DE102017218269A1 - Verfahren zum Laden eines Energiespeichers - Google Patents

Verfahren zum Laden eines Energiespeichers Download PDF

Info

Publication number
DE102017218269A1
DE102017218269A1 DE102017218269.5A DE102017218269A DE102017218269A1 DE 102017218269 A1 DE102017218269 A1 DE 102017218269A1 DE 102017218269 A DE102017218269 A DE 102017218269A DE 102017218269 A1 DE102017218269 A1 DE 102017218269A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
voltage
energy store
charging
charging current
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102017218269.5A
Other languages
English (en)
Inventor
Rolf Fischperer
Stefan Haßler
Helmut Kahrs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
Priority to DE102017218269.5A priority Critical patent/DE102017218269A1/de
Publication of DE102017218269A1 publication Critical patent/DE102017218269A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • B60L58/13—Maintaining the SoC within a determined range
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/547—Voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/549—Current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Abstract

Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laden eines Energiespeichers wird ein Ladestrom (IL) zum Laden des Energiespeichers in Abhängigkeit von einer Spannung (Ubatt) des Energiespeichers geregelt. Dabei wird ein Pegel des Ladestroms (IL) derart geregelt, dass der Pegel des Ladestroms beim Überschreiten eines unteren Schwellwertes (Uu) der Spannung (Ubatt) des Energiespeichers reduziert wird. Das Verfahren ermöglicht ein effizientes Laden des Energiespeichers, wobei ein Zweipunkt-Verhalten während des Ladens und gleichzeitig ein Überladen des Energiespeichers verhindert werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers, beispielsweise einer Batterie.
  • Auf elektrisch angetriebenen Fahrzeugen befinden sich im allgemeinen Energiespeicher zum Bereitstellen einer Energie zum Antreiben der Fahrzeuge. Derartige Energiespeicher können beispielsweise Batterien, insbesondere Lithium-Ion-Batterien, sein, die eine Spannung (Klemmenspannung) zum Betreiben eines Elektromotors zur Verfügung stellen. Die Spannung eines derartigen Energiespeichers wird insbesondere vom Ladestrom bzw. Entladestrom beeinflusst. Technische Ursachen hierfür können zum Beispiel Innenwiderstände der Energiespeicher (ohmsch), transiente Polarisationsspannungen (kapazitiv) oder ähnliche Phänomene sein. Im Folgenden wird nur die spannungsbeeinflussende Wirkung der Ladeströme bzw. Entladeströme betrachtet, nicht jedoch deren physikalische Ursache.
  • Die folgenden Randbedingungen sollen beim Laden bzw. Entladen eines Energiespeichers beachtet werden:
    1. a) Das Laden des Energiespeichers soll in möglichst kurzer Zeit unter Beachtung der zulässigen Ladeströme erfolgen.
    2. b) Beachtet werden sollen des Weiteren die zulässigen maximalen bzw. minimalen Spannungen des Energiespeichers.
    3. c) Das Laden des Energiespeichers soll, insbesondere aus Gründen der Lebensdauer, in einem Bereich oberhalb des minimal möglichen Ladezustands des Energiespeichers, das heißt oberhalb eines Wertes von 0% SOC (State of Charge), und unterhalb des maximal möglichen Ladezustands, das heißt unterhalb eines Wertes von 100% SOC, erfolgen. Beispielsweise soll der Ladezustand des Energiespeichers zwischen mindestens 10% und 90% des maximal möglichen Ladezustands liegen. Der Ladezustand soll sich anhand einer Spannung des Energiespeichers im stromlosen Zustand ermitteln lassen, oder er soll sich durch Integration des Batteriestroms über die Zeit bestimmten lassen.
    4. d) Beim Erreichen des gewünschten Ladezustands des Energiespeichers soll das Abschalten eines Ladegeräts bzw. Entladegeräts erfolgen. Hierbei kommen typsicherweise Steller zum Einsatz, die durch innere Verluste auch bei einem DC-Strom von 0 A unerwünschte AC-Verluste sowie Schall erzeugen und unerwünscht thermisch belastet werden und deshalb abgeschaltet werden sollen.
    5. e) Über eine geeignete Datenschnittstelle soll der Energiespeicher seinen aktuellen Ladezustand und den zulässigen Ladestrom angeben, wobei der Ladezustand und der zulässige Ladestrom aus diversen batterieinternen Randbedingungen und Parametern berechnet werden. Der Energiezustand und der Ladestrom sollen im Ladegerät (Steller), beispielsweise im bordseitigen Ladegerät, eingelesen und beachtet werden.
    6. f) Es wird davon ausgegangen, dass keine detaillierten internen Informationen des Energiespeichers, zum Beispiel zu transienten Polarisationseffekten oder Widerständen, anhand derer (komplizierte) Kompensationsmechanismen beim Laden berücksichtigt werden könnten, vorliegen.
  • Zum Laden von Energiespeichern, beispielsweise zum Laden von Lithium-Ion-Batterien, ist das sogenannte CCCV (constant current-constant voltage) Ladeverfahren, das auch als IU-Ladeverfahren bezeichnet wird, bekannt. Dabei wird der Energiespeicher bzw. die Batterie mit konstantem Ladestrom geladen, bis eine vordefinierte Maximalspannung Umax erreicht wird. Danach wird der Ladevorgang mit der Maximalspannung fortgesetzt. Bekannte Abschaltkriterien bei konventionellen Batterieladegeräten sind ein Erkennen des Absinkens der Ladespannung (dU < 0), oder ein Erkennen des Spannungsmaximums (dU/dT = 0), oder ein Erkennen des Abflachens des Ladespannungsverlaufs (d2U/dT2 = 0). All diese Erkennungsmechanismen sind für Lithium-Ion-Batterien, insbesondere, wenn sie unterhalb des maximal möglichen Ladezustands betrieben werden, unbrauchbar. Im hier vorliegenden Fall mit einem betrieblichen maximalen Ladezustand, der kleiner als der maximal mögliche Ladezustand ist, wird gegebenenfalls die maximale Ladespannung niemals erreicht.
  • Stattdessen kann zum Beispiel eine Abschaltung erfolgen, wenn beim Laden ein definierter Spannungswert UmSOC erreicht wird, welcher dem gewünschten maximalen Ladezustand entspricht. Dies führt jedoch im Allgemeinen zu einem unerwünschten Effekt: Durch Abschalten des Ladestroms sinkt die Speicherspannung wieder unter den gewünschten maximalen Betriebswert, d.h. der Energiespeicher ist nicht vollständig geladen. Beginnt der Ladevorgang dann erneut, so steigt die Spannung des Energiespeichers wieder auf einen Wert oberhalb des gewählten Abschaltwertes, so dass erneut eine Abschaltung erfolgt. Dieses Verhalten setzt sich beliebig fort, so dass sich ein unerwünschtes „Zweipunkt-Verhalten“, d.h. ein ständiges Ein- und Ausschalten des Ladegerätes, mit langen Ladezeiten ergibt.
  • Eine weitere Alternative zum Laden eines Ladungsspeichers, insbesondere einer Batterie, besteht darin, anstelle der Maximalspannung Umax eine Spannung UmSOC in der CCCV-Ladecharakteristik vorzugeben, welche dem gewünschten betrieblichen maximalen Ladezustand im stromlosen Zustand entspricht. Abgeschaltet wird jedoch erst, wenn der Ladestrom gleich Null ist. Dies hat zur Folge, dass bei Annäherung an den gewünschten Ladezustand der Batterie die verfügbare Spannungsdifferenz zwischen dem Spannungswert UmSOC und der Gegenspannung der Batterie sehr klein wird, damit nur sehr kleine Ladeströme fließen können und infolge dessen eine unerwünscht lange Ladezeit entsteht.
  • Eine weitere Möglichkeit zum Laden eines Energiespeichers könnte darin bestehen, das Laden nicht in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung des Energiespeichers, sondern beim Erreichen des gewünschten Ladezustands des Energiespeichers zu beenden. Da jedoch die Berechnung des aktuellen Ladezustands eines Energiespeichers im Allgemeinen fehleranfällig sein kann, ist eine solche Methode risikobehaftet, da sie zum ungewollten Überschreiten der maximal zulässigen Spannung Umax des Energiespeichers führen kann oder zumindest messtoleranzbedingt unerwünschte Überspannungsschutzreaktionen einer Batterie provozieren kann.
  • Ein Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers anzugeben, mit dem das Laden des Energiespeichers effizient erfolgen kann, wobei insbesondere ein Zweipunkt-Verhalten während des Ladens und gleichzeitig ein Laden des Energiespeichers über den gewünschten SOC hinaus verhindert wird.
  • Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Laden eines Energiespeichers, wie es im Patentanspruch 1 angegeben ist, gelöst.
  • Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laden des Energiespeichers, insbesondere einer Batterie, wird ein Ladestrom IL zum Laden des Energiespeichers in Abhängigkeit von einer Spannung des Energiespeichers geregelt. Dabei wird ein Pegel des Ladestroms derart geregelt, dass der Pegel des Ladestroms beim Überschreiten eines unteren Schwellwertes der Spannung des Energiespeichers Uu reduziert wird.
  • Gemäß einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens wird der Pegel des Ladestroms derart geregelt, dass der Pegel des Ladestroms nach dem Überschreiten des unteren Schwellwertes der Spannung des Energiespeichers linear absinkt bzw. abgesteuert wird. Das Absenken des Pegels des Ladestroms erfolgt gemäß einer vorgegebenen Absteuerkennlinie. In Abhängigkeit von dem Erreichen eines vordefinierten Ladezustands des Energiespeichers wird der Ladestrom abgeschaltet. Gemäß dem angegebenen Verfahren erfolgt das Laden des Energiespeichers somit durch Definition einer spannungsabhängigen Absteuerkennlinie für den Ladestrom. Anstelle der Anwendung eines Spannungskriteriums zum Abschalten des Ladestroms erfolgt das Abschalten des Ladestroms mittels eines Ladezustandskriteriums (SOC-Kriterium).
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Pegel des Ladestroms derart geregelt, dass der Pegel des Ladestroms vor dem Überschreiten des unteren Schwellwertes der Spannung des Energiespeichers einen konstanten Wert hat. Das heißt, das Laden des Energiespeichers erfolgt unterhalb des unteren Schwellwertes der Spannung des Energiespeichers mit einem konstanten Ladestrompegel.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens liegt der untere Schwellwert der Spannung des Energiespeichers Uu unterhalb eines maximal zulässigen Werts der Spannung des Energiespeichers Umax und oberhalb eines Sollwertes der Spannung des Energiespeichers im stromlosen Zustand des Energiespeichers UmSOC. Der Sollwert ist dabei derjenige Wert der Spannung des Energiespeichers, der sich im stromlosen Zustand des Energiespeichers einstellt, wenn der Energiespeicher einen gewünschten Ladezustand aufweist, der unter dem maximal möglichen Ladezustand liegt. Der Sollwert ist beispielsweise derjenige Wert der Spannung des Energiespeichers, der sich im stromlosen Zustand des Energiespeichers einstellt, wenn der Energiespeicher einen Ladezustand von ungefähr 90% seines maximal möglichen Ladezustands aufweist.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird der Pegel des Ladestroms derart geregelt, dass er auf einen Null-Pegel absinkt, wenn der Wert der Spannung des Energiespeichers einen oberen Schwellwert Uo überschreitet. Der obere Schwellwert der Spannung des Energiespeichers liegt unterhalb des maximal zulässigen Wertes der Spannung des Energiespeichers Umax und oberhalb des unteren Schwellwertes der Spannung des Energiespeichers Uu.
  • Das Verfahren zum Laden des Energiespeichers kann insbesondere zum Laden einer Batterie verwendet werden. Die Batterie kann als eine Traktionsbatterie zum Antreiben eines Fahrzeugs ausgestaltet sein. Das Verfahren kann vorzugsweise zur Steuerung des bordseitigen Ladegeräts des Fahrzeugs eingesetzt werden.
  • Das Verfahren ermöglicht eine kurze Ladezeit des Energiespeichers und vermeidet einen langen Stellerbetrieb. Während des Ladens wird ein Zweipunkt-Verhalten des Ladegeräts, d.h. ein häufiges Ein- und Ausschalten des Ladegeräts, vermieden. Zur Anwendung des Verfahrens sind keine detaillierten Kenntnisse batterieinterner Parameter erforderlich.
  • Aufgrund der Vermeidung eines Zweipunkt-Verhaltens beim Laden des Energiespeichers werden sowohl das Ladegerät als auch der Energiespeicher bzw. die Batterie geschont. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Lebensdauer der Batterie bei gleichzeitig kurzer Ladezeit. Aufgrund der kurzen Ladezeit ergeben sich kurze Umlaufzeiten und infolgedessen kein Mehrbedarf an Fahrzeugen im Betrieb, insbesondere solchen Fahrzeugen, die einem Fahrplan unterliegen, weil die Ladezeit einer Fahrzeugbatterie zu lang wäre. Das Verfahren kann daher vorteilhaft für Fahrzeuge, die einem Fahrplan unterliegen beispielsweise Schienenfahrzeuge, eingesetzt werden.
  • Das angegebene Verfahren zum Laden des Energiespeichers kann analog auch für das Entladen des Energiespeichers angewandt werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verdeutlichen, näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein qualitatives Beispiel für eine Absteuerkennlinie zur Ausführung eines Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers;
    • 2 ein qualitatives Beispiel für eine Temperaturkennlinie zum Ermitteln eines unteren Schwellwertes einer Spannung eines Energiespeichers in Abhängigkeit von der Temperatur des Energiespeichers zur Ausführung eines Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers; und
    • 3 eine Ausführungsform einer Regelungsstruktur zur Regelung eines Ladestroms zum Laden eines Energiespeichers.
  • 1 zeigt eine Kennlinie (Absteuerkennlinie) zum Regeln eines Ladestroms IL zum Laden eines Energiespeichers, insbesondere einer Batterie. Der Ladestrom IL zum Laden des Energiespeichers wird in Abhängigkeit von einer Spannung Ubatt des Energiespeichers, beispielsweise einer Batteriespannung, geregelt.
  • Der Pegel des Ladestroms IL wird gemäß der in 1 gezeigten Kennlinie insbesondere derart geregelt, dass der Pegel des Ladestroms beim Überschreiten eines unteren Schwellwertes Uu der Spannung Ubatt des Energiespeichers reduziert wird. Vor dem Überschreiten des unteren Schwellwertes Uu der Spannung Ubatt des Energiespeichers kann der Pegel des Ladestroms IL auf einen konstanten Wert Imax geregelt werden. Der Energiespeicher wird somit mit dem konstanten Ladestrompegel Imax geladen. Beim Überschreiten des unteren Schwellwerts Uu der Spannung Ubatt des Energiespeichers kann der Pegel des Ladestroms IL kontinuierlich, beispielsweise linear, abgesenkt werden.
  • Der Ladestrom IL wird in Abhängigkeit von dem Erreichen eines bestimmten Ladezustands des Energiespeichers abgeschaltet. Wie anhand der Absteuerkennlinie der 1 zu erkennen ist, wird der Pegel des Ladestroms IL derart geregelt, dass er auf einen Null-Pegel absinkt, wenn der Wert der Spannung Ubatt des Energiespeichers einen oberen Schwellwert Uo überschreitet.
  • Der obere Schwellwert Uo der Spannung Ubatt des Energiespeichers liegt unterhalb eines maximal zulässigen Wertes Umax der Spannung Ubatt des Energiespeichers. Die maximal zulässige Batteriespannung Umax ergibt sich beispielsweise aus dem Datenblatt des Energiespeichers. Des Weiteren liegt der untere Schwellwert Uu der Spannung Ubatt des Energiespeichers oberhalb eines Sollwertes UmSOC der Spannung des Energiespeichers im stromlosen Zustand.
  • Der Sollwert UmSOC ist derjenige Wert der Spannung des Energiespeichers, der sich im stromlosen Zustand des Energiespeichers einstellt, wenn der Energiespeicher einen gewünschten Ladezustand aufweist, der unter einem maximal möglichen Ladezustand liegt. Der Sollwert UmSOC der Spannung des Energiespeichers ist beispielsweise derjenige Wert der Spannung Ubatt, den der Energiespeicher bei dem betrieblich maximal verwendeten Ladezustand aufweist. Der betrieblich maximal verwendete Ladezustand kann zum Beispiel bei 90% des tatsächlich maximal möglichen Ladezustands im stromlosen Zustand des Energiespeichers liegen. Der Sollwert UmSOC der Spannung des Energiespeichers kann beispielsweise aus einem Datenblatt oder durch Messung ermittelt werden. Physikalisch bedingt muss er unterhalb der maximal zulässigen Batteriespannung Umax liegen.
  • Zur Festlegung der Steilheit der Absteuerkennlinie wird der obere Schwellwert Uo der Spannung Ubatt und der untere Schwellwert Uu der Spannung Ubatt des Energiespeichers definiert. Der obere Schwellwert Uo der Spannung Ubatt des Energiespeichers liegt zwischen dem Spannungswert UmSOC und dem Spannungswert Umax. Der untere Schwellwert Uu der Spannung des Energiespeichers ist kleiner als der obere Schwellwert Uo und kann ebenfalls zwischen dem Spannungswert UmSOC und der maximal zulässigen Batteriespannung Umax liegen. Der untere Schwellwert Uu der Spannung des Energiespeichers kann auch unterhalb des Spannungswertes UmSOC liegen.
  • Gemäß der in 1 gezeigten linearen Absteuerkennlinie wird der Ladestrom IL linear zwischen dem unteren Schwellwert Uu und dem oberen Schwellwert Uo der Spannung des Energiespeichers von einem maximal zulässigen Pegel Imax des Ladestroms IL bis zu dem Null-Pegel abgesteuert.
  • Im Folgenden wird das Verhalten des Systems während des Ladens beschrieben. Beim Überschreiten des unteren Schwellwerts Uu der Spannung des Energiespeichers nimmt der Pegel des Ladestroms IL geringfügig ab. Dadurch beginnt auch der Wert der Spannung des Energiespeichers leicht abzusinken, weil diese Spannung, insbesondere wegen des Innenwiderstandes des Energiespeichers, ladestromabhängig ist. Daher stellt sich nur ein geringfügiger Rückgang des Pegels des Ladestroms IL ein. Erst mit zunehmendem Ladezustand der Batterie wird der Wert der Batteriespannung Ubatt immer größer und der Pegel des Ladestroms IL immer kleiner.
  • Wenn der gewünschte Ladezustand des Energiespeichers, beispielsweise 90% des maximal möglichen Ladezustands, erreicht ist, wird das Laden beendet und der Ladestrom wird abgeschaltet. Bis zu diesem Moment war der Ladestrom IL immer noch relativ groß, da mit einer Ladespannung, die größer als der Spannungswert UmSOC ist, geladen wurde. Nachdem der Energiespeicher vom Ladegerät getrennt wurde, sinkt die Batteriespannung in der Regel auf den Spannungswert UmSOC ab. Der Energiespeicher ist nun „voll“ geladen im Sinne des betrieblich gewünschten Wertes, z.B. 90 % des maximal möglichen Wertes. Falls dies nicht der Fall sein sollte, so wurde möglicherweise der Ladezustand des Energiespeichers über die zeitliche Integration der Batterieströme zu ungenau berechnet. Der Ladevorgang kann dann nach Korrektur des berechneten Ladezustands noch einmal gestartet werden.
  • Unbeabsichtigte Sicherheitsabschaltungen der Batterie bzw. unzulässig hohe Ladungen werden automatisch vermieden, da der obere Spannungswert Uo, bei dem kein Ladestrom mehr fließen kann, hinreichend weit unterhalb der maximalen Spannung Umax der Batterie liegt.
  • Im Folgenden wird die Einstellung der Steilheit der Absteuerkennlinie zwischen dem unteren Schwellwert Uu und dem oberen Schwellwert Uo der Spannung des Energiespeichers beschrieben. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, bei genauer Kenntnis der Batterieparameter, welche die Spannung beeinflussen, und bei Kenntnis des Zeitverhaltens des eigenen Ladereglers eine optimale Absteuerkennlinie herzuleiten. Oftmals sind jedoch nicht alle diese Parameter bekannt oder sie sind stark veränderlich. Daher wird im Folgenden ein effizienter und praktisch zu realisierender Ansatz zur Einstellung der Steilheit der Absteuerkennlinie vorgestellt.
  • Der obere Schwellwert Uo der Spannung Ubatt ergibt sich als Abstand zu der maximal möglichen Spannung Umax des Energiespeichers aus den Mess- und Regeltoleranzen des Ladesystems sowie ggf. in Abhängigkeit von weiteren gewünschten Sicherheitsabständen zu der maximal zulässigen Batteriespannung Umax.
  • Die Steilheit der Kennlinie ergibt sich im Wesentlichen aus der Wahl des unteren Schwellwertes Uu der Batteriespannung. Wenn innere Parameter der Batterie nicht bekannt sind, so lässt sich der untere Schwellwert Uu der Batteriespannung in Abhängigkeit von dem Verhalten des Energiespeichers einstellen. Im einfachsten Fall kann der untere Schwellwert Uu der Spannung des Energiespeichers gleich dem Spannungswert UmSOC eingestellt werden. Anschließend wird das Verhalten des Ladestroms IL überwacht.
  • Wenn der Pegel des Ladestroms IL beim Überschreiten des unteren Schwellwertes Uu der Spannung Ubatt der Batterie stark schwankt oder sogar auf den Null-Pegel absinkt, muss der untere Schwellwert Uu der Batteriespannung korrigiert werden. In diesem Fall wird der untere Schwellwert Uu der Batteriespannung verringert, z.B. unter dem Spannungswert UmSOC eingestellt. Wenn andererseits festgestellt wird, dass der Pegel des Ladestroms IL mit zunehmenden Ladezustand der Batterie kontinuierlich absinkt, so kann der untere Schwellwert Uu der Batteriespannung auch vergrößert werden, z.B. größer als der Spannungswert UmSOC eingestellt werden, um die Ladezeit der Batterie zu verkürzen. Zur Optimierung des unteren Schwellwertes Uu der Batteriespannung können unter Beachtung der beiden genannten Kriterien bekannte Optimierungsalgorithmen, zum Beispiel ein Intervallhalbierungsverfahren, verwendet werden.
  • Da innere Betriebsparameter des Energiespeichers bzw. der Batterie, insbesondere der Innenwiderstand, stark temperaturabhängig sein können, wird der untere Schwellwert Uu der Batteriespannung vorzugsweise bei der betrieblich kleinsten zu erwartenden Temperatur Tmin eingestellt. Dadurch ergibt sich eine Absteuerkennlinie mit einer geringen Steigung, d.h. eine relativ „flache“ Kennlinie mit einer großen Differenz zwischen dem unteren Schwellwert Uu und dem oberen Schwellwert Uo der Batteriespannung, so dass der Ladestrom IL auch bei höheren Temperaturen nicht schwingt, aber die Ladeströme vergleichsweise klein sind. Alternativ dazu kann bei tiefen Temperaturen eine gewisse Schwingung des Ladestroms IL in Kauf genommen werden. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen nicht bevorzugt, weil die Batterien im Betrieb üblicherweise eine definierte „hohe“ Betriebstemperatur aufweisen.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann der untere Schwellwert Uu der Spannung Ubatt des Energiespeichers in Abhängigkeit von einer Temperatur Tbatt des Energiespeichers eingestellt werden. Wenn die Ladezeit beispielsweise minimiert werden soll, so kann der untere Schwellwert Uu der Spannung des Energiespeichers temperaturabhängig erhöht werden.
  • 2 zeigt beispielhaft eine mögliche Temperaturkennlinie für den unteren Schwellwert Uu der Batteriespannung. Bei der dargestellten Lösung wird der untere Schwellwert Uu(Tmin) der Batteriespannung bei der kleinsten zu erwartenden Temperatur Tmin des Energiespeichers linear mit der Temperatur Tbatt des Energiespeichers bis auf einen Wert Uu(Tmax), den man bei normaler (maximaler) Betriebstemperatur Tmax des Energiespeichers ermittelt hat, erhöht.
  • Alternativ zu der in 2 gezeigten linearen Temperaturkennlinie zum Einstellen des unteren Schwellwertes Uu der Batteriespannung kann die Temperaturkennlinie durch Kenntnis der inneren Batterieparameter weiter optimiert werden.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform einer Regelungsstruktur zur Regelung des Ladestroms IL, bei der der Ladestrom IL in Abhängigkeit von der aktuellen Batteriespannung Ubatt gemäß der in 1 gezeigten Kennlinie geregelt wird.
  • Als Ausgangssignal einer Regelstrecke RS wird die Batteriespannung Ubatt(t) einem Glied P zugeführt. Das Glied P stellt einen P-Regler mit entsprechender Verstärkung dar. Die Steilheit der Rampe in der Absteuerkennlinie repräsentiert den Innenwiderstand der Batterie und kann als eine Verstärkung innerhalb der Regelstrecke betrachtet werden. Hinter einem Summationsglied S1 befindet sich ein Begrenzer B, der in Abhängigkeit von der Batteriespannung Ubatt(t) Werte zwischen 0 und 1 einem Multiplizierer M zuführt.
  • Nach Multiplikation des gewünschten Ladestroms Ibattsoll, beispielsweise des maximal möglichen Ladestroms Imax, mit dem zugeführten Wert zwischen 0 und 1 ergibt sich als Führungsgröße der Sollladestrom IL_soll, der einem weiteren Summationsglied S2 zugeführt wird. Dem Summationsglied S2 wird aus der Regelstrecke R der tatsächliche Ladestrom IL als Rückführgröße zugeführt, so dass sich am Ausgang des Summationsglieds S2 eine Regelabweichung ergibt. Diese Regelabweichung wird einem Glied PI zugeführt. Das Glied PI ist als ein PI-Regler ausgeführt, der ausgangsseitig mit der Regelstrecke RS verbunden ist. Die Regelstrecke umfasst ein Stellglied SG, das den Ladestrom IL einstellt. Dem Stellglied wird von dem PI-Regler PI eine Stellgröße d zugeführt. Durch die gegebene Physik des Energiespeichers, z.B. durch Multiplikation mit dem Innerwiderstand der Batterie Rbatt(T), ergibt sich am Ausgang der Regelstrecke schließlich die Batteriespannung Ubatt (t).
  • Die Steilheit der Rampe in der Absteuerkennlinie repräsentiert den Innenwiderstand Rbatt(T) der Batterie und kann als eine Verstärkung innerhalb der Regelstrecke betrachtet werden. Aufgrund des Temperatureinflusses ändert sich der Innenwiderstand der Batterie und damit auch die Streckenverstärkung. Die Reglerverstärkung des P-Reglers P muss in Abhängigkeit der Temperatur geführt werden, um einerseits ein schnelles Erreichen des gewünschten Ladezustands des Energiespeichers zu erreichen und andererseits den Regelkreis stabil zu halten.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Laden eines Energiespeichers, - wobei ein Ladestrom (IL) zum Laden des Energiespeichers in Abhängigkeit von einer Spannung (Ubatt) des Energiespeichers geregelt wird, - wobei ein Pegel des Ladestroms (IL) derart geregelt wird, dass der Pegel des Ladestroms beim Überschreiten eines unteren Schwellwertes (Uu) der Spannung (Ubatt) des Energiespeichers reduziert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Pegel des Ladestroms (IL) derart geregelt wird, dass der Pegel des Ladestroms (IL) nach dem Überschreiten des unteren Schwellwertes (Uu) der Spannung (Ubatt) des Energiespeichers linear absinkt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Pegel des Ladestroms (IL) derart geregelt wird, dass der Pegel des Ladestroms (IL) vor dem Überschreiten des unteren Schwelwertes (Uu) der Spannung (Ubatt) des Energiespeichers einen konstanten Wert hat.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Ladestrom (IL) in Abhängigkeit von dem Erreichen eines Ladezustands des Energiespeichers abgeschaltet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Pegel des Ladestroms (IL) derart geregelt wird, dass der Pegel des Ladestroms (IL) auf einen Null-Pegel absinkt, wenn der Wert der Spannung (Ubatt) des Energiespeichers einen oberen Schwellwert (Uo) überschreitet.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der untere Schwellwert (Uu) der Spannung (Ubatt) des Energiespeichers unterhalb eines maximal zulässigen Wertes (Umax) der Spannung (Ubatt) des Energiespeichers und oberhalb eines Sollwertes (UmSOC) der Spannung des Energiespeichers im stromlosen Zustand des Energiespeichers liegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Sollwert (UmSOC) derjenige Wert der Spannung (Ubatt) des Energiespeichers ist, der sich im stromlosen Zustand des Energiespeichers einstellt, wenn der Energiespeicher einen Ladezustand aufweist, der unter einem maximal möglichen Ladezustand liegt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Sollwert (UmSOC) derjenige Wert der Spannung des Energiespeichers ist, der sich im stromlosen Zustand des Energiespeichers einstellt, wenn der Energiespeicher einen Ladezustand von ungefähr 90% des maximal möglichen Ladezustands aufweist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der obere Schwellwert (Uo) der Spannung (Ubatt) des Energiespeichers unterhalb des maximal zulässigen Wertes (Umax) der Spannung (Ubatt) des Energiespeichers und oberhalb des unteren Schwellwertes (Uu) der Spannung des Energiespeichers liegt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der untere Schwellwert (Uu) der Spannung (Ubatt) des Energiespeichers von einer Temperatur des Energiespeichers abhängig ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der untere Schwellwert (Uu) der Spannung des Energiespeichers linear mit der Temperatur des Energiespeichers ansteigt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Energiespeicher als eine Batterie zum Antreiben eines Fahrzeugs ausgebildet ist.
DE102017218269.5A 2017-10-12 2017-10-12 Verfahren zum Laden eines Energiespeichers Pending DE102017218269A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017218269.5A DE102017218269A1 (de) 2017-10-12 2017-10-12 Verfahren zum Laden eines Energiespeichers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017218269.5A DE102017218269A1 (de) 2017-10-12 2017-10-12 Verfahren zum Laden eines Energiespeichers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102017218269A1 true DE102017218269A1 (de) 2019-04-18

Family

ID=65910451

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017218269.5A Pending DE102017218269A1 (de) 2017-10-12 2017-10-12 Verfahren zum Laden eines Energiespeichers

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102017218269A1 (de)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5973478A (en) * 1997-05-23 1999-10-26 Bolder Technologies Corporation Battery recharger using taper charge
JP2007151261A (ja) * 2005-11-25 2007-06-14 Fuji Electric Systems Co Ltd 電池の充放電方式
US20070188134A1 (en) * 2006-02-16 2007-08-16 Summit Microelectronics, Inc Switching battery charging systems and methods
US20110037438A1 (en) * 2009-08-17 2011-02-17 Apple Inc. Modulated, temperature-based multi-cc-cv charging technique for li-ion/li-polymer batteries
US20110210695A1 (en) * 2010-02-26 2011-09-01 Sanyo Electric Co., Ltd. Charging apparatus, program
US20150022160A1 (en) * 2013-07-19 2015-01-22 Apple Inc. Adaptive effective c-rate charging of batteries

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5973478A (en) * 1997-05-23 1999-10-26 Bolder Technologies Corporation Battery recharger using taper charge
JP2007151261A (ja) * 2005-11-25 2007-06-14 Fuji Electric Systems Co Ltd 電池の充放電方式
US20070188134A1 (en) * 2006-02-16 2007-08-16 Summit Microelectronics, Inc Switching battery charging systems and methods
US20110037438A1 (en) * 2009-08-17 2011-02-17 Apple Inc. Modulated, temperature-based multi-cc-cv charging technique for li-ion/li-polymer batteries
US20110210695A1 (en) * 2010-02-26 2011-09-01 Sanyo Electric Co., Ltd. Charging apparatus, program
US20150022160A1 (en) * 2013-07-19 2015-01-22 Apple Inc. Adaptive effective c-rate charging of batteries

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112017005341T5 (de) Verfahren zum schnellladen von lithium-ionen-akkumulatoren
EP2997637B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum laden von wiederaufladbaren zellen
DE112010001900B4 (de) Brennstoffzellensystem, Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem, und mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattetes Fahrzeug
DE102017222975A1 (de) Steuervorrichtung, Gleichgewichtskorrekturvorrichtung, elektrisches Speichersystem und Einrichtung
DE2455872A1 (de) Batterieladeanlage, vorzugsweise fuer nickel-kadmium-batterien
EP2896105B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum laden von batterien
DE102012110555B4 (de) Kombiniertes PI-Regelungs- und Vorsteuerverfahren für den Zellenladezustandsausgleich
EP0688698A2 (de) Bordnetz für ein Kraftfahrzeug
DE102011109465B4 (de) Stromregelalgorithmus zum schnellladen einer batterie
DE102019116211A1 (de) Antriebssteuereinrichtung zum Steuern eines Fahrzeugantriebssystems
DE102018200976A1 (de) Verfahren zum Steuern des Ladens einer Batterieeinheit, Verfahren zum Laden einer Batterieeinheit, Steuereinheit, Ladesystem, Batteriesystem und Arbeitsvorrichtung
DE112010001455T5 (de) Brennstoffzellensystem und mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattetes Elektrofahrzeug
DE102017116337B4 (de) Brennstoffzellen-ladesystem zum anlegen von spannung aus einem hochspannungssystem an einen brennstoffzellenstapel zur verwendung bei diagnosetests
EP0233191B1 (de) Schaltungsanordnung zur regelung der hochspannungsversorgung eines elektrostatischen filters
DE102016212762A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Schnellladen eines Hochvoltenergiespeichers
DE2009911C3 (de) Ladegerät für Bleibatterien
DE102013008829A1 (de) Kraftfahrzeug
DE60013222T2 (de) Batteriemodul mit nichtwässrigem Elektrolyt für einen künstlichen Satelliten
DE102004026250B4 (de) Ansteuerschaltung für Piezoaktoren
EP2810815A1 (de) Energiespeichersystem und Verfahren zur Spannungsanpassung eines Energiespeichers
DE102019125396B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs auf einen Ziel-Ladezustand
DE102017218269A1 (de) Verfahren zum Laden eines Energiespeichers
DE102010020993A1 (de) Verfahren zum Steuern der maximalen Laderate einer elektrochemischen Energiespeichereinrichtung
DE102017116916B4 (de) Brennstoffzellen-Erholungssystem
EP2521241A1 (de) Laden von Sekundärzellen (Akkus) mit geregeltem Eingangsstrom

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: SIEMENS MOBILITY GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNER: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, 80333 MUENCHEN, DE

R016 Response to examination communication