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Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System, das einen aufladbaren elektrischen Energiespeicher und eine Ladeeinrichtung für den Energiespeicher umfasst.
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Stand der Technik
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Ein elektrisches Handwerkzeug, beispielsweise ein Akkuschrauber, eine Taschenlampe oder eine elektrische Rasenkantenschere, bezieht die für seinen Betrieb erforderliche elektrische Energie aus einem aufladbaren elektrischen Energiespeicher. Der Energiespeicher kann beispielsweise als sogenanntes Akkupack vom Gerät entfernt werden, um ein unterbrechungsfreies Arbeiten zu ermöglichen, wenn ein elektrischer Energiespeicher erschöpft ist. Der entleerte Energiespeicher kann dann an einer Ladeeinrichtung wieder aufgeladen werden. Die Aufladung kann auch innerhalb des elektrischen Handwerkzeugs erfolgen.
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Es ist erwünscht, den elektrischen Energiespeicher möglichst rasch aufzuladen, um ihn einer weiteren Verwendung an einem elektrischen Gerät zuführen zu können. Insbesondere dann, wenn mehrere elektrische Geräte mit einem oder mehreren baugleichen elektrischen Energiespeichern verwendet werden können, kann es von kritischer Bedeutung sein, den Energiespeicher rasch wieder aufladen zu können. Neben den offensichtlichen Vorteilen der verbesserten Auslastung, der leichteren Handhabung kann auch vermieden werden, dass eine größere Menge elektrischer Energiespeicher auf einen Aufladevorgang an der Ladeeinrichtung warten müssen.
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DE 38 34 003 A1 betrifft ein Verfahren zur Wiederaufladung von Batterien sowie ein Ladegerät zur Durchführung des Verfahrens.
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DE 102 54 226 A1 betrifft eine Batteriesäule, die als Leistungsversorgung für eine tragbare Vorrichtung verwendet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur Aufladung des elektrischen Energiespeichers bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Systems mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein System umfasst einen aufladbaren elektrischen Energiespeicher mit einer vorbestimmten Nennkapazität und einer vorbestimmten Maximalkapazität, wobei die Maximalkapazität über der Nennkapazität liegt, und eine Ladeeinrichtung zur Steuerung eines Aufladevorgangs des Energiespeichers. Dabei ist die Ladeeinrichtung dazu eingerichtet, den Energiespeicher aufzuladen, bis die in ihm gespeicherte Energiemenge der Nennkapazität entspricht, und dann ein Ladeende zu bestimmen.
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Der Energiespeicher wird mittels der Ladeeinrichtung nur auf einen Bruchteil seiner Maximalkapazität, nämlich bis zu seiner Nennkapazität aufgeladen. Die Nennkapazität erlaubt es einem Benutzer, die Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers einzuschätzen und den Energiespeicher mit anderen Energiespeichern zu vergleichen. Durch das Verzichten auf das Aufladen des elektrischen Energiespeichers bis zur Maximalkapazität kann ein signifikanter Anteil der Ladezeit des Energiespeichers eingespart werden. Die Nennkapazität kann beispielsweise so gewählt sein, dass bei einem üblichen Ladeverfahren der Zuwachs an gespeicherter elektrischer Energie über die Zeit bis zum Erreichen der Nennkapazität linear verläuft. Würde der elektrische Energiespeicher anschließend weiter geladen, bis die in ihm gespeicherte elektrische Energie seine Maximalkapazität ausfüllt, so wäre der Zusammenhang zwischen gespeicherter Energie und Ladedauer nicht linear, sondern im Allgemeinen logarithmisch. Durch die Beschränkung des Aufladens auf die Nennkapazität kann die Ladezeit um bis zu mehrere 10% verkürzt werden.
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Bevorzugterweise ist die Ladeeinrichtung dazu eingerichtet, den Aufladevorgang des Energiespeichers bei Ladeende zu beenden. Unabhängig davon kann das Ladeende nach außen signalisiert werden, beispielsweise durch ein Licht- oder Tonsignal. Durch das Beenden des Aufladevorgangs bei Ladeende kann sichergestellt werden, dass der elektrische Energiespeicher nicht mehr elektrische Energie bereitstellen kann als seine Nennkapazität angibt. Die Vergleichbarkeit der Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers kann dadurch gesichert sein.
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In einer Ausführungsform ist die Ladeeinrichtung dazu eingerichtet, den Energiespeicher mit einem konstanten Strom aufzuladen, bis seine Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht. Dieses Ladeverfahren wird auch Konstantstrom-Verfahren (constant current) genannt. Der vorbestimmte Schwellenwert ist üblicherweise durch die Bauart des elektrischen Energiespeichers bestimmt und beträgt üblicherweise eine festgelegte Maximalspannung, die er bei Aufladung bis zur Maximalkapazität erreichen kann. Der feste Bruchteil kann beispielsweise bei ca. 80 bis 90% liegen. Der vorbestimmte Strom kann auf der Basis der Maximalkapazität des Energiespeichers bestimmt sein. Unmittelbar nach dem Erreichen des vorbestimmten Schwellenwerts durch die Spannung des Energiespeichers kann das Ladeende bestimmt werden.
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Dazu wird bevorzugterweise ein Energiespeicher verwendet, bei dem die an ihm anliegende Spannung als Maß für die in ihm gespeicherte Energiemenge verwendbar ist. Derartige Energiespeicher können beispielsweise Nickelmetallhydrid oder Lithium-Ionen-Akkus umfassen. Andere Batterietechnologien können ebenfalls verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Ladeeinrichtung dazu eingerichtet, den Energiespeicher anschließend, also nach der Aufladung mittels eines konstanten Stroms, an einer vorbestimmten Spannung weiter zu laden, bis der durch den Energiespeicher fließende Strom auf einen vorbestimmten Wert abgefallen ist. Der vorbestimmte Wert kann ebenfalls durch die Bauart des elektrischen Energiespeichers vorgegeben sein. Diese Ladestrategie wird auch als Konstantspannungs-Ladung (constant voltage) bezeichnet. In Kombination mit einem zeitlich davorgeschalteten Konstantstrom-Verfahren, wie es oben beschrieben wurde, ergibt sich ein Konstantstrom-Konstantspannungs-Verfahren (constant current, constant voltage: CCCV). Dabei ist nach vorliegender Technik zu beachten, dass das Konstantspannungs-Verfahren nur so weit durchgeführt wird, wie bis zum Erreichen der Nennkapazität erforderlich ist. In einem vollständigen CCCV-Verfahren bis zum Erreichen der Maximalkapazität erfolgt typischerweise eine Konstantstromladung über ca. 50 bis 70% der Ladezeit, bevor auf das Konstantspannungsverfahren umgeschaltet wird. Es wird vorgeschlagen, die Nennkapazität so zu wählen, dass sie entweder am Umschaltpunkt zwischen Konstantstrom- und Konstantspannungs-Verfahren bei einem üblichen CCCV-Verfahren liegt oder kurz dahinter. Das Konstantspannungs-Verfahren wird bevorzugterweise über nicht mehr als ca. 5 bis 10% der gesamten Ladezeit verwendet.
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Bei Verwendung des Konstantspannungs-Verfahrens ist bevorzugt, dass der durch den Energiespeicher fließende Strom als Maß für die in ihm gespeicherte Energiemenge verwendbar ist. Bei üblichen elektrischen Energiespeichern, beispielsweise des Nickelmetallhydrid- oder Lithiumionen-Typs ist dieser Zusammenhang gegeben. Je geringer der Ladestrom während des Konstantspannungs-Verfahrens ist, desto näher liegt die Menge der im elektrischen Energiespeicher gespeicherten Energie an der Maximalkapazität.
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Es ist besonders bevorzugt, dass die Maximalkapazität um mindestens 10% über der Nennkapazität liegt. Je nach Typ und Maximalkapazität des elektrischen Energiespeichers können beispielsweise 90% der Maximalkapazität nach ca. 50 bis 70% der Ladezeit nach dem CCCV-Verfahren erreicht werden. Durch das – weitgehende – Verzichten auf das Konstantspannungs-Verfahren kann also bereits bei geringen Abstrichen bei der Nennkapazität gegenüber der Maximalkapazität eine substanzielle Einsparung von Ladezeit erzielt werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Ladeeinrichtung mit dem elektrischen Energiespeicher in einer separat handhabbaren Einheit integriert ausgeführt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der elektrische Energiespeicher nicht über die Nennkapazität hinaus aufgeladen wird, sodass die Handhabbarkeit und Vergleichbarkeit des elektrischen Energiespeichers sichergestellt sein können.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 ein System mit einem elektrischen Energiespeicher und einer Ladeeinrichtung;
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2 ein System nach 1 in einer weiteren Ausführungsform;
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3 ein Ladediagramm eines elektrischen Energiespeichers bei der Schnellladung; und
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4 ein Ladediagramm eines elektrischen Energiespeichers bei der Normalladung
darstellt.
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Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt ein System 100 mit einem elektrischen Energiespeicher 105 und einer Ladeeinrichtung 110. Der Energiespeicher 105 kann von der Ladeeinrichtung 110 trennbar oder integriert mit ihr ausgeführt sein. Der Energiespeicher 105 umfasst bevorzugterweise mehrere gleichartige Zellen einer bekannten Akkutechnologie, beispielsweise Lithium-Ionen oder Metallhydrid. Derartige Energiespeicher 105 sind beispielsweise unter der Bezeichnung "Akkupack" erhältlich. Auf den inneren Aufbau des Energiespeichers 105 wird hier nicht näher eingegangen.
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Die Ladeeinrichtung 110 kann üblicherweise mit einer externen Energiequelle verbunden werden, die hier nicht dargestellt ist. Diese Energiequelle kann beispielsweise ein Stromnetz oder ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs umfassen. Die Ladeeinrichtung 110 ist dazu eingerichtet, den elektrischen Energiespeicher 105 bis zu einer Nennkapazität aufzuladen, die signifikant unter einer Maximalkapazität des Energiespeichers 105 liegt. Die Maximalkapazität gibt dabei an, wie viel elektrische Energie im Energiespeicher 105 bereitgestellt werden kann, ohne den Energiespeicher 105 substanziell zu schädigen. Die Nennkapazität beträgt nur einen Teil der Maximalkapazität, beispielsweise höchstens 90% und weiter bevorzugt höchstens 80% der Maximalkapazität.
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Die Ladeeinrichtung 110 kann dazu eingerichtet sein, eines von unterschiedlichen Ladeverfahren oder auch mehrere unterschiedliche Ladeverfahren nacheinander durchzuführen. Dabei bestimmt sie, ob die im Energiespeicher 105 bereitgestellte elektrische Energie der Nennkapazität entspricht bzw. diese erreicht und erfasst dadurch ein Ladeende. Bei Erreichen des Ladeendes kann die Ladeeinrichtung 110 mittels einer Schnittstelle 115 ein Signal ausgeben, das auf das Ladeende hinweist. Das Signal kann beispielsweise optisch und/oder akustisch sein. Zusätzlich oder alternativ kann bei Erreichen des Ladeendes das weitere Aufladen des Energiespeichers 105 beendet werden. Dazu kann insbesondere der Energiespeicher 105 an wenigstens einem Anschluss von weiteren Elementen der Ladeeinrichtung 110 elektrisch getrennt werden.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die Ladeeinrichtung 110 dazu eingerichtet, ein Konstantstrom-Ladeverfahren (constant current, CC) durchzuführen. Dazu umfasst die Ladeeinrichtung 110 eine Stromquelle 120 zur Bereitstellung eines Konstantstroms. Die Größe des Konstantstroms kann insbesondere von der Maximalkapazität des Energiespeichers 105 abhängig sein. Der Konstantstrom kann beispielsweise der Kapazität des Energiespeichers 105 geteilt durch die Zeit entsprechen, sodass ein Energiespeicher 105 mit einer Maximalkapazität von 4 Ah mit einem Konstantstrom von 4 A geladen werden kann. Andere Konstantströme sind ebenfalls möglich.
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Die Ladeeinrichtung 110 umfasst ferner einen Vergleicher 125, der dazu eingerichtet ist, eine an den Anschlüssen des elektrischen Energiespeichers 105 anliegende elektrische Spannung mit einem vorbestimmten Wert zu vergleichen. Je höher die Spannung des Energiespeichers 105 ist, desto größer ist die in ihm gespeicherte elektrische Energie. Bei Erreichen des vorbestimmten Werts ist die im Energiespeicher 105 gespeicherte Energiemenge so groß wie seine Nennkapazität. Dabei ist der vorbestimmte Wert als Schwellenwert vorbestimmt und dem Energiespeicher 105 zugeordnet. Der Wert kann insbesondere eine maximale Leerlaufspannung des Energiespeichers 105 umfassen. Durch das Erreichen des vorbestimmten Werts durch die Spannung des Energiespeichers 105 wird das Ladeende bestimmt, woraufhin, wie oben beschrieben ist, ein Signal über die Schnittstelle 115 ausgegeben werden und/oder das weitere Laden des Energiespeichers 105 eingestellt werden können. Das Signal kann an eine Bedienperson oder eine Verarbeitungseinrichtung gerichtet sein.
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2 zeigt ein System 100 nach 1 in einer weiteren Ausführungsform. Hier ist die Ladeeinrichtung 110 dazu eingerichtet, statt des oben mit Bezug auf 1 beschriebenen Konstantstrom-Verfahrens ein Konstantspannungs-Verfahren (constant voltage, CV) durchzuführen. Dazu umfasst die Ladeeinrichtung 110 eine Spannungsquelle 205, die eine Konstantspannungsquelle ist. Die Spannung der Spannungsquelle 205 entspricht üblicherweise der Spannung, die sich am Energiespeicher 105 einstellt, wenn dieser bis zum Erreichen seiner Maximalkapazität aufgeladen ist. Zum Bestimmen eines Ladeendes wird der durch den Energiespeicher 105 fließende Strom überwacht, beispielsweise anhand des Spannungsabfalls an einem Längswiderstand (shunt) 210, der in eine Zuleitung des Energiespeichers 105 eingeschleift ist. Diese Spannung wird mithilfe des Vergleichers 125 mit einem vorbestimmten Wert verglichen. Je größer die im Energiespeicher 105 gespeicherte Energiemenge ist, desto kleiner ist der durch ihn fließende Strom, während er mit der Konstantspannungsquelle 205 verbunden ist. Der Vergleicher 125 bestimmt daher das Ladeende, sobald die von ihm überwachte Spannung kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist. Bei Erreichen des Ladeendes kann wieder eine der oben mit Bezug auf 1 beschriebenen Aktionen durchgeführt werden.
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Die Ladeeinrichtung 110 kann auch dazu eingerichtet sein, beide Ladeverfahren der 1 und 2 durchzuführen. Dabei wird bevorzugterweise zunächst das Konstantstrom-Verfahren von 1 und dann optional noch über eine kurze Zeit das Konstantspannungs-Verfahren nach 2 durchgeführt. Unabhängig von der verwendeten Ladestrategie ist es Ziel der Ladeeinrichtung 110, den elektrischen Energiespeicher 105 nicht weiter aufzuladen als bis die in ihm gespeicherte Energiemenge seiner Nennkapazität entspricht.
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In einer weiteren Ausführungsform kann nach dem Erreichen der Nennkapazität der Energiespeicher 105 noch weiter geladen werden, maximal bis zum Erreichen seiner Maximalkapazität.
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3 zeigt ein beispielhaftes Ladediagramm eines elektrischen Energiespeichers 105 während einer Schnellladung in horizontaler Richtung ist eine Zeit im Minuten angetragen; in vertikaler Richtung ein Strom, eine Spannung und eine Kapazität. Ein erster Verlauf 305 zeigt eine Spannung am Energiespeicher 105, ein zweiter Verlauf 310 einen Strom durch den Energiespeicher 105 und ein dritter Verlauf 315 eine Kapazität des Energiespeichers 105 bzw. die Menge der im Energiespeicher 105 bereitgestellten Energie an. Die exemplarische Darstellung von 3 bezieht sich auf einen Energiespeicher 105 mit einer Maximalkapazität von 3,3 Ah und einer maximalen Spannung von 4,2 V bei voll aufgeladenem Energiespeicher 105. In einer ersten Phase 320 wird der Energiespeicher 105 mittels des Konstantstrom-Verfahrens (vgl. 1) und danach in einer zweiten Phase 325 mittels des Konstantspannungs-Verfahrens (vgl. 2) geladen. Zwischen den beiden Phasen 320 und 325 liegt ein Umschaltzeitpunkt 330.
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Die Kapazität 315 des Energiespeichers 105 steigt während der ersten Phase 320 praktisch linear an. Während der zweiten Phase 325 wird der Anstieg hingegen immer langsamer. Bezüglich der aufgewendeten Zeit ist daher die Ladung während der ersten Phase 320 effektiver als die während der zweiten Phase 325. Die erste Phase 320 ist beendet, wenn die Spannung 305 einen vorbestimmten Wert, im vorliegenden Beispiel 4,19 V erreicht hat. Am Ende der zweiten Phase 325 beträgt die Spannung 4,2 V. Die zum Umschaltzeitpunkt 330 im Energiespeicher 105 bereitgestellte Energiemenge liegt bei ca. 3,0 Ah. Ausgehend von einem vollständig entleerten Energiespeicher 105 ist dieser Wert nach 45 Minuten Ladezeit erreicht. Ca. 18 Minuten später ist die Maximalkapazität von 3,3 Ah erreicht.
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Es wird vorgeschlagen, das Ladeende zum Zeitpunkt 330 oder kurz danach zu wählen. Die Nennkapazität des Energiespeichers 105 beträgt dabei im vorliegenden Beispiel ca. 3,0 Ah. In einer weiteren Ausführungsform kann das dargestellte CCCV-Verfahren auch durchgeführt werden, solange der Anstieg der Kapazität 315 über die Zeit linear ist. Im vorliegenden Beispiel endet die Linearität ca. 3 Minuten nach dem Umschaltzeitpunkt 330.
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4 zeigt zum Vergleich ein Ladediagramm eines elektrischen Energiespeichers 105 bei der Normalladung. Hier wird ausgegangen von einer Maximalkapazität von 3,0 Ah und einem Ladestrom von 4 A. Wieder wird der Energiespeicher 105 in einer ersten Phase 320 mittels des Konstantstromverfahrens und während einer darauffolgenden zweiten Phase 325 mittels des Konstantspannungs-Verfahrens aufgeladen. Zu einem Zeitpunkt 405 erfolgt eine Endabschaltung und der Energiespeicher 105 wird nicht weiter geladen, um einen Ladeschaden an ihm auszuschließen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3834003 A1 [0004]
- DE 10254226 A1 [0005]
