DE102017215249A1

DE102017215249A1 - Method for charging a battery, battery management system, system for charging a battery, energy consumer and charger

Info

Publication number: DE102017215249A1
Application number: DE102017215249.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lemke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2019-02-28
Also published as: CN109428368B; CN109428368A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem, System zum Laden einer Batterie, einen Energieverbraucher, ein Ladegerät und ein Verfahren zum Laden einer Batterie (1), umfassend:- Ermitteln (100) einer Entladerate der Batterie (1);- Ermitteln (200) eines vordefinierten Schwellenwertes (2) eines Ladezustandes der Batterie (1) in Abhängigkeit der Entladerate anhand einer vordefinierten Referenz (3);- Feststellen (300) eines aktuellen Ladezustandes der Batterie (1);- Freigeben (400) des Ladens der Batterie (1), wenn der aktuelle Ladezustand der Batterie (1) sich unterhalb des vordefinierten Schwellenwertes (2) befindet;- Laden (500) der Batterie (1) im Ansprechen auf das Freigeben (400).The invention relates to a battery management system, system for charging a battery, a power consumer, a charger and a method for charging a battery (1), comprising: - determining (100) a discharge rate of the battery (1); - determining (200) a predefined one Threshold value (2) of a state of charge of the battery (1) as a function of the discharge rate on the basis of a predefined reference (3), - determining (300) a current state of charge of the battery (1), - releasing (400) the charging of the battery (1), if the current state of charge of the battery (1) is below the predefined threshold (2), - charging (500) the battery (1) in response to the release (400).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie, ein Batteriemanagementsystem, ein System zum Laden einer Batterie, einen Energieverbraucher und ein Ladegerät. Insbesondere sind Verfahren und Batteriemanagementsysteme adressiert, welche das Laden einer Batterie kontrollieren.The present invention relates to a method for charging a battery, a battery management system, a system for charging a battery, an energy consumer and a charger. In particular, methods and battery management systems are addressed, which control the charging of a battery.

Elektrische Energiespeicher, insbesondere auf Basis von Li-Ionen, werden in der Regel nach dem constant current/constant voltage (CC/CV)-Ladeverfahren geladen; d.h. zuerst wird ein Ladestrom eingestellt (stromgeführtes Laden) und mit diesem geladen. Sobald die Ladeschlussspannung erreicht ist, wird auf ein spannungsgeführtes Laden umgestellt. Die Spannung ist dann auf dem Wert der Ladeschlussspannung. Der Ladestrom stellt sich nun entsprechend ein und sobald er unter eine definierte Schwelle (Ladeendekriterium, z.B. C/20) fällt, wird das Laden beendet und der Energiespeicher ist voll.Electrical energy stores, in particular based on Li ions, are usually charged according to the constant current / constant voltage (CC / CV) charging method; ie first a charging current is set (current-controlled charging) and loaded with it. As soon as the end-of-charge voltage has been reached, the system switches to a voltage-controlled charging. The voltage is then at the value of the final charging voltage. The charging current adjusts accordingly and as soon as it falls below a defined threshold (end of charge criterion, eg C / 20 ), charging is stopped and the energy storage is full.

Auch andere Verfahren sind bekannt, in denen das stromgeführte Laden durch eine Stromregelung länger fortgeführt wird.Other methods are known in which the current-controlled charging is continued by a current control longer.

Nachteilig ist bei diesen Verfahren die Auswirkung der Relaxation am Ladeende, d.h. die Erholung der offenen Klemmenspannung nach Erreichen des Ladeendekriteriums oder das Absinken der Spannung nach Ladeende durch ein Entladen der Batterie. Wird der Ladevorgang erneut gestartet, z.B. durch ein Trennen und ein erneutes Einstecken des Ladegerätes oder durch einen Wiederstart des Ladens der Batterie in der CC-Phase oder in der CV-Phase (o.a. Erhaltungsladen), kann die Batterie überladen werden und beschleunigt altern oder sogar einen Zustand annehmen, in dem sie ein Sicherheitsrisiko darstellen kann.A disadvantage of these methods is the effect of relaxation at the end of loading, i. the recovery of the open terminal voltage after reaching the Ladeendekriteriums or the drop in voltage after the end of charging by discharging the battery. If the charging is restarted, e.g. by disconnecting and reinserting the charger, or by recharging the battery in the CC phase or in the CV phase (or trickle charge), the battery may become overcharged and age at an accelerated rate or even assume a state in which it is can pose a security risk.

DE 10 2006 022 394 A1 offenbart eine Möglichkeit zur Umgehung der Beschädigungsproblematik von Batterien durch eine Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Energiequelle mit mehreren Zellen, bei der Zellen, die eine höhere Ladung als andere Zellen aufweisen, selektiv entladen werden. Hierbei wird bei einer gleichmäßigen Ladung über alle Zellen jedoch die Problematik des Erhaltungsladens oder Überladens nicht gelöst. DE 10 2006 022 394 A1 discloses a way to circumvent the problem of battery damage by a device for charge balancing a multi-cell power source, in which cells having a higher charge than other cells are selectively discharged. However, with a uniform charge over all cells, the problem of trickle charging or overcharging is not solved.

DE 10 2011 005 425 A1 betrifft eine Energiespeichervorrichtung mit einem Ladestromkreis und einem Entladestromkreis, bei dem eine Spannung an der Energiespeichervorrichtung überwacht wird und ein Laden unterbrochen wird, wenn die Spannung größer als ein vorbestimmter Wert ist. Hierdurch kann eine Überladung der Energieespeichervorrichtung vermieden werden. Allerdings ist hierbei nach wie vor die Problematik des Erhaltungsladens gegeben, da die Batterie unterhalb des vordefinierten Wertes immer wieder geladen wird. DE 10 2011 005 425 A1 relates to an energy storage device with a charging circuit and a discharge circuit, wherein a voltage is monitored on the energy storage device and charging is interrupted when the voltage is greater than a predetermined value. As a result, an overcharge of the energy storage device can be avoided. However, there is still the problem of trickle charging, since the battery is always charged below the predefined value.

Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Laden einer Batterie anzugeben, welches die oben genannte Probleme löst und insbesondere das Altern einer Batterie verzögert und damit dazu führt, dass Kosten- und Sicherheitsrisiken drastisch reduziert werden. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriemanagementsystem, ein System zum Laden einer Batterie, ein Ladegerät und einen Energieverbraucher anzugeben, welche diese Vorteile ebenfalls realisieren.Based on the aforementioned prior art, it is therefore an object of the present invention to provide an improved method for charging a battery, which solves the above problems and in particular delays the aging of a battery and thus leads to cost and security risks are drastically reduced. It is another object of the present invention to provide a battery management system, a system for charging a battery, a charger and an energy consumer, which also realize these advantages.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruches 1 gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Laden einer Batterie. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Entladerate der Batterie ermittelt. Die Entladerate ist ein Begriff zur spezifischen Beschreibung des Lade- und Entladevorgangs einer Batterie, der unabhängig von ihrer Kapazität (gemessen in Amperestunden) und von den fließenden Strömen in Ampere ist. Eine Entladerate von „1C“ bedeutet, dass die Batterie innerhalb von einer Stunde komplett entladen wird. Eine Entladerate von „2C“ entspricht einer Entladung innerhalb einer halben Stunde; die Entladerate von „10C“ entspräche einer Entladung innerhalb von sechs Minuten. Das Ermitteln der Entladerate kann beispielsweise über konventionelle Messgeräte und/oder mittels eines Batteriemanagementsystems erfolgen.The above object is achieved by the subject of claim 1. According to a first aspect, the present invention relates to a method for charging a battery. In a first step of the method according to the invention, a discharge rate of the battery is determined. The discharge rate is a term for the specific description of the charging and discharging of a battery, which is independent of their capacity (measured in ampere hours) and of the flowing currents in amperes. A discharge rate of "1C" means that the battery is completely discharged within one hour. A discharge rate of "2C" corresponds to a discharge within half an hour; the discharge rate of "10C" would correspond to a discharge within six minutes. The determination of the discharge rate can take place, for example, via conventional measuring devices and / or by means of a battery management system.

In einem zweiten Schritt erfolgt ein Ermitteln eines vordefinierten Schwellenwertes eines Ladezustandes anhand einer vordefinierten Referenz in Abhängigkeit der Entladerate. Dies kann beispielsweise ebenso über das Batteriemanagementsystem erfolgen. Die vordefinierte Referenz kann beispielsweise eine mathematisch vordefinierte Kurve sein, wobei der vordefinierte Schwellenwert ein Ordinatenwert sein kann, während die ermittelte Entladerate als ein korrelierter Abszissenwert aufgetragen sein kann. Der Ladezustand, beispielsweise ebenfalls über ein Batteriemanagementsystem ermittelbar, der Batterie beschreibt den „Füllgrad“ der Batterie als Energiespeicher bzw. als Speicher der für einen Stromfluss verfügbaren geladenen Teilchen in Prozent. Ein Ladezustand von 100% entspricht demzufolge einer voll geladenen Batterie. Durch das Ermitteln des vordefinierten Schwellenwertes des Ladezustandes kann ein vorteilhafter vordefinierter Schwellenwert festgelegt werden, oberhalb dessen ein Laden der Batterie nicht stattfindet bzw. nicht erfolgen soll.In a second step, a predefined threshold value of a state of charge is determined on the basis of a predefined reference as a function of the discharge rate. This can for example also be done via the battery management system. The predefined reference may be, for example, a mathematically predefined curve, where the predefined threshold value may be an ordinate value, while the determined discharge rate may be plotted as a correlated abscissa value. The state of charge, for example, also determined by a battery management system, the battery describes the "degree of filling" of the battery as an energy storage or as a memory of available for a current flow charged particles in percent. A charge state of 100% therefore corresponds to a fully charged battery. By determining the predefined threshold value of the state of charge, an advantageously predefined threshold value can be determined be set above which charging the battery does not take place or should not be.

In einem dritten Schritt erfolgt ein Feststellen eines aktuellen Ladezustandes der Batterie. Wenn zum Beispiel ein Vergleich zwischen diesem und dem vordefinierten Schwellenwert ergibt, dass der aktuelle Ladezustand der Batterie sich unterhalb dieses vordefinierten Schwellenwertes befindet, erfolgt in einem vierten Schritt ein Freigeben des Ladens der Batterie. Dadurch wird zunächst sichergestellt, dass die Batterie nicht überladen wird. Ferner kann durch die Abhängigkeit von der Entladerate der Batterie der vordefinierte Schwellenwert so eingestellt werden, dass beispielsweise ein Laden verzögert wird, wenn es insbesondere aufgrund kleiner Entladeraten, wie beispielsweise einer Eigenentladung, gar nicht nötig ist (sofort) zu Laden. Hierbei sind besonders hohe vordefinierte Schwellenwerte vorteilhaft. Da ein derartiger Leerlaufzustand der Batterie sehr häufig ist und insbesondere hierbei bei konventionellen Ladeverfahren ein Erhaltungsladen die Lebensdauer der Batterie verringert, wird dieser Nachteil durch den erfindungsgemäß vordefinierten Schwellenwert gelöst. Dies bringt insbesondere auch Kosteneinsparungen mit sich. Kleinere vordefinierte Schwellenwerte des Entladezustandes können beispielsweise ermittelt werden, wenn die Batterie eine hohe Entladerate aufweist und das Risiko einer vollständigen Entladung gegeben ist. Zugleich wird aber auch verhindert, dass insbesondere ein Anwender eines etwaigen mit der Batterie verbundenen Energieverbrauchers während des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens aufgrund der „Schonfunktion“ durch vordefinierten Schwellenwert vor dem Problem einer leeren Batterie durch eine intensive Nutzung des Energieverbrauchers steht. Als eines von vielen Beispielen sei ein Telefonieren mit einem Smartphone genannt, das gerade geladen wird. Somit wird die Batterie in Abhängigkeit ihrer Entladerate in Bezug auf den Anwenderbedarf intelligent geschont.In a third step, a determination of a current state of charge of the battery. For example, if a comparison between this and the predefined threshold indicates that the current state of charge of the battery is below this predefined threshold, in a fourth step, the charging of the battery is released. This first ensures that the battery is not overcharged. Furthermore, due to the dependence on the discharge rate of the battery, the predefined threshold value can be set so that, for example, charging is delayed if it is not necessary at all (immediately), in particular due to small discharge rates, such as a self-discharge. In this case, particularly high predefined threshold values are advantageous. Since such an idling state of the battery is very frequent and in particular in this case a trickle charge reduces the service life of the battery in conventional charging methods, this disadvantage is solved by the predefined threshold value according to the invention. This also brings cost savings in particular. Smaller predefined discharge state thresholds may be determined, for example, when the battery has a high discharge rate and there is a risk of complete discharge. At the same time, however, it is also prevented that, in particular, a user of any energy consumer connected to the battery during the charging process according to the invention due to the "protective function" by predefined threshold against the problem of an empty battery by intensive use of the energy consumer. As one of many examples is called a call with a smartphone, which is currently being loaded. Thus, the battery is smartly protected in terms of their discharge rate with respect to the user needs.

In einem vierten Schritt wird die Batterie dann im Ansprechen auf das Freigeben geladen. Andernfalls kann ein Laden erst dann beginnen, wenn der aktuelle Ladezustand der Batterie sich unterhalb des vordefinierten Schwellenwertes befindet. Das Verfahren kann durch eine Softwarefunktion beispielsweise in das Batteriemanagementsystem integriert werden, wodurch die Integration ohne hohe Kosten möglich ist. Das erfindungsgemäße Ladeverfahren ist ebenso für ein Gleichstrom- und ein Wechselstromnetz konzipiert.In a fourth step, the battery is then charged in response to the release. Otherwise, charging may not commence until the battery's current state of charge is below the predefined threshold. The method can be integrated by a software function, for example, in the battery management system, whereby the integration is possible without high costs. The charging method according to the invention is also designed for a DC and an AC network.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen zum Inhalt.The dependent claims have advantageous developments to the content.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ermitteln der Entladerate und/oder das Ermitteln des vordefinierten Schwellenwertes anhand einer Referenz nach dem Freigeben fortgesetzt und das Laden beendet, wenn der vordefinierte Schwellenwert größer als der aktuelle Ladezustand wird. Hierdurch kann eine Balance zwischen der Entladerate der Batterie und dem Aufladen der Batterie geschaffen werden. Das Erhaltungsladen der Batterie kann hierbei weiter reduziert und die Lebensdauer der Batterie kann damit weiter erhöht werden, wenn aufgrund einer entsprechenden Entladungsrate ein weiteres Laden gar nicht nötig ist. In einer besonders bevorzugten Weitergestaltung wird das Verfahren nach dem Beenden bei der Ermittlung der Entladerate gemäß dem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Schleife dauerhaft fortgesetzt, wenn ein Ladestromkreis nicht unterbrochen wird. Somit kann bei einem sprunghaft ansteigenden Verbrauch, auch wenn das Laden bereits beendet ist, der vordefinierte Schwellenwert so herabgesetzt werden, dass das Laden zur Bereitstellung einer ausreichenden Anzahl von Ladungsträgern durch die Batterie wieder fortgesetzt wird, um dann wieder schonender bzw. gar nicht zu laden, wenn die Entladerate sich beispielsweise wieder reduziert. Dies stellt eine weitere Steigerung der Ladeintelligenz des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.In an advantageous development of the method according to the invention, the determination of the discharge rate and / or the determination of the predefined threshold value is continued on the basis of a reference after the release and the charging ends when the predefined threshold value becomes greater than the current state of charge. Thereby, a balance between the discharge rate of the battery and the charging of the battery can be created. The trickle charge of the battery can be further reduced and the life of the battery can thus be further increased if, due to a corresponding discharge rate, a further charge is not necessary. In a particularly preferred further embodiment, the method is continued in a loop permanently after termination in the determination of the discharge rate according to the first step of the method according to the invention, if a charging circuit is not interrupted. Thus, in the event of an abrupt increase in consumption, even if the charging has already ended, the predefined threshold value can be reduced so that the charging to continue to supply a sufficient number of charge carriers is continued by the battery, in order to recharge or not charge at all For example, if the discharge rate is reduced again. This represents a further increase in the loading ability of the process according to the invention.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens führt eine Abnahme der Entladerate zu einer Zunahme des vordefinierten Schwellenwertes. Dies geschieht, in anderen Worten, im Ansprechen auf eine niedrige Entladerate, bei der das Laden durch einen hohen vordefinierten Schwellenwert später ermöglicht wird als im umgekehrten Fall. Somit kann das Altern der Batterie gezielt durch diese Maßnahme verhindert werden, was die Sicherheit der Batterie erhöht. Auch das generelle Sicherheitsrisiko bezüglich einer Überladung durch Erhaltungsladung ist minimiert.In a further embodiment of the method according to the invention, a decrease in the discharge rate leads to an increase in the predefined threshold value. In other words, this is in response to a low discharge rate, where charging is enabled later by a high predefined threshold than in the reverse case. Thus, the aging of the battery can be selectively prevented by this measure, which increases the safety of the battery. Also, the general security risk with respect to an overload by trickle charge is minimized.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nimmt der vordefinierte Schwellenwert des Ladezustandes der Batterie bei einer Zunahme der Entladerate mit einer mathematischen Funktion ab, deren zweite Ableitung negativ ist. Hierdurch wird die Batterie bei kleinen Entladungsraten, bei denen ein Überladen und ein Erhaltungsladen am kritischsten ist, besonders geschont, da bei niedrigen Entladungsraten die vordefinierten Schwellenwerte verhältnismäßig hoch sind.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the predefined threshold of the state of charge of the battery decreases with an increase in the discharge rate with a mathematical function whose second derivative is negative. This particularly protects the battery at low discharge rates, where overcharging and trickle charging are the most critical, since at low discharge rates the predefined thresholds are relatively high.

In einer anderen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung erfolge das Ermitteln der Entladerate und das Ermitteln des vordefinierten Schwellenwertes kontinuierlich oder nach einem vordefinierten Zeitraum, insbesondere gemittelt. Hierbei ist die kontinuierliche Variante besonders zu bevorzugen, wenn die Batterie häufigen Wechseln der Entladerate ausgesetzt ist, worauf damit adäquat reagiert werden kann. Die Ermittlungen nach einem vordefinierten Zeitraum, insbesondere gemittelt, sind dann zu bevorzugen, wenn die Batterie weniger hinsichtlich ihrer Entladerate beansprucht ist. Weiterhin kann diese Variante auch angewandt werden, wenn das Laden der Batterie unterbrochen wird und die Batterie vom Stromnetz entfernt wird. Das Ermitteln der Entladerate und das Ermitteln des vordefinierten Schwellenwertes können insbesondere nach dem letzten Ladevorgang fortgesetzt werden (z.B. hinsichtlich eines Ein- und Aussteckens). Somit ist das erfindungsgemäße Ladeverfahren unabhängig davon, wie oft das Laden unterbrochen wird.In another development of the present invention, the determination of the discharge rate and the determination of the predefined threshold value take place continuously or after a predefined period of time, in particular averaged. Here, the continuous variant is particularly preferable when the battery is exposed to frequent changes in the discharge rate, whereupon it can be adequately reacted. The investigation after one pre-defined period, in particular averaged, are to be preferred when the battery is less stressed in terms of their discharge rate. Furthermore, this variant can also be applied if the charging of the battery is interrupted and the battery is disconnected from the mains. The determination of the discharge rate and the determination of the predefined threshold value can be continued, in particular after the last charging process (for example with regard to insertion and removal). Thus, the charging method according to the invention is independent of how often the charging is interrupted.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Laden verhindert, wenn ein Wert des aktuellen Ladezustandes von 100 % erreicht wird bis der Ladezustand sich unterhalb des vordefinierten Schwellenwertes befindet. Dies dient dem Schutz der Batterie vor einem Überladen.According to a further preferred embodiment of the present invention, charging is prevented when a value of the current state of charge of 100% is reached until the state of charge is below the predefined threshold value. This is to protect the battery from overcharging.

In einer anderen bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird ein Ladebeginn, beispielsweise unabhängig von dem vordefinierten Schwellenwert, über eine vordefinierte Zeitdauer nach dem Ende des letzten Ladevorgangs verhindert. Dies kann beispielsweise mit einem Timer realisiert werden. Somit kann ein zusätzlicher Schutz generiert werden, wenn beispielsweise das Batteriemanagement hinsichtlich des vordefinierten Schwellenwertes ausfällt oder ein häufiges „Ein- und Ausstecken“ eines Ladegerätes erfolgt. Die vordefinierte Zeitdauer kann insbesondere von der Kapazität der Batterie abhängen. Der Timer kann insbesondere in dem Batteriemanagementsystem integriert sein.In another preferred development of the present invention, a start of charging, for example, independent of the predefined threshold, is prevented over a predefined period of time after the end of the last charging process. This can be realized for example with a timer. Thus, additional protection can be generated if, for example, the battery management fails with regard to the predefined threshold value or if a frequent "plugging in and unplugging" of a charger occurs. The predefined period of time may depend, in particular, on the capacity of the battery. The timer may in particular be integrated in the battery management system.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ein Speichern eines Verlaufes des vordefinierten Schwellenwertes über die Zeit oder ein Speichern des Verlaufes des vordefinierten Schwellenwertes für eine vordefinierte Protokollzeitdauer. Diese Protokollzeitdauer kann beispielsweise ereignisgesteuert sein (bis zum letzten Ladevorgang oder ab dem nächsten Ladevorgang). Auf diese Weise kann das Batteriemanagementsystem den vordefinierten Schwellenwert zusätzlich anpassen, um die Lebensdauer der Batterie zu schonen. Weiterhin kann zusätzlich anhand eines Verlaufes eine Fehleranalyse hinsichtlich der Batteriefunktion erleichtert werden. In a further preferred refinement, the method according to the invention comprises storing a course of the predefined threshold value over time or storing the course of the predefined threshold value for a predefined protocol time duration. For example, this log duration may be event driven (until the last load or from the next load). In this way, the battery management system can additionally adjust the predefined threshold value in order to save battery life. Furthermore, an error analysis with regard to the battery function can be additionally facilitated by means of a course.

Die folgenden erfindungsgemäßen Aspekte umfassen die vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie die generellen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und die jeweils damit verbundenen technischen Effekte gleichsam.The following aspects of the invention include the advantageous embodiments and further developments as well as the general advantages of the method according to the invention and the respectively associated technical effects as it were.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zudem ein Batteriemanagementsystem bereitgestellt, welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Bevorzugt kann sich das Batteriemanagementsystem in einer Batterie oder einem Ladegerät befinden. Wenn das Batteriemanagementsystem vorteilhafterweise in dem Ladegerät angeordnet ist, kann dieses die Entladerate der Batterie detektieren oder selbst ermitteln und anhand dessen einen vordefinierten Schwellenwert eines Ladezustandes anhand einer vordefinierten Referenz ermitteln und das Laden entweder entsprechend freigeben oder verhindern. Beispielsweise ist das über einen vom Batteriemanagementsystem gesteuerten oder in selbigem integrierten reversiblen Schalter möglich. Ferner kann das Batteriemanagementsystem derart in einem Ladestromkreis implementiert sein, dass es den vordefinierten Schwellenwert eines Entladezustandes erfindungsgemäß an das Ladegerät kommuniziert und das Ladegerät die Batterie erst wieder lädt, wenn die Batterie das Laden durch ihren Entladezustand freigibt.According to a second aspect of the present invention, there is also provided a battery management system configured to carry out the method according to the invention. Preferably, the battery management system may be located in a battery or a charger. If the battery management system is advantageously arranged in the charger, it can detect the discharge rate of the battery or determine itself and determine therefrom a predefined threshold of a state of charge based on a predefined reference and either release the corresponding charge or prevent. For example, this is possible via a reversible switch controlled by the battery management system or integrated therein. Furthermore, the battery management system can be implemented in a charging circuit such that it communicates the predefined threshold value of a discharging state according to the invention to the charger and the charger recharges the battery only when the battery releases the charging by its discharge state.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere einfach auf Batteriemanagementsystemen, die zur Ausführung dieses Verfahrens eingerichtet sind, durch eine Softwarefunktion integriert werden. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne hohe Kosten realisiert werden.In particular, the method according to the invention can be integrated simply by a software function on battery management systems that are set up to carry out this method. Thus, the inventive method can be realized without high costs.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Laden einer Batterie bereitgestellt, umfassend eine Batterie, ein Ladegerät und ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem im Ladegerät und/oder in der Batterie angeordnet sein. Das Batteriemanagementsystem kann, angeordnet im Ladegerät, im Ansprechen auf eine Entladerate der Batterie das Laden, wie oben ausgeführt, intelligent steuern. Ferner kann das Batteriemanagementsystem, wenn es in der Batterie angeordnet ist, die Verbindung zu einem Ladegerät trennen (beispielsweise durch das Abschalten eines Schützes). Dementsprechend kann ein Ladegerät sich intelligent auf eine Batterie einstellen, wobei der andere Fall, in dem eine Batterie eine Sperrfunktion gegenüber dem Ladegerät aufweist, ebenso möglich ist. Das Ladegerät kann vorteilhafterweise an einem Gleichstrom- oder einem Wechselstromnetz angeschlossen sein.According to a third aspect of the present invention there is provided a system for charging a battery, comprising a battery, a charger and a battery management system according to the invention. In a preferred embodiment, the battery management system according to the invention can be arranged in the charger and / or in the battery. The battery management system, located in the charger, may intelligently control charging in response to a rate of discharge of the battery as set forth above. Further, the battery management system, when located in the battery, may disconnect the connection to a charger (for example, by shutting down a contactor). Accordingly, a charger can intelligently adjust to one battery, and the other case where a battery has a disabling function against the charger is also possible. The charger may advantageously be connected to a DC or AC mains.

Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Energieverbraucher, umfassend ein Batteriemanagementsystems gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Der Energieverbraucher umfasst insbesondere ein Fortbewegungsmittel (z. B. ein PKW, ein Transporter, ein LKW, ein Wasser- und/oder Luftfahrzeug) oder ein Smartphone. Insbesondere kann der Energieverbraucher eine Traktionsbatterie oder eine Smartphone-Batterie umfassen. Als Batterien kommen insbesondere Li-Ionen-Batterien in Betracht. Der Energieverbraucher kann mit einer Batterie verbunden sein, die mit einem Ladegerät verbunden ist, welches zugleich mit einem elektrischen Netz verbunden ist. Das Batteriemanagementsystem kann in jedem einzelnen dieser Elemente und/oder extern angeordnet sein.According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an energy consumer comprising a battery management system according to the second aspect of the present invention. The energy consumer comprises in particular a means of transportation (eg a car, a van, a truck, a water and / or aircraft) or a smartphone. In particular, the energy consumer may include a traction battery or a smartphone battery. As batteries, in particular Li-ion batteries are considered. The energy consumer may be connected to a battery which is connected to a charger which is also connected to an electrical network. The battery management system may be located in any one of these elements and / or externally.

Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ladegerät bereitgestellt, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Beispielsweise kann ein solches Ladegerät ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem enthalten und durch dieses einen Verbraucher über eine zugeordnete Identifikation erkennen. Insbesondere kann der Verbraucher, beispielsweise ein Smartphone oder ein Elektrofahrzeug, innerhalb einer darauf implementierten Software eine bestimmte Nummer, ein Bild, einen Strichcode oder einen QR-Code hinterlegt haben, das dann mit einer softwarebasierten Datenbank auf dem Batteriemanagementsystem abgeglichen wird. So kann ein vordefinierter Schwellenwert schneller und bedarfsgerechter ermittelt werden.According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a charger configured to perform the method of the invention. For example, such a charger may include a battery management system according to the invention and recognize a consumer via an associated identification. In particular, the consumer, for example a smartphone or an electric vehicle, may have deposited within a software implemented thereon a specific number, an image, a bar code or a QR code, which is then compared with a software-based database on the battery management system. This allows a predefined threshold to be determined more quickly and more appropriately.

Figurenlistelist of figures

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:

1 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine erfindungsgemäße vordefinierte Referenz in Abhängigkeit einer Entladerate;
3 eine Anordnung einer Batterie, eines Ladegerätes und eines Energieverbrauchers in Verbindung mit einem elektrischen Netz;
4a ein Fortbewegungsmittel mit einem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem und einem Ladegerät, das mit einem Wechselstromnetz verbunden ist;
4b ein Fortbewegungsmittel mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem, das mit einem Gleichstromnetz verbunden ist;
5 ein erfindungsgemäßes System zum Laden einer Batterie; und
6 ein Smartphone mit einem erfindungsgemäßen System zum Laden einer Batterie.

Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings:

1 a flowchart illustrating steps of an embodiment of a method according to the invention;
2 a predefined reference according to the invention as a function of a discharge rate;
3 an arrangement of a battery, a charger and an energy consumer in connection with an electrical network;
4a a means of transportation with a battery management system according to the invention and a charger, which is connected to an AC power network;
4b a means of transport with a battery system according to the invention, which is connected to a DC network;
5 an inventive system for charging a battery; and
6 a smartphone with a system according to the invention for charging a battery.

1 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden einer Batterie 1. Schritt 100 umfasst ein Ermitteln einer Entladerate der Batterie 1, während ein zweiter Schritt 200 ein Ermitteln eines vordefinierten Schwellenwertes 2 eines Ladezustandes der Batterie 1 anhand einer vordefinierten Referenz 3 umfasst. In Schritt 300 wird ein aktueller Ladezustand der Batterie 1 festgestellt. Wenn der aktuelle Ladezustand der Batterie 1 sich unterhalb des vordefinierten Schwellenwertes 2 befindet, findet in Schritt 400 ein Freigeben des Ladens statt. Im Ansprechen darauf beginnt in Schritt 500 das Laden der Batterie 1. In Schritt 600 wird das Ermitteln des vordefinierten Schwellenwertes fortgesetzt und das Laden wird in Schritt 600a beendet, wenn der vordefinierte Schwellenwert größer als der aktuelle Ladezustand der Batterie 1 wird. In einem solchen Fall wird das Verfahren wieder bei Schritt 100 fortgesetzt. Wenn in Schritt 700 ein Wert des aktuellen Ladezustandes von 100 % erreicht wird, wird das Laden ebenfalls beendet, bis sich der Ladezustand unterhalb des vordefinierten Schwellenwertes findet, wobei dafür wieder mit Schritt 100 begonnen wird. 1 shows a flowchart for illustrating the steps of a method according to the invention for charging a battery 1 , step 100 includes determining a discharge rate of the battery 1 while a second step 200 determining a predefined threshold 2 a state of charge of the battery 1 based on a predefined reference 3 includes. In step 300 becomes a current state of charge of the battery 1 detected. When the current state of charge of the battery 1 below the predefined threshold 2 is located in step 400 a sharing of the store instead. In response, it starts in step 500 charging the battery 1 , In step 600 the determination of the predefined threshold value will continue and the loading will be in step 600a terminated when the predefined threshold is greater than the current state of charge of the battery 1 becomes. In such a case, the process goes back to step 100 continued. When in step 700 If a value of the current state of charge of 100% is reached, the charging is also terminated until the state of charge is below the predefined threshold value, again with step 100 is started.

2 zeigt eine vordefinierte Referenz 3 in Form einer mathematischen Kurve, deren zweite Ableitung negativ ist und anhand derer der vordefinierte Schwellenwert 2 festgelegt wird. Hierbei stellt die y-Koordinate (in %) dieser vordefinierten Referenz 3 den vordefinierten Schwellenwert 2 in Abhängigkeit der Entladerate (x-Koordinate in C, zur Definition s.o.) dar. Typische Wertepaare bezüglich der vordefinierten Referenz sind beispielsweise: (1/20 | 28), (1/10 | 20), (1/5 | 12), (1/3 | 8) und (1/2 | 4) (Angaben in (x | y)-Koordinatenschreibweise). 2 shows a predefined reference 3 in the form of a mathematical curve whose second derivative is negative and based on which the predefined threshold 2 is determined. Here, the y-coordinate represents (in%) this predefined reference 3 the predefined threshold 2 depending on the discharge rate (x-coordinate in C, for definition see above). Typical value pairs with respect to the predefined reference are, for example: (1/20 | 28), (1/10 | 20), (1/5 | 12), (1/3 | 8) and (1/2 | 4) (in (x | y) -coordinate notation).

3 zeigt eine elektrische Anordnung 8 einer Batterie 1, eines Ladegerätes 4 und eines Energieverbrauchers 5 in Verbindung mit einem elektrischen Netz 6. Hierbei ist die Batterie 1 elektrisch mit einem Energieverbraucher 5 verbunden, der wiederum mit einem Ladegerät 4 verbunden ist, das an ein elektrisches Netz 6 angeschlossen ist. Ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem 7 (hier nicht gezeigt) kann extern an dieser elektrischen Anordnung 8 angeschlossen sein. Weiterhin kann das Batteriemanagementsystem 7 in der Batterie 1 und/oder im Ladegerät 4 integriert sein. 3 shows an electrical arrangement 8th a battery 1 , a charger 4 and an energy consumer 5 in conjunction with an electrical network 6 , Here is the battery 1 electrically with an energy consumer 5 connected, in turn, with a charger 4 connected to an electrical network 6 connected. A battery management system according to the invention 7 (not shown here) can be external to this electrical arrangement 8th be connected. Furthermore, the battery management system 7 in the battery 1 and / or in the charger 4 be integrated.

4a zeigt ein Fortbewegungsmittel 10, insbesondere ein Elektrofahrzeug mit einem Elektroantrieb 9, mit einem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem 7 und einem Ladegerät 4, das mit einem Wechselstromnetz 6a verbunden ist. Hierbei ist das Batteriemanagementsystem 7 in die Batterie 1 integriert (in der Figur durch „1, 7“ angedeutet). Das Ladegerät 4 ist mit der Batterie 1 und dem integrierten Batteriemanagementsystem 7 verbunden. Ferner ist das Ladegerät 4 über eine Wechselstrom-Ladeschnittstelle 11a und ein Wechselstrom-Ladekabel 12a mit einer Wechselstrom-Ladesäule 6a verbunden. Ferner ist eine Implementierung des Batteriemanagementsystems 7 im Ladegerät 4 möglich. 4a shows a means of transportation 10 , in particular an electric vehicle with a electric drive 9 , with a battery management system according to the invention 7 and a charger 4 that with an AC network 6a connected is. Here is the battery management system 7 in the battery 1 integrated (indicated in the figure by "1, 7"). The charger 4 is with the battery 1 and the integrated battery management system 7 connected. Further, the charger 4 via an AC charging interface 11a and an AC charging cable 12a with an AC charging station 6a connected. Further, an implementation of the battery management system 7 in the charger 4 possible.

4b zeigt ein Fortbewegungsmittel 10, insbesondere ein Elektrofahrzeug mit einem Elektroantrieb 9, mit einem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem 7, das mit einem Gleichstromnetz verbunden ist. Hierbei ist das Batteriemanagementsystem 7 in die Batterie 1 integriert (in der Figur durch „1, 7“ angedeutet). Die Gleichstrom-Ladeschnittstelle 11b ist mit der Batterie 1 und dem integrierten Batteriemanagementsystem 7 direkt verbunden. Ferner ist die Gleichstrom-Ladeschnittstelle 11b über ein Gleichstrom-Ladekabel 12b mit einer Wechselstrom-Ladesäule 6b verbunden. 4b shows a means of transportation 10 , in particular an electric vehicle with an electric drive 9 , with a battery management system according to the invention 7 which is connected to a DC network. Here is the battery management system 7 in the battery 1 integrated (indicated in the figure by "1, 7"). The DC charging interface 11b is with the battery 1 and the integrated battery management system 7 directly connected. Further, the DC charging interface 11b via a DC charging cable 12b with an AC charging station 6b connected.

5 zeigt ein erfindungsgemäßes System 13 zum Laden einer Batterie 1, wobei das Batteriemanagementsystem 7 als zentrales Element mit dem Ladegerät 4, dem Energieverbraucher und der Batterie 1 verbunden ist und zwischen diesen Komponenten eine intelligente Kommunikation hinsichtlich eines Ladens oder Nicht-Ladens ermöglicht. Hierbei kann das Batteriemanagementsystem 7 eine Entladerate der Batterie 1 detektieren und beispielsweise an das Ladegerät 4 kommunizieren, dass ein vordefinierter Schwellenwert 2 überschritten wird. Das Ladegerät 4 ist an ein elektrisches Netz 6 angeschlossen. 5 shows a system according to the invention 13 to charge a battery 1 , wherein the battery management system 7 as a central element with the charger 4 , the energy consumer and the battery 1 is connected and allows intelligent communication between these components in terms of charging or non-charging. Here, the battery management system 7 a discharge rate of the battery 1 detect and, for example, to the charger 4 communicate that a predefined threshold 2 is exceeded. The charger 4 is connected to an electrical network 6 connected.

6 zeigt ein Smartphone 14 in einem erfindungsgemäßen System 13 zum Laden einer Batterie 1. Hierbei ist das Smartphone 14 über ein USB-Ladekabel 19 und einen USB-Steckmechanismus 16 zum Laden innerhalb des erfindungsgemäßen Systems 13 mit einem Ladegerät 4 verbunden. Der Laderegler 17 am Eingang des Smartphones 14 wandelt am USB-Eingang mit 5 V, 9 V bzw. 20 V auf die Ladespannung der Batterie 1 um. Die Batterie 1 ist mit einem Verbraucher 5 (z.B. Display, CPU usw.) verbunden. Zugleich ist das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem 7 zentral zwischen dem Rechner 15 (CPU, Betriebssystem des Smartphones 14), dem Verbraucher 5 und der Batterie 1 angeordnet. Über einen reversiblen Schutzschalter 18 ist es möglich, den Stromkreis im Ansprechen auf eine entsprechende Entladerate, bzw. einen entsprechenden vordefinierten Schwellenwert 2 zu unterbrechen oder wiederaufzunehmen. Weiterhin kann das Batteriemanagementsystem 7 von einem Benutzer 20 über eine Bedienoberfläche (nicht gezeigt) des Smartphones 14 gesteuert werden. Das Batteriemanagementsystem 7 kann zentral, wie abgebildet, und/oder im Rechner 15, und/oder im Laderegler 17 implementiert sein. Ferner kann das Batteriemanagementsystem 7 im Ladegerät 4 implementiert sein. In diesem Fall weist das Batteriemanagementsystem 7 eine Geräteerkennung auf. Dies kann über eine bestimmte Identifikation mit einer Datenfolge realisiert werden. Beispielsweise kann das Gerät, beispielsweise das Smartphone 14, innerhalb einer Software eine bestimmte Nummer, ein Bild, einen Strichcode oder einen QR-Code hinterlegt haben, das dann mit einer softwarebasierten Datenbank auf dem Batteriemanagementsystem 7 abgeglichen wird. So kann ein vordefinierter Schwellenwert 2 schneller und bedarfsgerechter ermittelt werden. 6 shows a smartphone 14 in a system according to the invention 13 to charge a battery 1 , Here is the smartphone 14 via a USB charging cable 19 and a USB plug-in mechanism 16 for loading within the system according to the invention 13 with a charger 4 connected. The charge controller 17 at the entrance of the smartphone 14 converts to the USB input with 5 V, 9 V or 20 V to the charging voltage of the battery 1 around. The battery 1 is with a consumer 5 (eg display, CPU, etc.) connected. At the same time, the battery management system according to the invention 7 centrally between the computer 15 (CPU, operating system of the smartphone 14 ), the consumer 5 and the battery 1 arranged. Via a reversible circuit breaker 18 it is possible to circuit the circuit in response to a corresponding discharge rate, or a corresponding predefined threshold 2 to interrupt or resume. Furthermore, the battery management system 7 from a user 20 via a user interface (not shown) of the smartphone 14 to be controlled. The battery management system 7 can be central, as shown, and / or in the computer 15 , and / or in the charge controller 17 be implemented. Furthermore, the battery management system 7 in the charger 4 be implemented. In this case, the battery management system points 7 a device detection on. This can be realized via a specific identification with a data sequence. For example, the device, such as the smartphone 14 , have stored within a software a specific number, a picture, a bar code or a QR code, which then with a software-based database on the battery management system 7 is adjusted. So can a predefined threshold 2 be determined faster and more needs-based.

Unabhängig von dem von der Entladerate abhängigen vordefinierten Schwellenwert 2 kann das Laden über einen Timer verhindert werden. Der Timer ist abhängig von einer Kapazität der Batterie und beträgt z.B. 42 s + 4,2 s/Ah. Dies bedeutet, dass für eine 2900 mAh-Batterie das Laden für mindestens 54,18 s verhindert wird. Für eine 75 Ah Batterie wird das Laden mindestens für 357 s verhindert. Hierbei beginnt der Timer mit der elektrischen Verbindung zwischen der Batterie 1 und dem Ladegerät 4. Der Timer kann fortlaufen, wenn diese elektrische Verbindung getrennt wird. Wird hierbei die elektrische Verbindung vor Ablauf des Timers wiederhergestellt, läuft dieser bis zum Ablauf weiter und verhindert ein Laden. Wenn der Timer abgelaufen ist, beginnt das Laden der Batterie 1. Der Timer kann auch derart ausgestaltet sein, dass er bei einer Unterbrechung der elektrischen Verbindung beendet wird und bei deren Wiederherstellung erneut von vorne zu laufen beginnt. Der Timer kann über das Batteriemanagementsystem 7 gesteuert werden.Regardless of the discharge rate dependent predefined threshold 2 charging via a timer can be prevented. The timer depends on a capacity of the battery and is eg 42 s + 4.2 s / Ah. This means that for a 2900 mAh battery, charging is prevented for at least 54.18 s. For a 75 Ah battery, charging is prevented for at least 357 s. Here, the timer starts with the electrical connection between the battery 1 and the charger 4 , The timer can continue running when this electrical connection is disconnected. If, in this case, the electrical connection is restored before the timer expires, it continues until it expires and prevents charging. When the timer has expired, charging of the battery starts 1 , The timer may also be designed such that it is terminated when the electrical connection is interrupted and begins again from the beginning when it is restored. The timer can be accessed via the battery management system 7 to be controlled.

Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.Although the aspects and advantageous embodiments of the invention have been described in detail with reference to the embodiments explained in connection with the accompanying drawings, modifications and combinations of features of the illustrated embodiments are possible for the skilled person, without departing from the scope of the present invention, the scope of protection the appended claims are defined.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Batteriebattery
22: vordefinierter Schwellenwertpredefined threshold
33: vordefinierte Referenzpredefined reference
44: Ladegerätcharger
55: Energieverbraucherenergy consumers
66: elektrisches NetzElectrical network
77: BatteriemanagementsystemBattery Management System
88th: elektrische Anordnungelectrical arrangement
99: Elektroantriebelectric drive
1010: FortbewegungsmittelMeans
1111: LadeschnittstelleLoading interface
1212: StromladekabelCurrent charging cable
1313: Systemsystem
1414: SmartphoneSmartphone
1515: Rechnercomputer
16 16: USB-SteckmechanismusUSB plug-in mechanism
1717: Ladereglercharge controller
1818: reversibler Schutzschalterreversible circuit breaker
1919: USB-LadekabelUSB charging cable
2020: Benutzeruser
100 bis 700100 to 700: Verfahrensschrittesteps

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006022394 A1 [0005]
DE 102011005425 A1 [0006]

Claims

A method of charging a battery (1), comprising the steps - determining (100) a discharge rate of the battery (1); - Determining (200) a predefined threshold value (2) of a state of charge of the battery (1) as a function of the discharge rate based on a predefined reference (3); - detecting (300) a current state of charge of the battery (1); - releasing (400) the charging of the battery (1) when the current state of charge of the battery (1) is below the predefined threshold value (2); and - charging (500) the battery (1) in response to the release (400).

Method according to Claim 1 wherein the determination (100) of the discharge rate and / or the determination (200) of the predefined threshold value (2) are continued based on the predefined reference (3) after the release (400) and the loading (500) is ended if the predefined threshold value (2) Threshold (2) is greater than the current state of charge.

Method according to Claim 2 wherein, after terminating (600) the load (500), the process of determining (100) the rate of discharge is continued.

Method according to one of the preceding claims, wherein an increase in the discharge rate causes a decrease of the predefined threshold value (2) of the state of charge of the battery (1).

Method according to one of the preceding claims, wherein the predefined threshold value (2) of the state of charge of the battery (1) is associated with a mathematical function (3) whose second derivative is negative as the discharge rate increases.

Method according to one of the preceding claims, wherein the determination (100) of the discharge rate and the determination (200) of the predefined threshold value (2) take place continuously or after a predefined period of time, in particular averaged.

Method according to one of the preceding claims, wherein the charging (500) is prevented when a value of the current state of charge of 100% is reached until the state of charge is below the predefined threshold value (2).

Method according to one of the preceding claims, further comprising the step: Prevent charge start over a predefined period of time after an end of the last charge.

Battery management system (7), which is arranged, a method according to one of Claims 1 to 8th perform.

Charger (4), which is arranged, a method according to one of Claims 1 to 8th perform.