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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein derzeitiges Ladeverfahren für Lithium-Ionen-Batterien besteht im Allgemeinen aus zwei Phasen. In der ersten Phase wird die Batterie für eine bestimmte Zeitspanne mit einem konstanten Ladestrom (engl. Constant Current oder CC-Phase) oder konstanter Ladeleistung (engl. Constant Power oder CP-Phase) geladen. Dies geschieht so lange, bis die Spannung der Batteriezelle einen oberen Grenzwert erreicht. Dann beginnt die zweite Phase. Hier wird der Strom so geregelt, dass die Spannung auf dem oberen Grenzwert bleibt (engl. Constant Voltage oder CV-Phase). In der zweiten Phase wird die Batterie mit einer konstanten Spannung geladen. Der Ladevorgang der Batterie wird abgebrochen, wenn der Strom oder die Leistung unter eine vorher festgelegte Grenze fällt. Ein simulierter Vorgang nach dem Stand der Technik mit konstantem Ladestrom in der ersten Phase und konstanter Spannung in der zweiten Phase ist in 1 dargestellt, auf die im Folgenden näher eingegangen wird.
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Auf der linken vertikalen Achse ist der Strom I aufgetragen. Auf der rechten vertikalen Achse ist die Spannung U aufgetragen. Der Verlauf des Stroms ist durch die Linie 10 gekennzeichnet. Der Spannungsverlauf der Spannung durch die Linie 12. Beide Verläufe – Stromverlauf 10 und Spannungsverlauf 12 – sind gegen die Zeit t, welche auf der horizontalen Achse aufgetragen ist, dargestellt. Wie 1 zu entnehmen ist, wird die Batterie in der ersten Phase mit konstantem Ladestrom (CC-Phase) für eine Dauer von 1.120 Sekunden geladen. Anschließend, d. h. in der zweiten Phase, erfolgt ein Laden bei konstanter Spannung (CV-Phase) für eine Dauer von 780 Sekunden. Das konventionelle Ladeverfahren der Lithium-Ionen-Batterie dauert insgesamt 1.900 Sekunden. Dabei liegt die obere Spannungsgrenze in diesem Fall bei 4,2 Volt.
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Die Ladezeit einer Batterie setzt sich, wie bereits erwähnt, aus zwei Teilen oder Phasen zusammen. Die Ladung bei konstantem Strom (erste Phase) oder bei konstanter Leistung nimmt circa 60% der Ladezeit in Anspruch und lädt die Batterie zu 85% auf. Anschließend erfolgt die langsamere Ladung bei konstanter Spannung (zweite Phase), die circa 40% der Zeit beansprucht, aber die Batterie lediglich um weitere 15% lädt.
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Die Regelung auf die messbare Größe Zellspannung ist technisch leicht durchführbar, reizt das Potenzial einer Lithium-Ionen-Zelle aber nicht aus. Die Zellspannung setzt sich aus der Ruhespannung (Open Circuit Voltage) und der Überspannung zusammen. Die Ruhespannung hängt nur von der Zellchemie ab und lässt sich direkt aus der Reaktionsgleichung und den Gesetzen der Thermodynamik ableiten. Im Gleichgewichtsfall, d. h. dem stromlosen Fall, konvergiert die Zellspannung gegen die Ruhespannung. Die Überspannung setzt sich aus den Spannungsabfällen an den verschiedenen Zellkomponenten der Batterie zusammen. Das sind Spannungsabfälle zum Beispiel aufgrund des ohmschen Widerstands der Ableiter oder des Elektrodenmaterials, der Diffusion der Lithium-Ionen im Elektrolyten oder die Durchtrittsspannung an der elektrochemischen Doppelschicht.
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Bekannt ist, dass die Ruhespannung die obere Spannungsgrenze nicht überschreiten sollte. Dies ist gleichbedeutend mit einem Überladen der Zelle. Wird die obere Spannungsgrenze überschritten, werden spannungsgetriebene Nebenreaktionen induziert, die die Zelle schädigen (nach dem Gesetz Butler-Volmer). Dazu gehört zum Beispiel die Elektrolytzersetzung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ladeverfahren einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, zu beschleunigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Laden einer Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Laden einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, wird zunächst ein konstanter Ladestrom eingespeist bis ein erster Grenzwert der Batterie erreicht wird. Dabei kann die Batterie eine Mehrzahl elektrochemischer Zellen umfassen. Anschließend wird eine konstante Spannung angelegt bis ein zweiter Grenzwert der Batterie erreicht wird. Der erste und/oder der zweite Grenzwert entsprechen dabei einem Wert für den Ladezustand der Batterie. Der Ladezustand einer Batterie wird in SOC (State of Charge) angegeben. Der SOC-Wert kennzeichnet die noch verfügbare Kapazität einer Batterie im Verhältnis zum Nominalwert. Der Ladezustand wird dabei in Prozent vom vollgeladenen Zustand der Batterie angegeben. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein besonders schnelles und effizientes Laden der Batterie erfolgen kann.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der erste Grenzwert einen Wert zwischen 90% SOC und 99% SOC aufweisen kann. Der zweite Grenzwert kann dabei einen Wert von 100% SOC aufweisen. Um den Ladezustand der Batterie zu überwachen, kann der Ladezustand (SOC) der Batterie beispielsweise durch Integration des Ladestroms ermittelt werden.
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In vorteilhafter Weise kann der Strom beim Ladevorgang auf die innere Größe, d. h. die Ruhespannung, geregelt werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Ladevorgang mit höherem Strom oder höherer Ladeleistung auch in Bereichen, in denen die Zellspannung oberhalb der Grenze für die Ruhespannung liegt, erfolgen kann. Die CC- oder CP-Ladephase (Constant Current oder Constant Power; erste Phase) wird beispielsweise nicht dadurch beendet, dass die Zellspannung die obere Grenze der Ruhespannung erreicht, sondern sie kann zum Beispiel nach dem Laden einer definierten Ladungsmenge gestoppt werden. Mit anderen Worten wird nicht mehr die Zellspannung als Abbruchkriterium des Ladevorgangs der ersten Phase verwendet, sondern der Ladezustand der Batterie.
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Alternativ zu einem Ladezustand der Batterie, kann als erster Grenzwert ein festgelegter maximaler Spannungswert verwendet werden. Die erste Phase, in der die Batterie mit konstantem Strom geladen wird, das heißt die CC-Phase, kann abgebrochen werden, wenn ein vorher festgelegter maximaler Spannungswert überschritten wird. Wenn die Regelung des Stroms beim Ladevorgang beispielsweise auf die Ruhespannung erfolgt, liegt der Spannungswert entsprechend über einer oberen Grenze der Ruhespannung der Batterie. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Ladevorgang der Batterie mit höherem Strom oder höherer Ladeleistung auch in Bereichen, in denen die Zellspannung oberhalb der Grenze für die Ruhespannung liegt, durchgeführt werden kann.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn beim Laden der Lithium-Ionen-Batterie die Spannung, insbesondere die Ladeschlussspannung, ein oberer vorab festgelegter Grenzwert überschritten wird. Dieser obere Grenzwert kann beispielsweise bei einem Wert von 4,2 V liegen. Mit anderen Worten kann während der ersten Phase der Ladevorgang mit höherem Strom oder höherer Ladeleistung erfolgen, d. h. in Bereichen, in denen die Zellspannung oberhalb der Grenze für die Ruhespannung liegt. Die obere Spannungsgrenze kann kurzzeitig ohne Auswirkungen auf die Lebensdauer der Batterie oder die Sicherheit überschritten werden. Durch Überschreiten der Spannungsgrenze kann der Ladevorgang bei konstantem Strom oder konstanter Leistung verlängert werden, sodass die Batterie auf einen höheren Ladezustand (als die bisherigen 85%) geladen werden kann. Dadurch verkürzt sich die anschließende Ladephase bei konstanter Spannung wesentlich.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen, sind nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ladeverfahrens nach dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden einer Batterie.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung das Verfahren zum Laden einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie. Dazu ist auf der linken vertikalen Achse der Strom I aufgetragen. Auf der rechten vertikalen Achse die Spannung U. Der Verlauf des Stroms ist durch die Linie 14 gekennzeichnet. Der Spannungsverlauf der Spannung U durch die Linie 16. Beide Verläufe 14, 16 – Spannungsverlauf 16 und Stromverlauf 14 – verlaufen über eine Zeit t, welche auf der horizontalen Achse aufgetragen ist. Der Stromverlauf 14 variiert zwischen 0 und einem Maximalwert des Stroms Imax und der Verlauf der Spannung zwischen einem minimalen Spannungswert Umin und einem maximalen Spannungswert Umax.
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In einer ersten Phase, das heißt der CC-Phase 18, wird die Batterie mit einem konstanten Ladestrom geladen. Dies geschieht so lange bis ein erster Grenzwert der Batterie erreicht wird. Während dieser Phase 18 steigt die Spannung konstant an. Anschließend beginnt die zweite Phase, das heißt die CV-Phase 20. In der zweiten Phase, der CV-Phase 20, wird die Batterie mit einer konstanten Spannung geladen. Während die Batterie mit konstanter Spannung geladen wird, nimmt der Strom kontinuierlich ab. Das ist auch in dem Diagramm der 2 durch den parabolischen Abfall des Stromverlaufs 14 dargestellt. Der Ladevorgang der Batterie wird abgebrochen, wenn der zweite Grenzwert erreicht ist.
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Der erste und der zweite Grenzwert der Batterie können dabei einem Wert für den Ladezustand, dem sogenannten SOC (engl. state of charge), der Batterie entsprechen. Es kann zum Beispiel mit konstantem Strom bis auf 99% SOC geladen werden, anschließend mit einer kurzen CV-Phase 20 auf 100% SOC. Der Ladezustand der Batterie kann zum Beispiel durch die Integration des Stroms während des Ladevorgangs ständig kontrolliert werden. Der erste Grenzwert kann beispielsweise auch einem vorab bestimmten maximalen Spannungswert entsprechen. Somit wird die erste Phase (CC-Phase 18) beispielsweise abgebrochen, wenn ein vorher festgelegter maximaler Spannungswert überschritten wird. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, wird die CC-Phase 18 über das Erreichen von Umax fortgesetzt. Der vorab festgelegte maximale Spannungswert liegt nach dem Spannungsverlauf 16 aus 2 oberhalb von Umax. Erst nach Erreichen des Ladekriteriums, zum Beispiel bei 99% SOC, oder des vorab festgelegten maximalen Spannungswerts wird die CC-Phase 18 beendet. Wenn nur die Zellspannung und nicht die Ruhespannung die Spannungsgrenze überschreitet, kommt es zu keiner Schädigung der Zelle. Dies bestätigen Messungen an Lithium-Ionen-Zellen. Dort konnte gezeigt werden, dass eine kurzzeitige Überschreitung der Spannungsgrenzen die Zelle nicht schädigt.
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Insgesamt geht somit ein Überspannungsladen zur Verkürzung der Ladezeit bei Batterien hervor.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stromverlauf
- 12
- Spannungsverlauf
- 14
- Stromverlauf
- 16
- Spannungsverlauf
- 18
- CC-Phase
- 20
- CV-Phase
- I
- Strom
- U
- Spannung
- t
- Zeit
