DE102015200730A1

DE102015200730A1 - Battery-charging method

Info

Publication number: DE102015200730A1
Application number: DE102015200730.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2016-07-21
Also published as: WO2016116437A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ladeverfahren für mindestens eine wiederaufladbare Zeile mit folgenden Schritten: Pulsförmiges Teilladen der Zelle und Fortsetzen des Ladens der Zelle mit einem nicht-pulsierenden Strom auf einem konstanten Spannungslevel.The invention relates to a charging method for at least one rechargeable line, comprising the steps of: pulse-dividing the cell and continuing to charge the cell with a non-pulsating current at a constant voltage level.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren Zelle.The invention relates to a method for charging a rechargeable cell.

Ladeverfahren für wiederaufladbare Zellen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise ist aus US 7,564,222 B2 ein Pulsladeverfahren zum Schnellladen von Bleibatterien bekannt. Im Zuge der Elektrifizierung, insbesondere im Bereich der E-Mobilität, werden Ladeverfahren benötigt, mit welchen Batterien innerhalb kurzer Zeit wiederaufgeladen werden können. Die gegenwärtige Akzeptanz insbesondere für Elektroautos ist noch gering, da nach einer kurzer Reichweite eine längere Pause zum Wiederaufladen der Batterie eingelegt werden muss.Rechargeable cell charging methods are known in the art. For example, it is off US 7,564,222 B2 a pulse charging method for fast charging of lead acid batteries known. In the course of electrification, especially in the field of e-mobility, charging methods are needed, with which batteries can be recharged within a short time. The current acceptance, especially for electric cars is still low because after a short distance a longer break for recharging the battery must be inserted.

Insbesondere bei der Elektromobilität spielen die in obiger Patentschrift genannten Bleiakkus eine untergeordnete Rolle, da hier insbesondere aufgrund ihrer chemischen und elektrischen Eigenschaften auf Lithiumionen- oder Lithiumpolymerakkus gesetzt wird. Die von den Bleiakkus bekannten Ladeverfahren sind jedoch aufgrund der unterschiedlichen chemischen Eigenschaften der Batterien nicht auf die in der Elektromobilität verwendeten Batterien übertragbar.Particularly in the case of electromobility, the lead batteries mentioned in the above patent play a subordinate role, since lithium or lithium polymer batteries are used here, in particular because of their chemical and electrical properties. However, the charging methods known from lead-acid batteries are not transferable to the batteries used in electromobility because of the different chemical properties of the batteries.

Das derzeit gängige Verfahren zum Laden von Batterien ist als so genanntes CC-CV-Verfahren bekannt. Dabei wird zunächst die Batterie mit einem konstanten Strom (constant current) und anschließend mit einer konstanten Spannung (constant voltage) geladen.The currently common method of charging batteries is known as the so-called CC-CV method. First, the battery is charged with a constant current (constant current) and then with a constant voltage.

Ein weiterer Aspekt der Elektromobilität besteht in der derzeit nur unzureichenden Lebensdauer der Batterien. Daher stellen die in der Elektromobilität verwendeten Batterien einen maßgeblichen Kostenfaktor für ein Elektromobil dar. Müssen darüber hinaus die Batterien im Laufe eines Lebenszyklus des Elektromobils erneuert werden oder nimmt die Kapazität und somit die Reichweite des Elektromobils über die Lebensdauer ab, so sinkt die Akzeptanz derartiger Fahrzeuge weiter.Another aspect of electromobility is the currently inadequate battery life. Therefore, the batteries used in electromobility are a significant cost factor for a scooter. In addition, the batteries must be renewed in the course of a life cycle of the scooter or decreases the capacity and thus the range of the scooter over the life, so decreases the acceptance of such vehicles further.

Es besteht somit die Aufgabe, ein Ladeverfahren bereitzustellen, mit welchem insbesondere auch lithiumbasierte Batterien in einfacher Weise schnell geladen werden können und dabei die Lebensdauer der Batterien optimiert wird.It is therefore the object to provide a charging method with which in particular lithium-based batteries can be quickly charged in a simple manner and thereby the life of the batteries is optimized.

Die Erfindung wird durch ein Ladeverfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst, weitere bevorzugte Ausbildungen des Ladeverfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.The invention is solved by a charging method having the features according to claim 1, further preferred embodiments of the charging method can be found in the subclaims.

Bei einem erfindungsgemäßen Ladeverfahren für eine wiederaufladbare Zelle erfolgt in einem ersten Schritt ein pulsförmiges Teilladen der Zelle. In einem zweiten Schritt wird das Laden der Zelle mit einem nichtpulsierenden Strom auf einem konstanten Spannungslevel fortgesetzt. Somit besteht das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen aus zwei Schritten: einem ersten pulsförmigen Laden und einem sich daran anschließenden sogenannten CV-Laden.In a charging method according to the invention for a rechargeable cell, in a first step, a pulse-shaped partial charging of the cell takes place. In a second step, the cell is charged with a non-pulsating current at a constant voltage level. Thus, the method according to the invention consists essentially of two steps: a first pulse-shaped charging and a subsequent so-called CV charging.

Vorzugsweise wird während des Ladevorganges der Ladezustand der Zelle überwacht. Der Ladezustand wird üblicherweise als SoC (State of Charge) in Prozent angegeben. Der SoC ist dabei nicht direkt bestimmbar, sondern wird auf Basis von indirekten Messungen geschätzt bzw. bestimmt. Zur Bestimmung des SoC stehen chemische, spannungsabhängige, stromintegrative, druckabhängige und zellenimpedanzabhängige Verfahren zur Verfügung.Preferably, the state of charge of the cell is monitored during the charging process. The state of charge is usually specified as SoC (State of charge) in percent. The SoC is not directly determinable, but is estimated or determined on the basis of indirect measurements. To determine the SoC, chemical, voltage-dependent, current-integrative, pressure-dependent and cell impedance-dependent methods are available.

Weiter vorzugweise wird der Schritt a) des Ladeverfahrens, d. h. das pulsförmige Teilladen der Zelle, mit Erreichen einer Grenzspannung beendet. Die Grenzspannung ist insbesondere zellenabhängig und entspricht vorzugsweise der Nennspannung der Zelle oder einem vordefinierten Offset oberhalb der Nennspannung. Beispielsweise liegt die Grenzspannung 50 mV oberhalb der Nennspannung der wiederaufladbaren Zelle.Further preferably, the step a) of the charging process, i. H. the pulse-shaped partial charge of the cell, when reaching a limit voltage stops. The threshold voltage is in particular cell-dependent and preferably corresponds to the nominal voltage of the cell or a predefined offset above the rated voltage. For example, the threshold voltage is 50 mV above the rated voltage of the rechargeable cell.

Vorzugsweise legt der durchschnittliche Ladestrom während des pulsförmigen Teilladens in Schritt a) bei 4C bis 6C, insbesondere bei 5C. Die Referenzrate 1C stellt dabei den Strom dar, mit welchem die Zelle innerhalb einer Stunde komplett geladen bzw. entladen wird. Bei einem durchschnittlichen Strom von 5C beträgt somit die Ladezeit einer Zelle ein Fünftel, d. h. 12 Minuten.Preferably, the average charging current during the pulse-shaped partial charging in step a) at 4C to 6C, in particular at 5C. The reference rate 1C represents the current with which the cell is completely charged or discharged within one hour. Thus, for an average current of 5C, the charge time of a cell is one-fifth, that is, one cell. H. 12 minutes.

Der maximale Ladestrom während des Pulsladeschrittes ist dabei vom Pulsverhältnis, d. h. dem Verhältnis von Ladepuls zu Ladepause, abhängig. Das Pulsverhältnis liegt vorzugsweise im Bereich von 1:1 bis 1:3. Bei einem Pulsverhältnis von 1:1 entspricht die Dauer des Ladepulses der Dauer der Ladepause. Bei einem Pulsverhältnis von 1:3 ist die Ladepause dreimal so lang wie der Ladepuls. Bei einem durchschnittlichen Ladestrom von 5C und einem Pulsverhältnis von 1:1 entspricht somit der maximale Ladestrom eines rechteckförmigen Ladepulses 10C. Die Dauer der Ladepause ist insbesondere von der Art der zu ladenden Zelle bzw. des Zellenpacks sowie von den technischen Randbedingungen im Einbauzustand selbiger abhängig. Vorzugsweise liegt die Dauer der Ladepause im Bereich von 0,1 bis 60 Sekunden, insbesondere bei 1 bis 10 Sekunden.The maximum charging current during the pulse charging step is the pulse ratio, d. H. the ratio of charge pulse to charge break, depending. The pulse ratio is preferably in the range of 1: 1 to 1: 3. With a pulse ratio of 1: 1, the duration of the charge pulse corresponds to the duration of the charge break. With a pulse ratio of 1: 3, the charge break is three times as long as the charge pulse. With an average charging current of 5C and a pulse ratio of 1: 1 thus corresponds to the maximum charging current of a rectangular charging pulse 10C. The duration of the charge break depends in particular on the type of cell or cell pack to be charged and on the technical boundary conditions in the installed state. Preferably, the duration of the charge break is in the range of 0.1 to 60 seconds, in particular 1 to 10 seconds.

Der Ladepuls ist beispielsweise als Rechteckfunktion ausbildbar. Es sind jedoch auch davon abweichende Ladepulsfunktionen wie beispielsweise eine Sägezahnfunktion oder dergleichen abbildbar.The charging pulse can be formed, for example, as a rectangular function. But they are also of it deviating charging pulse functions such as a sawtooth or the like can be mapped.

Im Schritt b), d. h. während des Ladens mit konstanter Spannung, übersteigt der Ladestrom vorzugsweise einen Wert von 4C nicht, d. h. der Ladestrom ist insbesondere auf 4C begrenzt.In step b), d. H. during charging at a constant voltage, the charging current preferably does not exceed 4C, that is, 4C. H. the charging current is limited in particular to 4C.

Ein weiterer Aspekt für die Lebensdauer von Batterien ist eine Grenztemperatur, welche beim Laden nicht überschritten werden soll. Andernfalls wird die Kapazität der Batterie reduziert oder die Zelle sogar zerstört. Diese Grenztemperatur variiert je nach Zellentyp und liegt bei lithiumbasierten Batterien im Bereich von ca. 45°. Vorzugsweise wird deshalb während des Ladevorgangs die Zellentemperatur überwacht. Bei lithiumbasierten Zellen wäre beispielsweise eine Grenztemperatur von etwa 45° angegeben. Somit werden insbesondere bei Überschreitung der Grenztemperatur die Variablen des Ladevorgangs, d. h. das Pulsladeprofil, die Dauer des Ladepulses, die Dauer der Ladepause und/oder der maximale Ladestrom angepasst. Beispielsweise wird das Pulsladeverhältnis durch eine Verlängerung der Ladepausen verkleinert. Bevorzugt bleibt bei einer Verlängerung der Ladepause der Ladestrom während des Ladepulses, insbesondere auch der maximale Ladestrom, konstant. Es liegt also ein vorzugsweise konstanter maximaler Ladestrom während des Pulsladeverfahrens in Schritt a) vor. Durch eine Anpassung der Variablen des Ladeverfahrens wird eine Zellentemperatur vermieden, bei welcher die Zelle dauerhaft geschädigt werden würde.Another aspect for the life of batteries is a limit temperature, which should not be exceeded when charging. Otherwise, the capacity of the battery is reduced or the cell even destroyed. This limit temperature varies depending on the cell type and is about 45 ° for lithium-based batteries. Preferably, therefore, the cell temperature is monitored during the charging process. For lithium-based cells, for example, a limit temperature of about 45 ° would be specified. Thus, especially when the limit temperature is exceeded, the variables of the charging process, i. H. the pulse charging profile, the duration of the charging pulse, the duration of the charge break and / or the maximum charging current adjusted. For example, the pulse charging ratio is reduced by extending the charging pauses. Preferably, when the charge break is extended, the charge current during the charge pulse, in particular the maximum charge current, remains constant. Thus, there is a preferably constant maximum charging current during the pulse charging process in step a). By adjusting the variables of the charging process, a cell temperature is avoided in which the cell would be permanently damaged.

Das zuvor beschriebene Ladeverfahren ist nicht auf das Laden einer einzelnen Zelle beschränkt. Vielmehr besteht die Möglichkeit, dass die zuvor beschriebene Zelle Teil eines Zellenpacks, insbesondere eines Mehrzellenakkumulators, d. h. einer Sekundärbatterie, ist. In diesem Mehrzellenakkumulator ist die Zelle vorzugsweise in Reihen- und/oder Parallelschaltung mit zumindest einer weiteren Zelle angeordnet. Bei einem Mehrzellenakkumulator werden vorzugsweise der Ladezustand und/oder die Zellentemperatur für jede Zelle oder für eine Gruppe von Zellen einzeln überwacht. Entsprechend den daraus gewonnenen Werten werden die Parameter des Ladeverfahrens für jede Zelle bzw. für jede Gruppe von Zellen einzeln geregelt. Dadurch wird die Ladezeit für das Laden des gesamten Mehrzellenakkumulators optimiert, ohne dabei einzelne Zellen oder den gesamten Akkumulator zu schädigen.The charging method described above is not limited to charging a single cell. Rather, there is the possibility that the cell described above is part of a cell pack, in particular a multi-cell accumulator, d. H. a secondary battery is. In this multi-cell accumulator, the cell is preferably arranged in series and / or parallel connection with at least one further cell. In a multi-cell accumulator, preferably, the state of charge and / or the cell temperature are individually monitored for each cell or for a group of cells. In accordance with the values obtained therefrom, the parameters of the charging process are regulated individually for each cell or for each group of cells. This optimizes the charging time for charging the entire multi-cell battery without damaging individual cells or the entire battery.

Bei der zu ladenden Zelle handelt es sich vorzugsweise um eine wiederaufladbare Zelle auf Lithiumbasis, insbesondere auf Lithiumionenbasis. Beispielsweise ist das Ladeverfahren auf Lithiumpolymer-Zellen, Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen, Lithium-Titanat-Zellen oder auch Lithium-Schwefel-Zellen anwendbar. Darüber hinaus ist das zuvor beschriebenen Ladeverfahren auch auf herkömmliche Bleizellen oder Nickelmetallhybridzellen anwendbar.The cell to be charged is preferably a lithium-based rechargeable cell, in particular a lithium ion-based cell. For example, the charging method is applicable to lithium polymer cells, lithium iron phosphate cells, lithium titanate cells or even lithium sulfur cells. Moreover, the charging method described above is also applicable to conventional lead cells or nickel metal hybrid cells.

Der Schritt des Pulsladeverfahrens hat gegenüber den bekannten Ladeverfahren den Vorteil, dass es insbesondere bei lithiumbasierten Zellen zu einer Verminderung des so genannten Plating an der Anode kommt. Dadurch können größere Spannungen beim Laden angelegt werden bzw. ein Laden kann mit einem Vielfachen von C durchgeführt werden, ohne dass dies zu einer verkürzten Lebensdauer der Batterie führt. Es ist jedoch zu beachten, dass bei hohen Ladenströmen auch schneller die Nennspannung erreicht wird, welche nicht stärker als um ca. 50 mV überschritten werden darf. Würde nun während der Phase konstanter Spannung die Stromstärke kontinuierlich reduziert, aber dennoch ein Pulsladen realisiert, so wäre dies nachteilig, da die einzuhaltenden Pausen zwischen den Ladepulsen zu einer möglicherweise unattraktiven längeren Ladezeit führen würde. Das Plating kann auch dadurch verhindert beziehungsweise vermindert werden, wenn während der Phase konstanter Spannung der Strom nicht pulsierend zugeführt wird, aber relativ zügig reduziert wird. Somit kann der Nachteil beim Übergang zu einem Laden mit konstanter Spannung insbesondere beim Erreichen der Nennspannung der Batterie kompensiert werden.The step of the pulse charging method has the advantage over the known charging methods that, in particular in the case of lithium-based cells, there is a reduction in the so-called plating at the anode. As a result, larger voltages can be applied during charging or charging can be performed with a multiple of C, without this resulting in a shortened battery life. However, it should be noted that at high charging currents, the rated voltage is reached faster, which may not be exceeded by more than approx. 50 mV. If the current intensity were continuously reduced during the constant voltage phase, but nevertheless realized a pulse charging, then this would be disadvantageous because the pauses to be kept between the charging pulses would lead to a possibly unattractive longer charging time. The plating can also be prevented or reduced if, during the phase of constant voltage, the current is not supplied pulsatingly, but is reduced relatively quickly. Thus, the disadvantage of the transition to a constant-voltage charging can be compensated, in particular when the nominal voltage of the battery is reached.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren. Dabei zeigt:Further features and advantages of the invention will become apparent from the embodiments described below in conjunction with the figures. Showing:

1: ein Diagramm eines ersten erfindungsgemäßen Ladeverfahrens; und 1 a diagram of a first loading method according to the invention; and

2: ein Diagramm eines zweiten erfindungsgemäßen Ladeverfahrens. 2 a diagram of a second charging method according to the invention.

In 1 ist ein idealer Ladevorgang einer Lithiumionen-Zelle gezeigt. In dem Diagramm sind die Kennwerte Ladestrom I, Ladespannung U und Ladezustand SoC über der Zeit aufgetragen. In einem ersten Zeitabschnitt 1 erfolgt ein pulsförmiges Teilladen der Zelle gemäß Schritt a). Das Pulsverhältnis beträgt 1:1, und der maximale Ladestrom beträgt 10C. Daraus ergibt sich ein durchschnittlicher Ladestrom von 5C. Im Punkt 2 ist die Nennspannung der Batterie erreicht, was etwa einem Ladezustand von 80% SoC entspricht. Bei Erreichen dieses Zustandes wird von einem Pulsladeverfahren in ein Laden mit konstanter Spannung umgeschaltet, bis die Zelle einen SoC von 100% erreicht hat. Danach wird in einen Ladungserhaltungsmodus umgeschaltet, welcher in der 1 nicht gezeigt ist.In 1 an ideal charging process of a lithium ion cell is shown. In the diagram, the characteristic values charging current I, charging voltage U and state of charge SoC are plotted over time. In a first period of time 1 there is a pulse-shaped partial loading of the cell according to step a). The pulse ratio is 1: 1, and the maximum charging current is 10C. This results in an average charge current of 5C. In the point 2 is reached the rated voltage of the battery, which corresponds approximately to a state of charge of 80% SoC. When this condition is reached, it is switched from a pulsed charge process to a constant voltage charge until the cell reaches 100% SoC. Thereafter, it is switched to a charge retention mode, which in the 1 not shown.

In 2 ist ein Ladevorgang gezeigt, bei welchem darüber hinaus die Zellentemperatur T gemessen wird. Um eine kritische Zellentemperatur von 43° nicht zu überschreiten, wird im Bereich 4 der maximale Ladestrom reduziert, ohne dabei das Pulsverhältnis sowie die Pulsdauer anzupassen. Im Bereich 5 wird darüber hinaus das Pulsverhältnis durch Verkürzung des Ladepulses und Verlängerung der Ladepause verkleinert. Bei Erreichen der Innenspannung der Zelle im Punkt 2 wird ebenfalls auf ein Laden mit konstanter Spannung gemäß Schritt b) umgeschaltet.In 2 a charging process is shown in which, moreover, the cell temperature T is measured. To a critical cell temperature of 43 ° not to exceed, is in the field 4 the maximum charging current is reduced, without adjusting the pulse ratio and the pulse duration. In the area 5 In addition, the pulse ratio is reduced by shortening the charge pulse and extending the charge break. Upon reaching the internal voltage of the cell in the point 2 is also switched to a constant voltage charging in step b).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7564222 B2 [0002]

Claims

Charging method for at least one rechargeable cell, comprising the following steps: a) Pulse-shaped partial loading of the cell and b) Continue charging the cell with a non-pulsating current at a constant voltage level.

Loading method according to claim 1, characterized in that the state of charge of the cell (SoC) is monitored during the charging process.

Charging method according to claim 1 or 2, characterized in that step a) is terminated upon reaching a threshold voltage which corresponds to the rated voltage or a predefined voltage above the rated voltage of the rechargeable cell.

Charging method according to claim 3, characterized in that the limit voltage is 50 mV above the rated voltage.

Loading method according to one of the preceding claims, characterized in that the average charging current in step a) 4C to 6C, in particular 5C.

Loading method according to one of the preceding claims, characterized in that in step a), the pulse ratio of charge pulse to charge break in the range of 1: 1 to 1: 3, in particular 1: 1.

Loading method according to one of the preceding claims, characterized in that the charging current in step b) 4C does not exceed.

Loading method according to one of the preceding claims, characterized in that the cell temperature is monitored during the charging process.

Loading method according to one of the preceding claims, characterized in that when exceeding a limit temperature of the cell, in particular of 45 ° C, the pulse ratio is reduced by extending the charging pauses.

Loading method according to claim 9, characterized in that during the charging pulses in step a) the charging current remains constant.

Loading method according to claim 10, characterized in that the cell is arranged in series and / or parallel connection with further cells as part of a Mehrzellenakkumulators.

Loading method according to one of claims 1 to 8, characterized in that in each of the cells, the state of charge (SoC) and / or the cell temperature are monitored individually.

Loading method according to claim 11 or 12, characterized in that the parameters of the charging method are regulated individually for each cell.

Loading method according to one of the preceding claims, characterized in that the rechargeable cell is lithium-based, in particular lithium ion-based.