DE102015110940A1

DE102015110940A1 - Fast charge algorithms for lithium-ion batteries

Info

Publication number: DE102015110940A1
Application number: DE102015110940.9A
Authority: DE
Inventors: Xiao Guang Yang; Theodore James Miller
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-07-21
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2016-01-21
Also published as: CN105322613A; CN105322613B; US20160020618A1

Abstract

Elektrische und Plug-in-Hybridfahrzeuge enthalten eine Traktionsbatterie zum Bereitstellen von Fahrzeugleistung. Die Batterie kann in einem Ladung verbrauchenden Modus betrieben werden und Wiederaufladen von einer externen Leistungsquelle erfordern. Schnelles Laden der Traktionsbatterie wird durch Zulassen einer Ladespannung, die größer ist als eine empfohlene Ladespannung, erreicht. Die Ladespannung basiert auf dem Ladestrom und einem internen Widerstand der Traktionsbatterie. Der Widerstandswert kann beim Laden geschätzt werden, um eine dynamische maximale Ladespannung zu ermöglichen. Das Laden kann basierend auf Spannungs-, Temperatur-, Ladungszustand- oder Zeitkriterien beendet werden. Das schnelle Laden gestattet, die Traktionsbatterie in einer relativ kurzen Zeitdauer zu laden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft allgemein das Laden von Lithiumionen-basierten Traktionsbatterien.
HINTERGRUND
Batterien für elektrische und Plug-in-Hybridfahrzeuge werden zwischen den Verwendungen geladen, um die Energie in der Batterie für den nächsten Verwendungszyklus wiederherzustellen. Ein Fahrzeug kann mit einem Ladegerät verbunden sein, das mit einer Leistungsquelle verbunden ist. Das Ladegerät wird gesteuert, um der Batterie Spannung und Strom zur Wiederherstellung der Energie in der Batterie bereitzustellen. Die Menge von Strom und Spannung, die angelegt werden kann, ist von vielen Faktoren abhängig. Gegenwärtige Fahrzeugbatterien können über eine Anzahl Stunden vollständig geladen werden. Einhergehend mit der Popularitätssteigerung von elektrischen und Plug-in-Hybridfahrzeugen kann ein Bedarf zur Reduzierung der Zeitdauer zum Laden der Batterien bestehen.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG
Ein Batterieladesystem enthält mindestens eine Steuerung, programmiert zum Erhalten des Ladens einer Batteriezelle, bis eine Zellenspannung eine empfohlene maximale Spannung um einen Betrag übersteigt, der durch einen Ladestrom und einen Batteriewiderstand definiert ist, so dass die Zellenspannung beim Laden ohne eine Konstantspannungsphase weiterhin ansteigt. Der Ladestrom kann ein im Allgemeinen konstanter Strom sein, ausgewählt, zu bewirken, dass die Batterie Ladung bei einer im Voraus bestimmten Rate aufnimmt. Die im Voraus bestimmte Rate ist eine 15C-Laderate. Der Ladestrom kann auf einen im Allgemeinen konstanten Ladeleistungspegel basiert sein. Die mindestens eine Steuerung kann ferner programmiert sein, das Laden der Batteriezelle als Reaktion darauf abzubrechen, dass die Zellenspannung um den durch den Strom und den Batteriewiderstand definierten Betrag größer wird als die empfohlene maximale Spannung. Die mindestens eine Steuerung kann ferner programmiert sein, den Batteriewiderstand zu schätzen. Der Ladestrom kann eine Wechselstrom-(AC)-Komponente und eine Gleichstrom-(DC)-Komponente derart enthalten, dass eine Größe der AC-Komponente kleiner ist als eine Größe der DC-Komponente, und die mindestens eine Steuerung kann ferner programmiert sein, den Batteriewiderstand basierend auf der Größe der AC-Komponente und einer AC-Spannungsgröße zu schätzen. Die empfohlene maximale Spannung kann eine vom Batteriezellen-Hersteller definierte maximale empfohlene Spannung für eine lithiumbasierte Batteriezelle sein. Die empfohlene maximale Spannung kann 4,2 Volt betragen.
Ein Verfahren zum Laden einer Batteriezelle enthält das Laden, durch eine Steuerung, der Batteriezelle bei einem im Allgemeinen konstanten Strom, ausgewählt, zu bewirken, dass die Batteriezelle Ladung bei einer im Voraus bestimmten Rate aufnimmt, so dass eine Batteriespannung beim Laden ohne eine Konstantspannungsphase weiterhin ansteigt, und das Beenden des Ladens, wenn die Batteriespannung eine empfohlene maximale Spannung um einen Betrag, der durch den Strom und einen Batteriewiderstand definiert ist, übersteigt. Die im Voraus bestimmte Rate kann eine 15C-Laderate sein. Das Verfahren kann ferner das Schätzen, durch die Steuerung, des Batteriewiderstands basierend auf einer oder mehreren Spannungs- und Strommessungen umfassen. Das Verfahren kann ferner das Addieren eines Wechselstroms zu dem im Allgemeinen konstanten Strom, so dass eine Größe des Wechselstroms kleiner ist als eine Größe des im Allgemeinen konstanten Stroms, und das Schätzen, durch die Steuerung, des Batteriewiderstands basierend auf der Größe des Wechselstroms und einer Größe einer Wechselspannung umfassen. Die empfohlene maximale Spannung kann 4,2 Volt betragen.
Ein Batterieladesystem enthält mindestens eine Steuerung, programmiert zum Erhalten des Ladens einer Batteriezelle bei einem im Allgemeinen konstanten Strom, ausgewählt, zu bewirken, dass die Batteriezelle Ladung bei einer im Voraus bestimmten Rate aufnimmt, und zum Abbrechen des Ladens, wenn eine Zellenspannung eine empfohlene maximale Spannung um einen durch den Strom und einen Batteriewiderstand definierten Betrag übersteigt, um eine unmittelbare Verringerung der Zellenspannung um ungefähr den Betrag zu bewirken. Die im Voraus bestimmte Rate kann derart sein, dass die Batteriezelle in weniger als 5 Minuten von 0 Prozent Ladungszustand auf 100 Prozent Ladungszustand lädt. Der Betrag kann ein Produkt des im Allgemeinen konstanten Stroms und des Batteriewiderstands sein. Die empfohlene maximale Spannung kann eine herstellerdefinierte maximale Spannungsgrenze für eine lithiumbasierte Batteriezelle sein. Die mindestens eine Steuerung kann ferner zum Addieren einer Wechselstrom-Komponente zu dem im Allgemeinen konstanten Strom, so dass eine Größe des Wechselstroms kleiner ist als eine Größe des im Allgemeinen konstanten Stroms, und zum Schätzen des Batteriewiderstands basierend auf der Größe des Wechselstroms und einer Größe einer Wechselspannung programmiert sein. Die mindestens eine Steuerung kann ferner programmiert sein, das Laden abzubrechen, wenn eine Temperatur der Batteriezelle höher ist als eine im Voraus bestimmte Temperatur. Die mindestens eine Steuerung kann ferner programmiert sein, das Laden abzubrechen, wenn die Zellenspannung die empfohlene maximale Spannung innerhalb einer im Voraus bestimmten Zeitdauer um den Betrag nicht übersteigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Diagramm eines Hybridfahrzeugs, das typische Komponenten der Kraftübertragung und Energiespeicherung darstellt.
2 zeigt ein Diagramm einer möglichen Batteriesatz-Anordnung, die aus mehreren Zellen besteht und von einem Batterieenergie-Steuermodul gesteuert wird.
3 zeigt ein Diagramm einer beispielhaften Batteriezellen-Ersatzschaltung.
4 zeigt einen Graphen, der ein mögliches Verhältnis von Leerlaufspannung (Voc) zu Batterie-Ladungszustand (SOC) für eine typische Batteriezelle darstellt.
5 zeigt ein Diagramm eines Batterieladesystems gemäß einer möglichen Ausführungsform.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm, das ein mögliches Steuerungs-implementiertes Verfahren zum Laden einer Batteriezelle zeigt.
7 zeigt einen Graphen, der die Relaxation der Zellenspannung nach Entfernen des Ladestroms darstellt.
8 zeigt einen Graphen, der einen möglichen Schnellladezyklus im Vergleich zu einem konventionellen Ladezyklus darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hierin nach Erfordernis offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können überbetont oder minimiert sein, um Einzelheiten von bestimmten Komponenten zu zeigen. Daher sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Einzelheiten nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung verschiedenartig anzuwenden.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen vielfältige und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten überbetont oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Einzelheiten nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung verschiedenartig anzuwenden. Wie Durchschnittsfachleute im Fachgebiet verstehen werden, können verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, kombiniert werden, um Ausführungsformen zu produzieren, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Abwandlungen der Merkmale in Übereinstimmung mit den Lehren der Offenbarung könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
1 bildet ein typisches Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV) ab. Ein typisches Plug-in-Hybridfahrzeug 12 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 14, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 16 verbunden sind, umfassen. Die elektrischen Maschinen 14 können imstande sein, als ein Motor oder ein Generator betrieben zu werden. Außerdem ist das Hybridgetriebe 16 mit einem Verbrennungsmotor 18 mechanisch verbunden. Das Hybridgetriebe 16 ist außerdem mit einer Antriebswelle 20, die mit den Rädern 22 mechanisch verbunden ist, mechanisch verbunden. Die elektrischen Maschinen 14 können Antriebs- und Verlangsamungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 18 ein- oder ausgeschaltet ist. Die elektrischen Maschinen 14 fungieren außerdem als Generatoren und können Vorteile beim Kraftstoffverbrauch bereitstellen, indem sie Energie zurückgewinnen, die normalerweise als Wärme im Reibungsbremssystem verloren gehen würde. Die elektrischen Maschinen 14 können außerdem die Fahrzeugemissionen reduzieren, indem sie zulassen, dass der Verbrennungsmotor 18 bei effizienteren Drehzahlen betrieben wird, und indem sie zulassen, dass das hybridelektrische Fahrzeug 12 unter bestimmten Bedingungen im elektrischen Modus mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 18 betrieben wird.
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriesatz 24 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 14 genutzt werden kann. Ein Fahrzeug-Batteriesatz 24 stellt typischerweise einen Gleichstromausgang hoher Spannung bereit. Die Traktionsbatterie 24 ist mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen elektrisch verbunden. Ein oder mehrere Schaltschütze (nicht dargestellt) können die Traktionsbatterie 24 von anderen Komponenten isolieren, wenn sie geöffnet sind, und die Traktionsbatterie 24 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 26 ist ebenfalls mit den elektrischen Maschinen 14 elektrisch verbunden und stellt die Fähigkeit bereit, Energie zwischen der Traktionsbatterie 24 und den elektrischen Maschinen 14 in zwei Richtungen zu übertragen. Zum Beispiel kann eine typische Traktionsbatterie 24 eine Gleichspannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 14 zum Arbeiten einen dreiphasigen Wechselstrom benötigen können. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung in einen Dreiphasen-Wechselstrom, wie er von den elektrischen Maschinen 14 benötigt wird, umwandeln. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 26 den Dreiphasen-Wechselstrom von den elektrischen Maschinen 14, die als Generatoren fungieren, in die Gleichspannung, die von der Traktionsbatterie 24 benötigt wird, umwandeln. Die Beschreibung hierin ist gleichermaßen auf ein rein elektrisches Fahrzeug anwendbar. Für ein rein elektrisches Fahrzeug kann das Hybridgetriebe 16 ein Getriebe sein, das mit einer elektrischen Maschine 14 verbunden ist, und der Verbrennungsmotor 18 muss nicht vorhanden sein.
Neben der Bereitstellung von Energie für den Antrieb kann die Traktionsbatterie 24 Energie für die anderen elektrischen Systeme des Fahrzeugs bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlermodul 28 enthalten, das den Gleichstromausgang hoher Spannung der Traktionsbatterie 24 in eine Gleichstromversorgung niedriger Spannung, die mit anderen Verbrauchern des Fahrzeugs kompatibel ist, umwandelt. Andere Lasten hoher Spannung, wie Kompressoren und elektrische Heizungen, können ohne die Verwendung eines Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlermoduls 28 direkt mit der hohen Spannung verbunden werden. Die Niederspannungssysteme können mit einer Zusatzbatterie 30 (z. B. einer 12-V-Batterie) elektrisch verbunden sein.
Das Fahrzeug 12 kann ein elektrisches Fahrzeug oder ein Plug-in-Hybridfahrzeug sein, in dem die Traktionsbatterie 24 von einer externen Leistungsquelle 36 aufgeladen werden kann. Die externe Leistungsquelle 36 kann eine Verbindung mit einer Netzsteckdose sein. Die externe Leistungsquelle 36 kann mit einer elektrischen Fahrzeugversorgungsausrüstung (EVSE) 38 elektrisch verbunden sein. Die EVSE 38 kann Schaltungen und Steuerung zum Regeln und Verwalten der Energieübertragung zwischen der Leistungsquelle 36 und dem Fahrzeug 12 bereitstellen. Die externe Leistungsquelle 36 kann der EVSE 38 elektrische Gleichstrom- oder Wechselstrom-Leistung bereitstellen. Die EVSE 38 kann einen Lade-Steckverbinder 40 zum Einstecken in einen Lade-Anschluss 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Der Lade-Anschluss 34 kann jeder Typ von Anschluss sein, der konfiguriert ist, Leistung von der EVSE 38 zu dem Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Lade-Anschluss 34 kann mit einem Ladegerät oder fahrzeugseitigem Leistungsumwandlungsmodul 32 elektrisch verbunden sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann die von der EVSE 38 zugeführte Leistung konditionieren, um der Traktionsbatterie 24 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann mit der EVSE 38 verschaltet sein, um die Leistungszuführung zu dem Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Steckverbinder 40 kann Stifte aufweisen, die mit korrespondierenden Vertiefungen des Lade-Anschlusses 34 übereinstimmen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch verbunden beschrieben werden, Leistung über eine drahtlose induktive Kopplung übertragen.
Die diskutierten verschiedenen Komponenten können eine oder mehrere assoziierte Steuerungen aufweisen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter kommunizieren. Außerdem kann eine Systemsteuerung 48 vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
Eine Traktionsbatterie 24 kann aus einer Vielfalt chemischer Formulierungen konstruiert sein. Typische chemische Zusammensetzungen von Batteriesätzen können Blei-Säure, Nickel-Metallhydrid (NIMH) oder Lithiumionen sein. 2 zeigt einen typischen Traktionsbatteriesatz 24 in einer einfachen seriellen Konfiguration von N Batteriezellen 72. Andere Batteriesätze 24 können jedoch aus einer beliebigen Anzahl individueller Batteriezellen zusammengesetzt sein, die seriell oder parallel oder in einer Kombination davon verbunden sind. Ein typisches System kann eine oder mehrere Steuerungen aufweisen, wie ein Batterieenergie-Steuermodul (BECM) 76, das die Performance der Traktionsbatterie 24 überwacht und steuert. Das BECM 76 kann mehrere Charakteristika auf Batteriesatz-Ebene wie Satz-Strom 78, Satz-Spannung 80 und Satz-Temperatur 82 überwachen. Das BECM 76 kann einen nichtflüchtigen Speicher aufweisen, so dass Daten erhalten werden, wenn das BECM 76 in einem ausgeschalteten Zustand ist. Erhaltene Daten können nach dem nächsten Schlüsselzyklus verfügbar sein.
Zusätzlich zu den Charakteristika auf Satz-Ebene können Charakteristika auf Ebene von Batteriezellen 72 vorhanden sein, die gemessen und überwacht werden. Zum Beispiel können Anschlussspannung, -strom und -temperatur jeder Zelle 72 gemessen werden. Ein System kann ein Sensormodul 74 zum Messen der Charakteristika der Batteriezelle 72 verwenden. In Abhängigkeit von den Fähigkeiten kann das Sensormodul 74 die Charakteristika einer oder mehrerer der Batteriezellen 72 messen. Der Batteriesatz 24 kann bis zu N_c Sensormodule 74 zum Messen sämtlicher der Batteriezellen 72 nutzen. Jedes Sensormodul 74 kann die Messungen für weitere Verarbeitung und Koordination an das BECM 76 übertragen. Das Sensormodul 74 kann Signale in analoger oder digitaler Form an das BECM 76 übertragen. In einigen Ausführungsformen kann die Funktionalität des Sensormoduls 74 intern in das BECM 76 inkorporiert sein. Das heißt, die Hardware des Sensormoduls 74 kann als Teil der Schaltungen in das BECM 76 integriert sein und das BECM 76 kann die Verarbeitung roher Signale handhaben.
Es kann nützlich sein, verschiedene Charakteristika des Batteriesatzes zu berechnen. Quantitäten wie Batterie-Leistungsfähigkeit und Batterie-Ladungszustand können zum Steuern des Betriebs des Batteriesatzes sowie von etwaigen elektrischen Lasten, die Leistung von dem Batteriesatz empfangen, nützlich sein. Die Batterie-Leistungsfähigkeit ist ein Maß der maximalen Leistungsmenge, die die Batterie bereitstellen kann, oder der maximalen Leistungsmenge, die die Batterie aufnehmen kann. Kenntnis der Batterie-Leistungsfähigkeit gestattet die Verwaltung elektrischer Lasten, wie dass die angeforderte Leistung innerhalb der Grenzen liegt, die die Batterie handhaben kann.
Der Batteriesatz-Ladungszustand (SOC) gibt eine Angabe darüber, wie viel Ladung im Batteriesatz verblieben ist. Der Batteriesatz-SOC kann ausgegeben werden, um den Fahrer zu informieren, wie viel Ladung im Batteriesatz verblieben ist, ähnlich einer Kraftstoffanzeige. Der Batteriesatz-SOC kann auch verwendet werden, den Betrieb eines elektrischen oder hybridelektrischen Fahrzeugs zu steuern. Die Berechnung des Batteriesatz-SOC kann mit einer Vielfalt von Verfahren erreicht werden. Ein mögliches Verfahren zur Berechnung des Batterie-SOC besteht in der Durchführung einer Integration des Batteriesatz-Stroms über die Zeit. Dieses ist im Fachgebiet als Amperestunden-Integration gut bekannt.
Eine Batteriezelle kann als eine Schaltung modelliert werden. 3 zeigt ein mögliches Batteriezellen-Ersatzschaltungsmodell (ECM). Eine Batteriezelle kann als eine Spannungsquelle (V_oc) 100 mit assoziierten Widerständen (102 und 104) und Kapazität 106 modelliert werden. V_oc 100 repräsentiert die Leerlaufspannung der Batterie. Das Modell enthält einen internen Widerstand r₁ 102, einen Ladungsübertragungswiderstand r₂ 104 und eine Doppelschichtkapazität C 106. Die Spannung V₁ 112 ist der Spannungsabfall über den internen Widerstand 102 aufgrund des Stroms 114, der durch die Schaltung fließt. Die Spannung V₂ 110 ist der Spannungsabfall über die Parallelkombination von r₂ 104 und C 106 aufgrund des Stroms 114, der durch die Kombination fließt. Die Spannung V_t 108 ist die Spannung über die Anschlüsse der Batterie (Anschlussspannung).
Aufgrund der Impedanz der Batteriezelle ist die Anschlussspannung V_t 108 unter Umständen nicht die gleiche wie die Leerlaufspannung V_oc 100. Die Leerlaufspannung V_oc 100 ist unter Umständen nicht einfach messbar, da nur die Anschlussspannung 108 der Batteriezelle für Messung verfügbar ist. Wenn eine ausreichend lange Zeitdauer kein Strom 114 fließt, kann die Anschlussspannung 108 gleich der Leerlaufspannung 100 sein. Nach Unterbrechen des Stroms 114 kann die Anschlussspannung 108 über eine Zeitdauer, wie durch das kapazitive Element modelliert, zur Leerlaufspannung 100 entspannen oder abfallen. In einem Beharrungszustand, in dem der Strom 114 konstant ist, kann die Impedanz als die Summe der Widerstandselemente r₁ 102 und r₂ 104 modelliert werden. Wenn Strom 114 fließt, ist V_oc 100 unter Umständen nicht einfach messbar und kann es erforderlich sein, den Wert basierend auf dem Schaltungsmodell abzuleiten. Die Parameterwerte r₁ 102, r₂ 104 und C 106 können bekannt oder unbekannt sein. Der Wert der Parameter kann von der chemischen Zusammensetzung der Batterie abhängen. Andere Batteriemodelle sind möglich und die beschriebenen Verfahren sind nicht von dem gewählten Modell abhängig.
Beim Laden kann eine Ladespannung an die Batterieanschlüsse 108 angelegt werden. Strom 114 kann basierend auf dem Widerstand 112 und der Leerlaufspannung 100 durch die Batterie fließen.
Für eine typische Lithiumionen-Batteriezelle besteht eine Beziehung zwischen dem SOC und der Leerlaufspannung (V_oc), so dass V_oc = f(SOC) ist. 4 zeigt eine beispielhafte Kurve 124, die die Leerlaufspannung V_oc als eine Funktion von SOC darstellt. Die Beziehung zwischen SOC und V_oc kann aus einer Analyse der Batterieeigenschaften oder durch Testen der Batteriezellen bestimmt werden. Die Funktion kann derart sein, dass SOC als f^–1(V_oc) berechnet werden kann. Die Funktion oder die inverse Funktion kann als eine Nachschlagetabelle oder eine Äquivalenzgleichung implementiert werden. Die genaue Form der Kurve 124 kann basierend auf der genauen Formulierung der Lithiumionen-Batterie variieren. Die Spannung V_oc ändert sich als ein Ergebnis des Ladens und Entladens der Batterie. Es ist zu beachten, dass die Kurve basierend auf der chemischen Zusammensetzung der Batterie variieren kann. Zum Beispiel kann sich die mit 100 % SOC assoziierte Spannung bei verschiedenen chemischen Zusammensetzungen der Batterie ändern.
Die Batterie-Impedanz kann sich über Betriebsbedingungen der Batterie ändern. Die Widerstandswerte können als eine Funktion der Batterietemperatur variieren. Zum Beispiel kann der Widerstandswert r₁ 102 bei steigender Temperatur fallen und kann die Kapazität C 106 bei steigender Temperatur steigen. Der Widerstandswert kann außerdem vom Ladungszustand der Batterie abhängen.
Die Batterie-Impedanz-Parameterwerte r₁ 102, r₂ 104 und C 106 können sich außerdem während der Nutzungsdauer der Batterie ändern. Zum Beispiel kann der Widerstandswert über die Nutzungsdauer der Batterie steigen. Die Steigerung des Widerstands kann als eine Funktion von Temperatur und Ladungszustand über die Nutzungsdauer der Batterie variieren. Höhere Batterietemperaturen können eine größere Steigerung des Batterie-Widerstands im Verlauf der Zeit verursachen. Zum Beispiel kann der Widerstand einer Batterie, die bei 80 °C betrieben wird, über eine Zeitdauer stärker steigen als der Widerstand einer Batterie, die bei 50 °C betrieben wird. Bei einer konstanten Temperatur kann der Widerstand einer Batterie, die bei 50 % Ladungszustand betrieben wird, stärker steigen als der Widerstand einer Batterie, die bei 90 % Ladungszustand betrieben wird. Diese Beziehungen können von der chemischen Zusammensetzung der Batterie abhängig sein.
Wie in 4 ersichtlich, wenn der SOC steigt, steigt im Allgemeinen ebenfalls die Leerlaufspannung. Beim Laden der Batterie nimmt der SOC zu und steigt die Leerlaufspannung. Die Rate der Spannungssteigerung kann außerdem vom Ladungszustand abhängen. Zur Aufrechterhaltung der gleichen Strommenge kann die Anschlussspannung erhöht werden.
Ein Faktor hinsichtlich von wiederaufladbaren Batterien in Fahrzeugen ist die zum Wiederaufladen der Batterie erforderliche Zeitdauer. Fahrer können bevorzugen, dass elektrische Fahrzeugbatterien in einer kurzen Zeitdauer wiederaufgeladen werden können. Die Zeitdauer kann als äquivalent der Zeitdauer, die zum Betanken eines konventionellen Fahrzeugs mit Benzinmotor verbraucht wird, angesehen werden. Existierende Batterieladestrategien brauchen im Allgemeinen eine viel längere Zeitdauer zum Wiederaufladen der Fahrzeugbatterie. Wiederaufladen einer Fahrzeugbatterie erfordert gegenwärtig beträchtlich mehr Zeit als Betanken des konventionellen Benzinmotor-Fahrzeugs.
Es gibt mehrere Faktoren, die schnelles Laden von Lithiumionen-basierten Fahrzeugbatterien verhindern können. Eine Batteriezelle enthält eine positive Elektrode und eine negative Elektrode. Eine verbreitete Ansicht besagt, dass übermäßiges Lithium sich auf der Oberfläche der negativen Elektroden ansammeln kann und nachteilige Nebenwirkungen verursacht, weil Lithiumionen nicht schnell genug hin zu Einlagerungsorten in Graphitpartikeln während einer Schnellladung diffundieren können. Außerdem versuchen Fahrzeughersteller, die Fähigkeiten und Kosten von Lade-Hardware auszugleichen, so dass Kunden nicht für teure Ladegeräte zusammen mit der Lithiumionen-Batterie zahlen. Fahrzeughersteller wählen im Allgemeinen weniger leistungsstarke Lithiumionen-Batterien aus, die bei einem gegebenen Energiegehalt billiger sind. Und schließlich ist Infrastruktur für schnelles Laden noch nicht verbreitet verfügbar.
Zum Laden einer Batterie werden im Allgemeinen eine Ladespannung und ein Ladestrom an die Anschlüsse der Batterie angelegt. Die Ladespannung kann höher sein als die interne Zellenspannung, so dass Strom in die Batterie fließt. Ladestrategien können entwickelt werden, um die Ladespannung und den Ladestrom zum Erreichen einer gewünschten Laderate auszuwählen. Batteriehersteller spezifizieren typischerweise eine maximale Ladespannung, die an die Anschlüsse der Batterie angelegt werden darf. Fahrzeughersteller entwerfen im Allgemeinen Steuerstrategien, die die Ladespannung so begrenzen, dass sie die vom Zellenhersteller empfohlene maximale Ladespannung nicht übersteigt.
Ein Charakteristikum des Batterie-Schnellladesystems ist die dynamische Berechnung einer maximalen Ladespannung mit einer Kompensation des geschätzten IR-Abfalls. Die maximale Ladespannung kann wie folgt definiert werden: V * / max = V_max + iR (1) wobei V_max eine vom Batteriezellen-Hersteller empfohlene konventionellen maximale Ladespannung ist, i der Batteriestrom ist und R ein interner Widerstand der Batteriezelle ist.
Eine Ladesystem-Steuerung kann den Batteriestrom i während des Ladeprozesses messen. Der Widerstand R kann beim Laden geschätzt werden. Der Widerstandswert kann zu Beginn des Ladens, während des Ladens oder nach dem Laden geschätzt oder gemessen werden. Der Widerstand kann ein auf der Nutzungsdauer der Batterie basierender im Voraus bestimmter Widerstandswert sein. Eine Vielfalt von Verfahren kann genutzt werden, um eine Echtzeit-Schätzung des Widerstands bereitzustellen. Ein erstes Verfahren kann sein, einfach den Widerstand R basierend auf einem Quotienten von Spannung (V) und Strom (I) zu berechnen, wobei V eine Spannung über den Widerstand ist und I der gemessene Strom ist, der durch die Batterie fließt. Ein Verfahren zum Berechnen des Widerstands kann sein, zwei separate Messungen der Zellenspannung, V₁ und V₂, die zu verschiedenen Zeiten mit assoziierten Strommessungen, I₁ und I₂ erfasst wurden, einzubeziehen. Die Beziehung zwischen dem Widerstandswert und den Spannungs- und Strommessungen kann wie folgt ausgedrückt werden: V₁ = V 1 / oc + I₁R (2) V2 = V 2 / oc + I₂R (3) wobei V_oc eine Schätzung der Leerlaufspannung der Zelle zur Erfassungszeit ist. Eine Schätzung von V_oc kann berechnet werden, wenn ein Wert für SOC bekannt ist (siehe 4). Bestimmen einer Differenz zwischen den Gleichungen ergibt: V₁ – V₂ = (V 1 / oc – V 2 / oc) + (I₁ – I₂)R (4)
Das Zeitintervall zwischen Erfassungswerten der Spannung und des Stroms kann ausgewählt werden, um ein genaues Ergebnis zu erhalten. Eine erste Spannungs- und Stromerfassung kann unmittelbar vor Beginn des Ladens vorgenommen werden (Strom annähernd null). Eine zweite Spannungs- und Stromerfassung kann unmittelbar nach Beginn des Ladens vorgenommen werden (Strom ungleich null). An diesem Punkt sollte sich die Leerlaufspannung V_oc nicht geändert haben und der Widerstand kann wie folgt berechnet werden: R = ΔV / ΔI (5) wobei ΔV die Differenz zwischen zwei Zellenanschlussspannungen ist und ΔI die Differenz zwischen zwei Strommessungen ist. Diese Technik kann nützlich sein, um den Widerstand zu Beginn des Ladens zu berechnen. Während des Ladens können die V_oc-Werte basierend auf dem SOC geschätzt werden und die vollständige Gleichung (4) kann genutzt werden.
Ein alternatives Schema zur Widerstandsmessung kann einen Wechselstrom und eine Wechselspannung zur Berechnung des Widerstands nutzen. Das Ladegerät kann einen im Allgemeinen konstanten Strom ausgeben (z. B. Gleichstrom). Eine Wechselstrom- bzw. AC-Komponente kann zu einer DC-Komponente addiert werden. Die Wechselstrom-Komponente kann eine gegebene Frequenz und Amplitude aufweisen. Die Amplitude der AC-Komponente kann beträchtlich kleiner sein als die DC-Komponente. Das Ergebnis kann eine Spannungswellenform mit einer AC-Komponente und einer DC-Komponente sein. Die Frequenz und Amplitude der AC-Spannungskomponente kann gemessen werden. Der Widerstand kann als die Amplitude der AC-Spannung, dividiert durch die Amplitude des AC-Stroms, berechnet werden. Der Widerstand kann als der Quotient der Spannungsgröße und der Stromgröße berechnet werden. Auf diese Weise kann der Widerstandswert beim Laden kontinuierlich bestimmt werden. Diese Technik kann dem System gestatten, Änderungen des Widerstands zu detektieren, die aufgrund von Temperatur oder anderer Faktoren beim Laden vorkommen können.
Die AC-Widerstandsmessung kann zusätzliche Schaltungen zum Addieren der AC-Komponente zur DC-Komponente erfordern. Eine typische Frequenz für die AC-Komponente kann 1000 Hz sein, aber andere Frequenzwerte sind möglich. Die Amplitude der AC-Komponente kann beträchtlich kleiner sein als die DC-Komponente, so dass die AC-Komponente eine Welligkeit auf der DC-Komponente zu sein scheint. Messschaltungen können zusätzliche Filter enthalten, um die AC-Komponente in einigen Messkanälen herauszufiltern. Zum Beispiel kann ein Hochpassfilter zum Herausfiltern der DC-Komponente verwendet werden. Die Amplitude des AC-Signals kann auf mehrere Weisen bestimmt werden. Zum Beispiel kann der AC-Wert über einen A/D-Eingang erfasst werden und die Steuerung kann den maximalen Wert bestimmen. Alternativ kann eine Spitzendetektorschaltung verwendet und der Ausgang über einen A/D-Eingang der Steuerung erfasst werden. Dies kann an sowohl dem Spannungs- als auch Stromsignal implementiert werden. Die AC-Komponente kann periodisch geschaltet werden, so dass die AC-Komponente nicht immer in dem Ladestrom vorhanden ist. In einigen Implementierungen kann der Widerstand gemessen werden, bevor das Laden eingeleitet wird. In einer derartigen Implementierung kann nur die AC-Komponente ohne die DC-Komponente angelegt werden.
Vorherige Batterieladesysteme setzen eine konstante maximale Spannung ein, die die vom Hersteller empfohlene Spannungsgrenze V_max ist. Vorherige Ladestrategien nutzen eine Konstantstromphase, gefolgt von einer Konstantspannungsphase an der maximal empfohlenen Spannung. Während der Konstantspannung-Ladephase verringert sich der Strom, während die Leerlaufspannung einhergehend mit dem Ladungszustand zunimmt. Der Pegel des Konstantstromladens ist typischerweise niedriger als eine 1C-Rate. Eine 1C-Laderate gibt an, dass eine Batterie in einer Stunde vollständig geladen sein wird. Die maximale Ladespannung ist in früheren Ladesystemen typischerweise fest. Eine C-Rate größer als eins lädt oder entlädt die Batterie 24 in weniger als eine Stunde (z. B. 2 – C = 0,5 Stunden), während eine C-Rate kleiner als eins die Batterie 24 in mehr als einer Stunde lädt oder entlädt (z. B. 0,1 – C = 10 Stunden). Zum Beispiel kann für LiCoO₂/Graphit-Batteriezellen die vom Hersteller empfohlene Spannungsgrenze auf 4,1 V eingestellt sein.
Zum Laden elektrischer Fahrzeugbatterien sind drei Ladepegel definiert. Pegel-1-Laden arbeitet bei 1,4 kW und kann eine normale Haushalt-Netzsteckdose nutzen. Eine Batterie hoher Kapazität kann viele Stunden benötigen, um in einem Pegel-1-System vollständig zu laden. Pegel-2-Laden arbeitet bei 3,3 kW und nutzt eine 240-V-Netzsteckdose. Pegel-3-Laden arbeitet bei mehr als 6,6 kW und erfordert im Allgemeinen eine teure Ladestation. Konventionelle Ladealgorithmen wenden im Allgemeinen eine feste maximale Ladespannungsgrenze an.
Ein Verfahren zum schnellen Laden einer Fahrzeug-Traktionsbatterie kann eine Ladespannung nutzen, die höher ist als die hierin beschriebene maximale empfohlene Ladespannung. Das Laden kann mit konstantem Strom, konstanter Spannung, konstanter Leistung oder einer Kombination davon erfolgen.
5 zeigt ein Blockdiagramm einer möglichen Implementierung eines Batterieladesystems. Die EVSE 38 kann eine Steuerung 140 zum Verwalten und Steuern des Betriebs des nicht fahrzeugseitigen Ladesystems enthalten. Die Leistungsquelle 36 kann mit der EVSE 38 elektrisch verbunden sein. Eine oder mehrere elektrische Verbindungen können vorhanden sein. Die Leistungsquelle 36 kann mit einem AD/DC-Wandler 142 verbunden sein, der ein AC-Eingangsspannungssignal 164 in ein DC-Ausgangsspannungssignal 156 umwandelt. Die Steuerung 140 kann den Betrieb des AC/DC-Wandlers 142 über eine erste Steuersignalschnittstelle 148 steuern. Die erste Steuersignalschnittstelle kann eine oder mehrere elektrische Verbindungen enthalten.
Die Steuerung 140 kann außerdem einen AC-Signalgenerator 166 über eine zweite Steuersignalschnittstelle 150 steuern. Die zweite Steuersignalschnittstelle 150 kann eine oder mehrere elektrische Verbindungen enthalten. Der AC-Signalgenerator 166 kann ein Wechselspannung-Ausgangssignal 158 für Verwendung beim Schätzen des Widerstands, wie hierin beschrieben, bereitstellen. Das Wechselspannung-Ausgangssignal 158 kann zu dem DC-Ausgangsspannungssignal 156 unter Verwendung einer Summierungsschaltung 144 addiert werden. Ein kombinierter Ausgang 160 kann von der Summierungsschaltung 144 ausgegeben werden, der eine DC-Komponente und eine AC-Komponente enthalten kann.
Ein Spannungs- und Strommessungsmodul 146 kann mit dem kombinierten Ausgang 160 zusammengeschaltet sein, um der Steuerung 140 Spannungs- und Stromdaten bereitzustellen. Eine dritte Steuersignalschnittstelle 154 kann die Steuerung 140 und das Messungsmodul 146 verbinden und kann eine oder mehrere elektrische Verbindungen enthalten. Ein EVSE-Ladeausgang 162 kann dem EVSE-Steckverbinder 40 bereitgestellt werden. Der EVSE-Steckverbinder 40 kann mit dem Fahrzeug-Lade-Anschluss 34 elektrisch verbunden sein, um der Traktionsbatterie 24 den EVSE-Ladeausgang 162 bereitzustellen. Das BECM 76 kann den Betrieb der Traktionsbatterie 24 während des Ladens überwachen und steuern. Eine vierte Steuersignalschnittstelle 152 kann bereitgestellt werden, um Kommunikation zwischen der nicht fahrzeugseitigen Steuerung 140 und der fahrzeugseitigen Steuerung 76 zu erleichtern. Die vierte Steuersignalschnittstelle 152 kann eine oder mehrere elektrische Verbindungen enthalten und kann eine serielle Kommunikationsverbindung enthalten.
Es ist zu beachten, dass die Ladestrategie sowohl auf eine einzelne Zelle als auch eine Traktionsbatterie, die eine Vielzahl von Zellen enthält, anwendbar ist. Die empfohlene Spannungsgrenze für die Traktionsbatterie kann als die empfohlene Spannungsgrenze für die Batteriezelle, multipliziert mit der Anzahl der seriell verbundenen Zellen, definiert werden. Beim Laden kann jede Zelle gemäß der Schnellladestrategie geladen und überwacht werden.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm zum schnellen Laden einer Lithiumionen-Batterie. Ein erster Betrieb 200 kann zum Vorbereiten für schnelles Batterieladen implementiert werden. Der Betrieb 200 kann verschiedene vorausgehende Aufgaben implementieren, um zu gewährleisten, dass das System für schnelles Laden bereit ist. Einige Funktionen des Betriebs 200 können sein, auf das Vorhandensein eines angeschlossenen Ladegeräts und den Zustand des Ladegeräts zu prüfen.
Der Betrieb 202 kann implementiert werden, in dem der Batteriewiderstand gemessen oder geschätzt wird. Der Widerstandswert kann in Echtzeit basierend auf Strom- und Spannungsmessungen bestimmt werden. Der Widerstandswert kann während des gesamten Ladeprozesses kontinuierlich erfasst werden und der Ladealgorithmus kann an den gegenwärtigen Widerstandswert angepasst werden. Der Widerstandswert kann ein im Voraus definierter Wert basierend auf einer im Speicher der Steuerung gespeicherten Tabelle sein. Der Widerstandswert kann außerdem zu Beginn des Ladens berechnet werden. Der Widerstandswert kann unter Verwendung einer der hierin beschriebenen Strategien geschätzt werden.
Der Betrieb 204 kann implementiert werden, um Ladeleistung an die Batterie anzulegen. Die fahrzeugseitige Steuerung 76 kann mit dem Ladegerät 38 kommunizieren, um das Laden zu erleichtern. Informationen können zwischen der fahrzeugseitigen Steuerung 76 und der nicht fahrzeugseitigen Steuerung 140 ausgetauscht werden. Das Ladegerät 38 kann den Strom, der der Batterie 24 bereitgestellt wird, auf einen im Allgemeinen konstanten Strompegel steuern. Der im Allgemeinen konstante Strom kann ausgewählt werden, zu bewirken, dass die Batterie Ladung bei einer ausgewählten Rate (z. B. eine Rate größer als 1C) aufnimmt. Der im Allgemeinen konstante Strom kann ausgewählt werden, die Batterie bei einem ausgewählten Leistungspegel zu laden. Das Ladegerät 38 kann die Spannung, die der Batterie 24 bereitgestellt wird, anpassen, um den im Allgemeinen konstanten Strompegel zu erhalten. In einigen Implementierungen kann der Ladestrom auf einen im Allgemeinen konstanten Ladeleistungspegel basiert sein.
Der Betrieb 206 kann implementiert werden, in dem die Widerstands- und Strommesswerte zum Aktualisieren einer Spannungsgrenze V_max* verwendet werden können, wie hierin beschrieben. Die Spannungsgrenze kann die an den Anschlüssen der Traktionsbatterie 24 beim Laden maximal zulässige Spannung sein. Es ist zu beachten, dass, da der Widerstand und Strom sich beim Laden ändern, die Spannungsgrenze sich als Reaktion darauf ändern kann.
Beim Laden können bestimmte Bedingungen überwacht werden, um anzugeben, wann das Laden beendet werden sollte. Die Batterie-Anschlussspannung kann beim Laden gemessen und überwacht werden. Bei Betrieb 208 kann die Batterie-Anschlussspannung mit der Spannungsgrenze V_max* verglichen werden, um zu bestimmen, ob das Laden abgeschlossen ist. Wenn die Batterie-Anschlussspannung größer ist als V_max*, kann der Weg 218 genommen und das schnelle Laden bei Betrieb 212 beendet werden.
Wenn die Batterie-Anschlussspannung nicht größer ist als V_max*, kann der Weg 216 genommen werden. In diesem Fall kann der Betrieb 210 implementiert werden, um zu bestimmen, ob andere Abbruchbedingungen erfüllt sind. Eine mögliche Abbruchbedingung kann eine Temperaturprüfung der Batterie oder anderer Komponenten im System sein. Es kann wünschenswert sein, zu verhindern, dass die Batterie-Temperatur über eine im Voraus bestimmte Temperatur steigt. Um Schäden an der Batterie zu verhindern, kann das Laden gestoppt werden, wenn die Batterie-Temperatur höher ist als die im Voraus bestimmte Temperatur.
Eine andere Abbruchbedingung kann eine Prüfung des Ladungszustands sein. Es kann wünschenswert sein, dass die Batterie in einem bestimmten SOC-Bereich betrieben wird. Zur Verhinderung einer Überladung der Batterie kann eine maximale Batterie-SOC-Grenze definiert werden. Wenn der SOC der Batterie größer ist als die maximale Batterie-SOC-Grenze, kann das Laden gestoppt werden. Die maximale Batterie-SOC-Grenze kann angeben, wann die Batterie vollständig geladen ist.
Eine andere Abbruchbedingung kann auf einer Ladezeit basieren. Wenn andere Abbruchbedingungen nicht innerhalb einer im Voraus bestimmten Zeitgrenze erfüllt werden, kann das Laden gestoppt werden. Die im Voraus bestimmte Zeitgrenze kann als eine Zeit definiert sein, in der eine normal funktionierende Batterie und ein normal funktionierendes Ladesystem eine vollständige Ladung der Batterie erreichen sollten.
Eine andere Abbruchbedingung kann auf einer minimalen Anschlussspannung basieren. Wenn das Laden erfolgt und die gemessene Batteriespannung unter einem minimalen Spannungsschwellenwert ist, erfolgt das Laden unter Umständen nicht einwandfrei. Der Ladeprozess kann abgebrochen werden.
Eine zusätzliche Abbruchbedingung kann eine vom Benutzer erzeugte Anforderung zum Beenden des Ladens sein. Diese kann ein Signal von dem Ladegerät sein. Eine Abbruchbedingung kann auch das Entfernen des Lade-Steckverbinders aus dem Lade-Anschluss sein.
Die Abbruchbedingungen können in jeder beliebigen Kombination verwendet werden. Eine oder sämtliche der Bedingungen können überprüft werden, um zu bestimmen, wann das Laden zu beenden ist. Wenn eine oder mehrere der ausgewählten Abbruchbedingungen erfüllt sind, kann das Laden beendet werden. Das Ladegerät 38 kann aufhören, der Batterie 24 Strom und Spannung bereitzustellen, und kann etwaige Betriebsvorgänge nach dem Laden einleiten.
Wenn die Abbruchbedingungen erfüllt sind, kann dem Weg 222 gefolgt werden, bei dem das Laden mit dem Betrieb 212 abgeschlossen wird. Der Betrieb 212 kann enthalten, das Ladegerät 38 zu steuern, das Bereitstellen von Strom und Spannung für die Batterie 24 zu beenden. Verschiedene Abschaltvorgänge können implementiert werden. Der Abschluss des schnellen Ladens kann thermische Verwaltung verschiedener Komponenten enthalten, um zu gewährleisten, dass jede Komponente eine angemessene Temperatur zum Abschalten aufweist. Verschiedene Komponenten zum Erwärmen oder Kühlen können betrieben werden, um die thermische Verwaltung während des und nach dem Ladeprozess zu erleichtern. Nachdem das schnelle Laden abgeschlossen ist, kann die Ausführung bei Betrieb 214 stoppen.
Wenn die Abbruchbedingungen nicht erfüllt sind, kann der Weg 220 genommen werden, bei dem die Prozedur zu Betrieb 202 übergeht und wiederholt wird. Der Ladeprozess kann fortgesetzt werden, bis eine oder mehrere der Abbruchbedingungen erfüllt sind.
Die Batteriespannung ist ein Ergebnis des elektrochemischen Potenzials der Batterie (auch als Leerlaufspannung bezeichnet), der Konzentration von Überspannungen von Festkörper und Elektrolyt, elektrochemischer Reaktionen, kinetischer Überspannung und IR-Abfällen aufgrund von internen Zellenwiderständen. 7 zeigt ein Beispiel der Spannungsreaktion 400 unmittelbar nach Beendigung eines Ladezyklus. Die Zeit unmittelbar nach Beendigung des Ladezyklus kann als die Relaxationszeit bezeichnet werden. Die Spannungsreaktion enthält Spannungskomponenten aufgrund von verschiedenen Batterieprozessen. Einige Spannungskomponenten stehen in Bezug zu Batterie-Sicherheitsgrenzen wie Leerlaufspannung und Festkörperkonzentration-Überspannungen, während andere Komponenten minimale nachteilige Wirkungen haben.
Der hierin beschriebene Algorithmus nutzt die IR-Kompensation und gestattet der Batterie, eine Ladung im vollen Umfang ohne Schäden aufzunehmen. Wie in 7 gezeigt, besteht nach Entfernen des Ladestroms zur Zeit null 402 ein schneller Abfall der Zellenspannung 408 von V_max* 404 auf Vmax 406. Der sofortige Abfall der Zellenspannung 408 resultiert aus den Widerstandsanteilen, die schnell abgeführt werden. Der Widerstand kann von Kontakten, Elektrolyt und kinetischen Reaktionen stammen.
Über eine längere Zeitperiode fällt die Zellenspannung aufgrund der Konzentration des Äquilibrierungsprozesses in der flüssigen Phase und der Konzentrationsüberspannung in der feststofflichen Phase von Vmax 406 auf die Leerlaufspannung 410 ab. Diese Prozesse laufen langsamer ab als die widerstandsbehafteten Prozesse. Im Verlauf der Zeit wird die Zellenspannung auf die nominale Leerlaufspannung 410 abfallen.
Wenn der Ladestrom und die Ladespannung nach dem Laden entfernt werden, kann die Anschlussspannung sofort auf einen niedrigeren Spannungspegel abfallen 408. Dieser Abfall 408 beruht auf den widerstandsbehafteten Komponenten der Batteriezelle. Wenn ein niedrigerer Ladestrom bereitgestellt wird, wie bei Ladenschemen nach dem Stand der Technik, ist dieser Spannungsabfall 408 unter Umständen weniger wahrnehmbar. Nach dem anfänglichen Widerstandsabfall 408 fällt die Spannung auf die Leerlaufspannung 410 gemäß den kapazitätsähnlichen Eigenschaften der Batteriezelle. Dieser Abfall kann auf chemischen Prozessen in der Batteriezelle beruhen.
Das Verfahren gestattet schnelleres Laden von Lithiumionen-Batteriesätzen durch Erhöhen der maximalen Spannung, die beim Laden angelegt werden kann. Die höhere Spannung begründet die widerstandsbehafteten Wirkungen in der Batterie und gestattet eine dramatische Steigerung der Ladezeit der Batterie. 8 zeigt einen Graphen, der die Ladezeit des Verfahrens zum schnellen Laden im Vergleich zu einer konventionellen Ladestrategie darstellt. Die konventionelle Strategie nutzt eine Konstantstromphase 522, gefolgt von einer Konstantspannungsphase 520. Während der Konstantstromphase 522 wird ein im Allgemeinen konstanter Strom 510 zum Laden zugeführt. Die Spannung 508 steigt bis zur empfohlenen maximalen Spannung V_max 518. In die Konstantspannungsphase 520 wird eingetreten, in der die Spannung 508 bei V_max 518 gehalten wird. Während dieser Zeit nimmt der Strom 510 ab. Die Kurve des Ladungszustands 512 steigt langsam während der Konstantspannungsphase 520, während der Strom abnimmt. Das Ende des Ladens des konventionellen Schemas kann enden, wenn der gewünschte Ladungszustand erreicht ist 514.
Die Logik des schnellen Ladens ist ebenfalls abgebildet. Ein im Allgemeinen konstanter Strom 502 wird an die Batterie angelegt. Der im Allgemeinen konstante Strom 502 des Verfahrens zum schnellen Laden kann beträchtlich großer sein als der konstante Strom 510 des konventionellen Ladeverfahrens. Die Spannung 500 steigt während des Ladens und kann V_max 518 übersteigen. Das Laden kann beendet werden, wenn die Spannung auf V_max* 516 steigt. Das Laden kann zu einer Zeit 506 abgeschlossen sein, die beträchtlich kürzer ist als die konventionelle Ladezeit 514.
Die hierin offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer zugeführt/dadurch implementiert werden, die/der jede bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder dedizierte elektronische Steuereinheit enthalten kann. Gleichermaßen können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen, die von einer Steuerung oder einem Computer ausführbar sind, in vielen Formen gespeichert werden, einschließlich von, aber nicht darauf beschränkt, Informationen, die auf nicht beschreibbaren Speichermedien wie ROM-Vorrichtungen dauerhaft gespeichert sind, und Informationen, die auf beschreibbaren Speichermedien wie Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Vorrichtungen und anderen magnetischen und optischen Medien veränderbar gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem Software-ausführbaren Objekt implementiert werden. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardware-Komponenten wie anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), feldprogrammierbare Gatteranordnungen (FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderen Hardware-Komponenten oder -Vorrichtungen oder einer Kombination von Hardware-, Software- und Firmware-Komponenten verkörpert werden.
Während vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die die Patentansprüche umschließen. Die in der Patentschrift verwendeten Wörter sind Wörter der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne das Wesen und den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Wie vorher beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Während verschiedene Ausführungsformen so hätten beschrieben werden können, dass sie in Bezug auf ein oder mehrere gewünschte Kennzeichen Vorteile bereitstellen oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik bevorzugt werden, erkennen Durchschnittsfachleute im Fachgebiet an, dass ein oder mehrere Merkmale oder Kennzeichen kompromittiert werden können, um gewünschte Attribute des gesamten Systems zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängig sind. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktungsfähigkeit, Erscheinungsbild, Aufbau, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit des Zusammenbaus usw. enthalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Daher sind Ausführungsformen, die in Bezug auf ein oder mehrere Kennzeichen als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Rahmens der Offenbarung und können für besondere Anwendungen wünschenswert sein.
Es wird ferner beschrieben:

A. Batterieladesystem, umfassend: mindestens eine Steuerung, programmiert zum Erhalten des Ladens einer Batteriezelle, bis eine Zellenspannung eine empfohlene maximale Spannung um einen Betrag übersteigt, der durch einen Ladestrom und einen Batteriewiderstand definiert ist, so dass die Zellenspannung beim Laden ohne eine Konstantspannungsphase weiterhin ansteigt.
B. Ladesystem nach A, wobei der Ladestrom ein im Allgemeinen konstanter Strom ist, ausgewählt, zu bewirken, dass die Batterie Ladung bei einer im Voraus bestimmten Rate aufnimmt.
C. Ladesystem nach B, wobei die im Voraus bestimmte Rate eine 15C-Laderate ist.
D. Ladesystem nach A, wobei der Ladestrom auf einem im Allgemeinen konstanten Ladeleistungspegel basiert.
E. Ladesystem nach A, wobei die mindestens eine Steuerung ferner programmiert ist, den Batteriewiderstand zu schätzen.
F. Ladesystem nach A, wobei der Ladestrom eine Wechselstrom- bzw. AC-Komponente und eine Gleichstrom- bzw. DC-Komponente derart enthält, dass eine Größe der AC-Komponente kleiner ist als eine Größe der DC-Komponente, und die mindestens eine Steuerung ferner programmiert ist, den Batteriewiderstand basierend auf der Größe der AC-Komponente und einer AC-Spannungsgröße zu schätzen.
G. Ladesystem nach A, wobei die empfohlene maximale Spannung eine vom Batteriezellen-Hersteller definierte maximale empfohlene Spannung für eine lithiumbasierte Batteriezelle ist.
H. Ladesystem nach A, wobei die empfohlene maximale Spannung 4,2 Volt beträgt.
I. Verfahren zum Laden einer Batteriezelle, umfassend: das Laden, durch eine Steuerung, der Batteriezelle bei einem im Allgemeinen konstanten Strom, ausgewählt, zu bewirken, dass die Batteriezelle Ladung bei einer im Voraus bestimmten Rate aufnimmt, so dass eine Batteriespannung beim Laden ohne eine Konstantspannungsphase weiterhin ansteigt; und das Beenden des Ladens, wenn die Batteriespannung eine empfohlene maximale Spannung um einen Betrag, der durch den Strom und einen Batteriewiderstand definiert ist, übersteigt.
J. Verfahren nach I, wobei die im Voraus bestimmte Rate eine 15C-Laderate ist.
K. Verfahren nach I, ferner umfassend das Schätzen, durch die Steuerung, des Batteriewiderstands basierend auf einer oder mehreren Spannungs- und Strommessungen.
L. Verfahren nach I, ferner umfassend das Addieren eines Wechselstroms zu dem im Allgemeinen konstanten Strom, so dass eine Größe des Wechselstroms kleiner ist als eine Größe des im Allgemeinen konstanten Stroms, und das Schätzen, durch die Steuerung, des Batteriewiderstands basierend auf der Größe des Wechselstroms und einer Größe einer Wechselspannung.
M. Verfahren nach I, wobei die empfohlene maximale Spannung 4,2 Volt beträgt.
N. Batterieladesystem, umfassend: mindestens eine Steuerung, programmiert zum Erhalten des Ladens einer Batteriezelle bei einem im Allgemeinen konstanten Strom, ausgewählt, zu bewirken, dass die Batteriezelle Ladung bei einer im Voraus bestimmten Rate aufnimmt, und Abbrechen des Ladens, wenn eine Zellenspannung eine empfohlene maximale Spannung um einen durch den Strom und einen Batteriewiderstand definierten Betrag übersteigt, um eine unmittelbare Verringerung der Zellenspannung um ungefähr den Betrag zu bewirken.
O. Ladesystem nach N, wobei die im Voraus bestimmte Rate derart ist, dass die Batteriezelle in weniger als 5 Minuten von 0 Prozent Ladungszustand auf 100 Prozent Ladungszustand lädt.
P. Ladesystem nach N, wobei der Betrag ein Produkt des im Allgemeinen konstanten Stroms und des Batteriewiderstands ist.
Q. Ladesystem nach N, wobei die empfohlene maximale Spannung eine herstellerdefinierte maximale Spannungsgrenze für eine lithiumbasierte Batteriezelle ist.
R. Ladesystem nach N, wobei die mindestens eine Steuerung ferner zum Addieren einer Wechselstrom-Komponente zu dem im Allgemeinen konstanten Strom derart, dass eine Größe des Wechselstroms kleiner ist als eine Größe des im Allgemeinen konstanten Stroms, und zum Schätzen des Batteriewiderstands basierend auf der Größe des Wechselstroms und einer Größe einer Wechselspannung programmiert ist.
S. Ladesystem nach N, wobei die mindestens eine Steuerung ferner programmiert ist, das Laden abzubrechen, wenn eine Temperatur der Batteriezelle höher ist als eine im Voraus bestimmte Temperatur.
T. Batterieladesystem nach N, wobei die mindestens eine Steuerung ferner programmiert ist, das Laden abzubrechen, wenn die Zellenspannung die empfohlene maximale Spannung innerhalb einer im Voraus bestimmten Zeitdauer nicht um den Betrag übersteigt.

Claims

Batterieladesystem, umfassend: mindestens eine Steuerung, programmiert zum Erhalten des Ladens einer Batteriezelle, bis eine Zellenspannung eine empfohlene maximale Spannung um einen Betrag übersteigt, der durch einen Ladestrom und einen Batteriewiderstand definiert ist, so dass die Zellenspannung beim Laden ohne eine Konstantspannungsphase weiterhin ansteigt.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei der Ladestrom ein im Allgemeinen konstanter Strom ist, ausgewählt, zu bewirken, dass die Batterie Ladung bei einer im Voraus bestimmten Rate aufnimmt.
Ladesystem nach Anspruch 2, wobei die im Voraus bestimmte Rate eine 15C-Laderate ist.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei der Ladestrom auf einem im Allgemeinen konstanten Ladeleistungspegel basiert.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Steuerung ferner programmiert ist, den Batteriewiderstand zu schätzen.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei der Ladestrom eine Wechselstrom- bzw. AC-Komponente und eine Gleichstrom- bzw. DC-Komponente derart enthält, dass eine Größe der AC-Komponente kleiner ist als eine Größe der DC-Komponente, und die mindestens eine Steuerung ferner programmiert ist, den Batteriewiderstand basierend auf der Größe der AC-Komponente und einer AC-Spannungsgröße zu schätzen.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei die empfohlene maximale Spannung eine vom Batteriezellen-Hersteller definierte maximale empfohlene Spannung für eine lithiumbasierte Batteriezelle ist.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei die empfohlene maximale Spannung 4,2 Volt beträgt.