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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer wiederaufladbaren Batterie, bei welchem zur Reduzierung von Alterungseffekten der Batterie zumindest ein elektrisches Signal mit einer periodischen Folge von Pulsen an der Batterie angelegt wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben einer wiederaufladbaren Batterie.
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Das Interesse richtet sich vorliegend auf Batterien, welche insbesondere in Kraftfahrzeugen als Energiespeicher eingesetzt werden können. Diese Batterien können beispielsweise eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassen. Die Batterien bzw. die Batteriezellen sind einer kalendarischen und einer zyklischen Alterung unterworfen. Während die zyklische Alterung rein von den Lade- und Entladevorgängen und dabei herrschenden Bedingungen, beispielsweise der Temperatur, einem Verpressdruck oder dergleichen, abhängt, vollzieht sich die kalendarische Alterung ausschließlich infolge äußerer Parameter, wie beispielsweise der Temperatur und dem Ladezustand. Die kalendarische Alterung kann jedoch nicht durch die Zahl der Zyklen signifikant beeinflusst werden.
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Wenn die Batterien bzw. die Batteriezellen 80% Restkapazität aufweisen, sind diese für den automobilen Einsatz nicht mehr tauglich. Dennoch weisen die Batterien eine ausreichend hohe Restkapazität auf, um im stationären Einsatz weiterhin genutzt zu werden. Wenn die Batterien als stationäre Speicher eingesetzt werden, weisen diese jedoch sehr lange Standzeiten auf, weswegen die kalendarische Alterung tendenziell einen größeren Einfluss hat als die zyklische Alterung. Insbesondere wenn die Batterie im Bereich der „unterbrechungsfreien Spannungsversorgung” eingesetzt wird, treten nur sehr wenige Zyklen im Jahr auf.
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Hierzu beschreibt
DE 10 2011 107 053 A1 eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung bzw. Sekundärzelle, welche eine wiederaufladbare Elektrodenbaugruppe aufweist. Die Elektrodenbaugruppe ist vorgesehen, zumindest zeitweise elektrische Energie, insbesondere einem Verbraucher, zur Verfügung zu stellen. Durch einen wiederholten Austausch von im Umfang begrenzt elektrischer Ladung mit der Elektrodenbaugruppe der Sekundärzelle kann eine zeitweise Unterbrechung einer Ruhephase bzw. eines Ruhezustands erreicht werden. Dadurch finden in der Elektrodenbaugruppe Wandlungen von elektrischer Energie in chemische Energie und umgekehrt statt. So wird beispielsweise einer Passivierung von Bereichen der Elektrodenbaugruppe begegnet und somit einer Alterung entgegengewirkt werden.
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Des Weiteren beschreibt die
US 2004/0041540 A1 ein System und ein Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie. Dabei ist es vorgesehen, dass der Strom, welcher der Batterie zugeführt wird, eine Mehrzahl von positiven Strompulsen mit einer kurzen Zeitdauer aufweist. Hierbei weist jeder der positiven Strompulse eine Amplitude auf, welche größer ist als der Ladestrom der Batterie.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie Alterungserscheinungen, insbesondere kalendarische Alterungserscheinungen, einer Batterie effizienter reduziert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer wiederaufladbaren Batterie. Hierbei wird zur Reduzierung von Alterungseffekten der Batterie zumindest ein elektrisches Signal mit einer periodischen Folge von Pulsen an der Batterie angelegt. Dabei ist es vorgesehen, dass an der Batterie parallel ein erstes Spannungssignal mit einer periodischen Folge von ersten Pulsen und ein zweites Spannungssignal mit einer periodischen Folge von zweiten Pulsen angelegt werden, wobei ein erstes Maximum der jeweiligen ersten Pulse größer als ein zweites Maximum der jeweiligen zweiten Pulse ist.
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Das erste und das zweite Spannungssignal können beispielsweise zu Beginn eines jeden Ladezyklus an der Batterie angelegt werden. Ferner kann das erste Spannungssignal und das zweite Spannungssignal in gewissen Zeitabständen, beispielsweise einmal pro Monat, an der Batterie angelegt werden. Dabei kann es vorgesehen sein, dass das erste Spannungssignal und das zweite Spannungssignal mit einer Ladespannung zum Laden der Batterie überlagert werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass das erste Spannungssignal und das zweite Spannungssignal überlagert werden. Das erste Spannungssignal weist eine periodische Abfolge von ersten Pulsen auf. Auch das zweite Spannungssignal weist eine periodische Folge von zweiten Pulsen auf. Die ersten und die zweiten Pulse können beispielsweise im Wesentlichen als Rechteckimpulse ausgebildet sein. Dabei ist es vorgesehen, dass ein erstes Maximum der jeweiligen ersten Pulse größer ist als ein zweites Maximum der jeweiligen zweiten Pulse. Hierbei haben Versuche gezeigt, dass durch derartige Spannungssignale die sich auf der Anode der Batterie sich bildenden passivierenden Schichten wieder vermehrt durchlässig gemacht werden können. Damit können kalendarische Alterungseffekte der Batterie minimiert oder annähernd ganz aufgehoben werden.
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Bevorzugt erstrecken sich die ersten Pulse von einem ersten Minimum, welches einer Spannung von 0 V entspricht zu einem ersten Maximum, welches einer vorbestimmten, ersten positiven Spannung entspricht. Darüber hinaus ist es bevorzugt vorgesehen, dass sich die zweiten Pulse von einem zweiten Minimum, welches einer vorbestimmten negativen Spannung entspricht, zu dem zweiten Maximum, welches einer vorbestimmten, zweiten positiven Spannung entspricht, erstrecken. Die ersten Pulse können sich beispielsweise von dem ersten Minimum, welches einer Spannung von 0 V entspricht, zu dem ersten Maximum, welches beispielsweise einer Spannung von 0,1 V entspricht, erstrecken. Die zweiten Pulse können sich jeweils von dem zweiten Minimum, welches einer Spannung von –0,1 V entspricht zu dem zweiten Maximum, welches beispielsweise einer Spannung von 0,01 V entspricht, erstrecken. Die zweite positive Spannung des zweiten Maximums der zweiten Pulse kann also 10% des ersten Maximums der ersten Pulse entsprechen.
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Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das erste und das zweite Spannungssignal derart an der Batterie angelegt werden, dass sich eine abwechselnde Abfolge von ersten Pulsen und zweiten Pulsen ergibt. Das erste Spannungssignal kann also die Mehrzahl von ersten Pulsen und dazwischen liegende erste Pausen aufweisen. In gleicher Weise kann das zweite Spannungssignal die zweiten Pulse und dazwischen liegende zweite Pausen aufweisen. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass sich die zweiten Pulse des zweiten Spannungssignals mit dem ersten Pausen des ersten Spannungssignals überlagern.
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In einer weiteren Ausgestaltung weisen die ersten Pulse einen ersten ansteigenden Pulsanteil mit einer ersten Anstiegszeit und die zweiten Pulse einen zweiten ansteigenden Pulsanteil mit einer zweiten Anstiegszeit auf, wobei die erste Anstiegszeit geringer als die zweite Anstiegszeit ist. Bevorzugt beträgt die erste Anstiegszeit 16% oder 9% der zweiten Anstiegszeit. Die jeweiligen ersten Pulse und die jeweiligen zweiten Pulse können jeweils eine zu zeitliche Dauer bzw. Pulsdauer aufweisen, welche beispielsweise 2 Sekunden beträgt. Sowohl die ersten Pulse als auch die zweiten Pulse weisen jeweils einen ansteigenden Pulsanteil auf. Dabei ist für die ersten Pulse und die zweiten Pulse charakteristisch, dass die erste Anstiegszeit der ersten Pulse geringer ist als die zweite Anstiegszeit der zweiten Pulse. Wenn die erste Anstiegszeit beispielsweise 16% der zweiten Anstiegszeit beträgt, können Alterungseffekte bei Lithium-Ionen-Batterien deutlich reduziert werden. Für den Fall, dass es sich bei der Batterie um eine Natrium-Ionen-Batterie handelt, hat sich eine erste Anstiegszeit, die 9% der zweiten Anstiegszeit beträgt, als vorteilhaft herausgestellt.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Betreiben einer wiederaufladbaren Batterie. Die Vorrichtung ist dazu ausgelegt, zur Reduzierung von Alterungseffekten der Batterie zumindest ein elektrisches Signal mit einer Folge von Pulsen an der Batterie anzulegen. Ferner ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, an der Batterie parallel ein erstes Spannungssignal mit einer periodischen Folge von ersten Pulsen und ein zweites Spannungssignal mit einer periodischen Folge von zweiten Pulsen anzulegen, wobei ein erstes Maximum der jeweiligen ersten Pulse größer als ein zweites Maximum der jeweiligen zweiten Pulse ist.
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Die Vorrichtung kann beispielsweise Teil eines Batteriemanagementsystems sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Mithilfe der Vorrichtung kann eine Batterie geladen werden.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine Vorrichtung zum Betreiben einer Batterie in einer schematischen Darstellung;
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2 eine Schaltung zum Bereitstellen eines ersten Spannungssignals und eines zweiten Spannungssignals; und
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3 einen zeitlichen Verlauf des ersten Spannungssignals sowie einen zeitlichen Verlauf des zweiten Spannungssignals.
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In den Figuren werden gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1, mittels welcher eine Batterie 2 betrieben werden kann, in einer stark vereinfachten Darstellung. Die Vorrichtung 1 kann beispielsweise Teil eines Batteriemanagementsystems eines Kraftfahrzeugs oder eines stationären elektrischen Energiespeichers sein. Bei der Batterie 2 kann es sich um eine Lithium-Ionen-Batterie oder um eine Natrium-Ionen-Batterie handeln. Die Batterie 2 kann durch eine Batteriezelle gebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Batterie 2 eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst, welche elektrisch miteinander verbunden sind. Die Vorrichtung 1 ist über jeweilige Verbindungsleitungen 3 mit Anschlüssen 4 der Batterie 2 verbunden. Somit können mithilfe der Vorrichtung 1 entsprechende Spannungssignale S1 und S2 (siehe 3) an der Batterie 2 angelegt werden.
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2 zeigt eine Schaltung 5, mittels welcher das erste Spannungssignal S1 und das zweite Spannungssignal S2 bereitgestellt werden können. Die Schaltung 5 ist symmetrisch aufgebaut und stellt eine sogenannte astabile Kippstufe dar. Die Schaltung 5 umfasst einen ersten Transistor T1 und einen zweiten Transistor T2 welche jeweils als Bipolar-Transistoren ausgebildet sind. Dabei ist ein erster Widerstand R1 mit einem Kollektor-Anschluss des ersten Transistors T1 verbunden. Ein zweiter Widerstand R2 ist mit einem Basis-Anschluss des ersten Transistors T1 verbunden. Des Weiteren ist ein dritter Widerstand R3 mit dem Basis-Anschluss des zweiten Transistors das T2 verbunden und ein vierter Widerstand R4 ist mit dem Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors T2 verbunden. Darüber hinaus weist die Schaltung 5 einen ersten Kondensator C1 auf, welcher mit dem Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors T2 verbunden ist. Des Weiteren weist die Schaltung 5 einen zweiten Kondensator C2 auf, der mit dem Kollektor-Anschluss des ersten Transistors T1 verbunden ist. Die Schaltung 5 weist ferner einen Eingang 6 auf, an dem eine Betriebsspannung angelegt werden kann. Darüber hinaus umfasst die Schaltung 5 einen Masseanschluss 7 auf. Die Schaltung 5 umfasst ferner einen ersten Ausgang 8, an welchem eine Spannung UC1 abgegriffen werden kann und einen zweiten Ausgang 9, an welchem eine Spannung UC2 abgegriffen werden kann. Ferner liegt zwischen dem Basis-Anschluss des ersten Transtors T1 und dem Masseanschluss 7 die Spannung UB1 an und zwischen dem Basis-Anschluss des zweiten Transistors T2 und dem Masseanschluss 7 liegt die Spannung UB2 an.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines jeweiligen zeitlichen Verlaufs der Spannungssignale S1 und S2. Dabei zeigt 3 einen Graphen, bei welchem auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Spannung U aufgetragen ist. Dabei kann das erste Spannungssignal der Spannung UC1 und das zweite Spannungssignal S2 der Spannung UB1 entsprechen. Alternativ dazu kann das erste Spannungssignal S1 der Spannung UC2 und das zweite Spannungssignal S2 der Spannung UB2 entsprechen. Die Spannungssignale S1 und S2 werden im Betrieb der Schaltung 5, welche eine bekannte astabile Kippstufe darstellt, erzeugt.
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Das erste Spannungssignal S1 weist eine periodische Folge von ersten Pulsen P1 auf. Die ersten Pulse P1 weisen jeweils ein Maximum M1 auf, welches beispielsweise 0,1 V betragen kann. Darüber hinaus weisen die jeweiligen ersten Pulse P1 ein Minimum m1 auf, welches 0 V betragen kann. Das zweite Spannungssignal S2 weist eine periodische Folge von zweiten Pulsen P2 auf, welche ein Maximum M2 aufweisen, das beispielsweise 0,01 V betragen kann. Ferner weisen die zweiten Pulse P2 ein Minimum m2 auf, welches, beispielsweise –0,1 V betragen kann. Dabei werden die Spannungssignale S1 und S2 derart bereitgestellt, dass sich die ersten Pulse P1 und die zweiten Pulse P2 abwechseln. Da die zweiten Pulse P2 ihre Maxima M2 bei etwa 0,01 V aufweisen, ist die Bilanz der Spannungssignale S1 und S2 insgesamt positiv. Somit kann eine minimale Ladung der Batterie 2 beim Anlegen der Spannungssignale S1 und S2 ermöglicht werden. Somit kann beispielsweise eine Erhaltungsladung bereitgestellt werden.
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Die ersten Pulse P1 weisen jeweils einen ersten ansteigenden Pulsanteil A1 auf, dessen Anstiegszeit t1 beträgt. Darüber hinaus weisen die zweiten Pulse P2 einen zweiten ansteigenden Pulsanteil A2 auf, dessen Anstiegszeit t2 beträgt. Die jeweiligen Pulsdauern der Pulse P1 und P2 können beispielsweise etwa 2 s betragen. Dabei kann die erste Anstiegszeit t1 16% von der zweiten Anstiegszeit t2 betragen. Dieser Wert eignet sich, wenn es sich bei der Batterie 2 um eine Lithium-Ionen-Batterie handelt. Falls es sich bei der Batterie 2 um eine Natrium-Ionen-Batterie handelt, kann die erste Anstiegszeit t1 9% von der zweiten Anstiegszeit t2 betragen.
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Dadurch, dass die Spannungssignale S1 und S2 an der Batterie 2 angelegt werden, kann eine kalendarische Alterung der Batterie bzw. der Batteriezellen der Batterie 2 signifikant reduziert werden. Dadurch kann beispielsweise eine Standzeit der Batterie deutlich erhöht werden. Dies eignet sich insbesondere, wenn die Batterie 2 als stationärer Energiespeicher eingesetzt wird. Damit können Kosten reduziert werden, problematische Abfälle müssen nicht entsorgt werden und es kann ein Gewinn für die Ökologie ermöglicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Batterie
- 3
- Verbindungsleitung
- 4
- Anschluss
- 5
- Schaltung
- 6
- Eingang
- 7
- Masseanschluss
- 8
- Ausgang
- 9
- Ausgang
- A1
- Pulsanteil
- A2
- Pulsanteil
- C1
- Kondensator
- C2
- Kondensator
- m1
- Minimum
- m2
- Minimum
- M1
- Maximum
- M2
- Maximum
- P1
- Puls
- P2
- Puls
- R1
- Widerstand
- R2
- Widerstand
- R3
- Widerstand
- R4
- Widerstand
- t
- Zeit
- S1
- Spannungssignal
- S2
- Spannungssignal
- T1
- Transistor
- T2
- Transistor
- U
- Spannung
- UB1
- Spannung
- UB2
- Spannung
- UC1
- Spannung
- UC2
- Spannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011107053 A1 [0004]
- US 2004/0041540 A1 [0005]
