maßstabsgetreu noch detailgetreu. Das Ladediagramm 550 ist als ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt, wobei an einer Abszissenachse des Ladediagramms 550 die Zeit t aufgetragen ist und an einer Ordinatenachse sowohl elektrische Spannung U als auch elektrische Stromstärke I aufgetragen sind. Der in dem Ladediagramm 550 dargestellte Ladevorgang ergibt sich beispielsweise bei Ausführung eines der Verfahren aus 2 und 3 unter Verwendung des Ladesystems aus 1.
Bis zu einem ersten Zeitpunkt t₁, zwischen dem ersten Zeitpunkt t₁ und einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t₂, zwischen dem zweiten Zeitpunkt t₂ und einem nachfolgenden dritten Zeitpunkt t₃ und zwischen dem dritten Zeitpunkt t₃ und einem nachfolgenden vierten Zeitpunkt t₄ werden beide Energiespeichereinrichtungen zumindest teilweise parallel bis zu Spannungsgrenzen U_max,0 und U_max,1 aufgeladen. Dabei weist eine erste Energiespeichereinrichtung die Spannungsgrenze U_max,0 auf und weist eine zweite Energiespeichereinrichtung die Spannungsgrenze U_max,1 auf.
Bis zu dem ersten Zeitpunkt t₁ sind ein Graph U₀ eines Verlaufs einer Ladespannung einer ersten Energiespeichereinrichtung, ein Graph I₀ eines Verlaufs eines Ladestroms der ersten Energiespeichereinrichtung, ein Graph U₁ eines Verlaufs einer Ladespannung einer zweiten Energiespeichereinrichtung und ein Graph I₁ eines Verlaufs eines Ladestroms der zweiten Energiespeichereinrichtung dargestellt. Hierbei sind der Graph U₀ des Verlaufs der Ladespannung der ersten Energiespeichereinrichtung und der Graph I₁ des Verlaufs des Ladestroms der zweiten Energiespeichereinrichtung überlappend als ein Graph U₀/I₁ eingezeichnet. Bis zu dem ersten Zeitpunkt t₁ wird die zweite Energiespeichereinrichtung bis zu einer Spannungsgrenze aufgeladen, die einem Wert der Ladespannung U₀ der ersten Energiespeichereinrichtung entspricht. Anders ausgedrückt werden die beiden Energiespeichereinrichtungen auf ein gleich großes Potenzial gebracht.
Zwischen dem ersten Zeitpunkt t₁ und dem dritten Zeitpunkt t₃ sind ein Graph U₀/U₁ eines Verlaufs einer gemeinsamen Ladespannung der beiden Energiespeichereinrichtungen und ein Graph I₀ + I₁ eines Verlaufs eines gemeinsamen Ladestroms der beiden Energiespeichereinrichtungen dargestellt. Dabei werden zwischen dem ersten Zeitpunkt t₁ und dem zweiten Zeitpunkt t₂ die zwei Energiespeichereinrichtungen gemeinsam parallel bis zu der Spannungsgrenze U_max,1 der zweiten Energiespeichereinrichtung aufgeladen. Zwischen dem zweiten Zeitpunkt t₂ und dem dritten Zeitpunkt t₃ werden die zwei Energiespeichereinrichtungen gemeinsam parallel mit der gemeinsamen Ladespannung U₀/U₁ bei der Spannungsgrenze U_max,1 weiter geladen, bis die zweite Energiespeichereinrichtung aufgeladen ist.
Zwischen dem dritten Zeitpunkt t₃ und dem vierten Zeitpunkt t₄ sind der Graph U₀ des Verlaufs der Ladespannung der ersten Energiespeichereinrichtung, der Graph I₀ des Verlaufs des Ladestroms der ersten Energiespeichereinrichtung, der Graph U₁ des Verlaufs der Ladespannung der zweiten Energiespeichereinrichtung und der Graph I₁ des Verlaufs des Ladestroms der zweiten Energiespeichereinrichtung dargestellt. Dabei wird zwischen dem dritten Zeitpunkt t₃ und dem vierten Zeitpunkt t₄ die erste Energiespeichereinrichtung bis zu ihrer Spannungsgrenze U_max,0 aufgeladen.
Unter Bezugnahme auf 1 erfolgt beispielsweise bis zu dem ersten Zeitpunkt t₁ ein Laden der Ladegruppe, wobei die zweite Energiespeichereinrichtung hierbei ein Mitglied der Ladegruppe ist. Zwischen dem ersten Zeitpunkt t₁ und dem dritten Zeitpunkt t₃ erfolgt unter Bezugnahme auf 1 beispielsweise ein Laden der veränderten Ladegruppe, wobei zusätzlich zu der zweiten Energiespeichereinrichtung nun die erste Energiespeichereinrichtung zu der veränderten Ladegruppe gehört. Ferner erfolgt unter Bezugnahme auf 1 zwischen dem dritten Zeitpunkt t₃ und dem vierten Zeitpunkt t₄ beispielsweise ein Laden einer erneut veränderten Ladegruppe, wobei die erneut veränderte Ladegruppe lediglich die erste Energiespeichereinrichtung aufweist.
Unter Bezugnahme auf die 1, 2, 3, 4B und 5B werden im Folgenden einige Details und Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zusammenfassend und mit anderen Worten nochmals erläutert.
Die mindestens eine elektrische Eigenschaft der Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 repräsentiert ein Selektions- und/oder Gruppierungskriterium zum Steuern und gegebenenfalls auch zum Durchführen des Ladevorgangs. Bei der mindestens einen elektrischen Eigenschaft handelt es sich beispielsweise um eine Zellchemie bzw. daraus resultierende Spannungsgrenzen bzw. Spannungslimits. Diese werden in der Regel zwecks Einhaltung von Sicherheitsabständen beispielsweise von einem Batteriemanagementsystem der jeweiligen Energiespeichereinrichtung vorgegeben und kommuniziert. Alternativ umfasst die mindestens eine elektrische Eigenschaft einen maximal zulässigen Ladestrom. Dieser wird zur Einhaltung der garantierten Lebensdauer beispielsweise vom Batteriemanagementsystem der jeweiligen Energiespeichereinrichtung ebenfalls vorgegeben und kommuniziert. Alternativ repräsentiert die mindestens eine elektrische Eigenschaft einen Zellinnenwiderstand und/oder eine Kapazität. Diese Parameter bestimmen eine Ladestromverteilung zwischen parallel angeschlossenen Energiespeichereinrichtungen und werden beispielsweise entweder vom Batteriemanagementsystem der jeweiligen Energiespeichereinrichtung kommuniziert oder durch das Ladesystem bzw. Ladegerät ausgemessen bzw. abgeschätzt.
Falls Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 bzw. Batterien mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, beispielsweise mit unterschiedlichem Ladungszustand und/oder unterschiedlicher Maximalspannung, wie zum Beispiel U_max,0 und U_max,1, durch Anschluss an das Ladesystem 100 zusammengeschaltet und geladen werden sollen, kann ein stufenweises Ladeverfahren gemäß den Verfahren aus 2 bzw. 3 zum Einsatz kommen. Dazu wird beispielsweise zunächst die Energiespeichereinrichtung mit der niedrigsten Spannung auf das Niveau der Energiespeichereinrichtung mit der zweitniedrigsten Spannung geladen. Haben beide Energiespeichereinrichtungen ein vergleichbares elektrisches Potential erreicht, können sie parallel geschaltet werden. Nun werden die parallel geschalteten Energiespeichereinrichtungen gemeinsam beispielsweise bis auf ein Potential einer Energiespeichereinrichtung mit der drittniedrigsten Spannung geladen. Auch diese Energiespeichereinrichtung kann dann parallel zu den anderen beiden geschaltet werden. Dieses Vorgehen kann wiederholt werden, bis alle Energiespeichereinrichtungen parallel geschaltet sind. Der Vorgang kann beim Erreichen der individuellen Ladeschlussspannung, beispielsweise U_max,0 und U_max,1, invers analog angewendet werden. Nach und nach werden die einzelnen Energiespeichereinrichtungen wieder von dem Ladesystem 100 bzw. der Ladeeinrichtung 140 getrennt und wird die Ladespannung sukzessive angehoben, um die restlichen Energiespeichereinrichtungen vollzuladen. Dazu wird zunächst die niedrigste Spannungsgrenze, beispielsweise U_max,1, angefahren und so lange konstant gehalten, bis die Energiespeichereinrichtung mit dieser niedrigsten Maximalspannung vollgeladen ist. Anschließend wird diese Energiespeichereinrichtung von dem Ladesystem 100 getrennt und es wird die nächsthöhere Spannungsgrenze angefahren, beispielsweise U_max,0.
Ein wesentlicher Vorteil hierbei ist, dass in einem Ladesystem 100 bzw. einer Ladestation mit n Anschlüssen für n Energiespeichereinrichtungen bzw. Fahrzeuge mit Energiespeichereinrichtungen nicht mehr n einzelne Ladeeinrichtungen 140 notwendig sind, die in Ihrer einzelnen Ausführung hohe Hardware-Kosten verursachen, sondern lediglich eine solche Endstufe mit höherer Leistung. Da viele Bauelemente eingespart werden können und der Verschaltungsaufwand massiv sinkt, kann das gesamte Ladesystem 100 deutlich günstiger und kompakter realisiert werden. Somit kann an das Ladesystem 100 zum Laden von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138, insbesondere Batteriepacks, vorteilhafterweise mehr als eine Energiespeichereinrichtung gleichzeitig angeschlossen und mittels des Ladesystems 100 geladen werden. Rahmenparameter der zumindest einen installierten Ladeschaltung 142, 144 können dabei einstellbar sein.
Des Weiteren kann vermieden werden, dass bei einem CCCV-Verfahren, gemäß dem beispielsweise Lithium- oder Blei-basierte Batterien üblicherweise geladen werden, eine Ladeeffizienz im Bereich der letzten 20% des Ladezustands erheblich reduziert ist. Somit kann auch bei einem Ladevorgang mehrerer solcher Energiespeichereinrichtungen eine verfügbare Ladehardware in verbessertem Maße ausgenutzt werden. Ein möglicher Ladestrom ist unabhängiger von einer geringen Kapazität der zu ladenden Energiespeichereinrichtung und einem daraus resultierenden zu kleinen maximal zulässigen Ladestrom, von einem hohen Ladezustand bei Lithium-basierten bzw. auf dem CCCV-Ladeverfahren basierenden Zellchemien und von einer zu hohen oder zu niedrigen Zelltemperatur. Somit kann erreicht werden, dass die nutzbaren Kapazitäten des Ladesystems 100 zur Ladung der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 ohne die oben genannten Einschränkungen zur Verfügung stehen.
Da eine Ladedauer häufig ein kritischer Parameter ist, kann herkömmlicherweise bisweilen eine Schnellladung durchgeführt werden, d. h. eine Ladung mit relativ zur Zellkapazität hohem Strom in kurzer Zeit. Dies ist insbesondere notwendig, wenn innerhalb einer vorgegebenen Zeit mehrere Batterien geladen werden sollen, dies aber nur sequenziell ausgeführt werden kann. Eine solche Notwendigkeit der Schnellladung kann jedoch durch Anwendung der Verfahren 200 und/oder 300 sowie des Ladesystems 100 vermieden werden, so dass aufgrund reduzierter erforderlicher Stromstärken eine verlangsamte Alterung und Degradation von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 und somit eine verlängerte Lebensdauer erreicht werden können. Dies ist eine Folge sowohl aus elektrochemischen wie auch thermischen Effekten durch eine verringerte Verlustleistung, die sich aus R·I^2 ergibt. Weniger Verluste bedingen zudem, dass gegebenenfalls auch weniger Energie zur Kühlung der Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 aufgewendet werden braucht.
In zeitkritischen Anwendungen kann so beispielsweise mehr Energie in derselben Zeit übertragen und gespeichert werden, als es durch ein sequenzielles Laden einzelner Energiespeichereinrichtungen möglich wäre. Die Summe der Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 kann also insbesondere bei im Wesentlichen gleicher Belastung der Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 schneller geladen werden.
Optional können die Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 bei gleichbleibender oder nur leicht reduzierter Ladedauer ferner beispielsweise auch schonender geladen werden, indem auf die individuelle Energiespeichereinrichtung gerechnet mit geringerem Strom geladen wird. Dadurch fallen zudem weniger Verluste in Form von Wärme an.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013/0187602 A1 [0003]

Claims

Verfahren (200) zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung (120) angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138), wobei das Verfahren (200) folgende Schritte aufweist: Bestimmen (230) einer Ladegruppe aus zumindest einer Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138); Erzeugen (240) eines ersten Steuersignals zur Ausgabe an eine Schnittstelle (116) zu der Ladevorrichtung (120), wobei das erste Steuersignal ausgebildet ist, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der Ladegruppe mittels der Ladevorrichtung (120) zu bewirken; Wiederholen (250) des Schritts des Bestimmens, um eine veränderte Ladegruppe mit einer bezüglich der Ladegruppe veränderten Anzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) zu bestimmen; und erneutes Durchführen (260) des Schritts des Erzeugens, um ein zweites Steuersignal zur Ausgabe an die Schnittstelle (116) zu der Ladevorrichtung (120) zu erzeugen, wobei das zweite Steuersignal ausgebildet ist, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der veränderten Ladegruppe mittels der Ladevorrichtung (120) zu bewirken.
Verfahren (200) gemäß Anspruch 1, mit einem Schritt (210) des Erfassens der mindestens einen elektrischen Eigenschaft von zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138), wobei als die mindestens eine elektrische Eigenschaft ein Ladezustand, eine elektrische Spannung, ein Innenwiderstand, eine Kapazität, eine Zellchemie, eine Ladeschlussspannung (U_max; U_max,0, U_max,1), eine maximal zulässige Ladespannung und/oder ein maximal zulässiger Ladestrom der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) erfasst wird.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (230) des Bestimmens eine Ladegruppe aus zumindest einer spannungsminimalen Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) bestimmt wird.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die mindestens eine elektrische Eigenschaft eine Ladeschlussspannung (U_max; U_max,0, U_max,1) ist, wobei der Schritt (250) des Wiederholens des Bestimmens ausgeführt wird, wenn die Ladeschlussspannung (U_max; U_max,0, U_max,1) zumindest einer Energiespeichereinrichtung in der Ladegruppe erreicht ist, wobei die Ladegruppe um die zumindest eine Energiespeichereinrichtung, deren Ladeschlussspannung (U_max; U_max,0, U_max,1) erreicht ist, verkleinert wird.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die mindestens eine elektrische Eigenschaft eine elektrische Spannung ist, wobei das Wiederholen (250) des Schritts des Bestimmens ausgeführt wird, wenn die elektrische Spannung der zumindest einen Energiespeichereinrichtung in der Ladegruppe eine elektrische Spannung von zumindest einer ladegruppenexternen Energiespeichereinrichtung erreicht, wobei die Ladegruppe um die zumindest eine ladegruppenexterne Energiespeichereinrichtung, deren elektrische Spannung von der zumindest einen Energiespeichereinrichtung in der Ladegruppe erreicht ist, vergrößert wird.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (220) des Gruppierens der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) in eine erste Anschlussgruppe zum Anschluss an eine erste Ladeschaltung (142) der Ladevorrichtung (120) und in eine zweite Anschlussgruppe zum Anschluss an eine zweite Ladeschaltung (144) der Ladevorrichtung (120), und wobei in den Schritten (230, 250) des Bestimmens erste Ladegruppen aus zumindest einer Energiespeichereinrichtung der ersten Anschlussgruppe und zweite Ladegruppen aus zumindest einer Energiespeichereinrichtung der zweiten Anschlussgruppe bestimmt werden, und in den Schritten des Erzeugens (240, 260) Steuersignale zur Ausgabe an die erste Ladeschaltung (142) der Ladevorrichtung (120) und weitere Steuersignale zur Ausgabe an die zweite Ladeschaltung (144) der Ladevorrichtung (120) erzeugt werden.
Verfahren (300) zum Durchführen eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung (120) angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138), wobei das Verfahren (300) folgende Schritte aufweist: Ausführen (310) eines Verfahrens (200) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, um Steuersignale zum Laden der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) bereitzustellen; und Laden (320) der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) unter Verwendung der Steuersignale.
Vorrichtung (100, 110), die ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (200; 300) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens (200; 300) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.