DE102018211264A1 - Verfahren zum Laden einer Batterie und Steuereinheit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie (2) mittels einer elektrischen Energiequelle (3), wobei ein Ladungssegment (Qs) und ein Zeitsegment (ts) ausgewählt werden, wobei der elektrischen Energiequelle (3) eine Steuereinheit (5) zugeordnet ist, die die Energiequelle (3) oder einen Pulsgenerator (4) steuert, wobei die Steuereinheit (5) die Energiequelle (3) oder den Pulsgenerator (4) derart ansteuert, dass ein Ladepuls (LP) im Zeitsegment (ts) erzeugt wird, um das Ladungssegment (Qs) in die Batterie (2) zu laden, wobei der Ladepuls (LP) mindestens einen Puls (P) und eine Pulspause (PP) aufweist, wobei das Verfahren solange fortgesetzt wird, bis eine vorgegebene Abbruchbedingung erreicht ist, sowie eine Steuereinheit (5).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie und eine Steuereinheit.
  • Derzeit werden Batterien (z.B. Li-Ionen) mit immer höheren Strömen geladen, um die Ladezeit bei steigender Kapazität konstant halten zu können. Dabei wird bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung mit einem konstanten Strom geladen und anschließend die Spannung konstant gehalten bei gleichzeitiger Reduktion des Stromes. Diese CV-Phase benötigt durch geringe Ladeströme lange Ladezeiten. Ein solches Verfahren wird auch als CC/CV-Verfahren (const current/constant voltage) bezeichnet und wird in der DE 10 2010 051 016 A1 als Stand der Technik beschrieben.
  • Des Weiteren sind Verfahren zum Laden bekannt, die Strom in Form von Ladepulsen verwenden. Aus der US 2013/0026976 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Ladepuls einen positiven Puls aufweist sowie eine Pulspause und einen Entladepuls, wobei bei der Pulspause der Strom größer oder gleich Null sein kann. Abhängig von der Spannung der Batterie wird die Länge des Pulses reduziert. Dabei ist auch vorgesehen, dass die Höhe des Entladepulses reduziert wird. Übersteigt dann die Spannung an der Batterie einen Schwellwert, so wird das Verfahren beendet. Dabei wird das Zeitsegment eines Ladepulses zum Ende hin reduziert. In einer alternativen Ausführungsform wird nur die Pulsauszeit in dem Maße verlängert, wie die Pulszeit verkürzt wird. Schließlich wird noch eine Ausführungsform offenbart, bei der der Entladepuls durch zwei Pulspausen eingerahmt ist. Das letztere Verfahren ist auch aus der US 5,481,174 A bekannt.
  • Die Pulsladeverfahren haben das Potential, die Ladezeiten signifikant zu verkürzen.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zum Laden einer Batterie weiter zu verbessern sowie eine hierfür geeignete Steuereinheit zu schaffen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Steuereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Dabei erfolgt das Laden einer Batterie mittels einer elektrischen Energiequelle, wobei ein Ladungssegment und ein Zeitsegment ausgewählt werden, wobei der elektrischen Energiequelle eine Steuereinheit zugeordnet ist, die die Energiequelle oder einen Pulsgenerator steuert, wobei die Steuereinheit die Energiequelle oder den Pulsgenerator derart ansteuert, dass ein Ladepuls im Zeitsegment erzeugt wird, um das Ladungssegment in die Batterie zu laden, wobei der Ladepuls mindestens einen Puls und eine Pulspause aufweist, wobei das Verfahren solange fortgesetzt wird, bis eine vorgegebene Abbruchbedingung erreicht ist. Die Grundidee der Erfindung ist, nicht zwangsweise mit dem höchstmöglichen Strom möglichst lange zu laden, sondern ein sehr schonendes, aber doch schnelles Laden zu erreichen, indem versucht wird, ein bestimmtes Ladungssegment innerhalb der Zeitsegmente kontinuierlich unterzubringen. Vorzugsweise weist der Ladepuls genau einen Puls auf.
  • Dabei kann ein Ladestrom in den Pulspausen größer Null oder gleich Null eingestellt werden. Der Vorteil eines Ladestromes größer Null in den Pulspausen ist, dass nicht fehlerhaft auf einen Ladeabbruch geschlossen werden kann.
  • Zusätzlich oder alternativ kann in den Pulspausen ein Entladepuls eingestellt werden, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden die Gradienten der Pulsan- oder -abstiege auf einen vorgegebenen Wert begrenzt, beispielsweise auf 20 A/s.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird das Ladungssegment reduziert, wenn der Puls das Zeitsegment erreicht oder eine vorgegebene maximale Ladezeit überschreitet.
  • Umgekehrt wird das Ladungssegment erhöht, wenn der Puls kürzer als eine vorgegebene minimale Ladezeit ist.
  • Die vorgegebene Abbruchbedingung ist in einer Ausführungsform ein Grenzwert für den Ladezustand der Batterie, wobei der Grenzwert mindestens SOC = 80 % ist, vorzugsweise größer/gleich 85 % und besonders bevorzugt größer/gleich 90 %.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden in der Steuereinheit Kennlinien für den maximalen Strom, die maximale Spannung und die Temperatur der Batterie berücksichtigt.
  • Die Steuereinheit zum Steuern einer elektrischen Energiequelle oder eines Pulsgenerators zum Erzeugen von Ladepulsen zum Laden einer Batterie ist derart ausgebildet, die elektrische Energiequelle oder den Pulsgenerator derart anzusteuern, dass ein Ladepuls erzeugt wird, um in einem vorgegebenen Zeitsegment ein vorgegebenes Ladungssegment zu erzeugen, wobei der Ladepuls mindestens einen Puls und eine Pulspause aufweist, wobei die Steuereinheit weiter derart ausgebildet ist, die Ladepulse solange zu erzeugen, bis eine vorgegebene Abbruchbedingung erreicht ist.
  • Hinsichtlich der möglichen weiteren Ausgestaltung der Steuereinheit wird auf die vorangegangenen Ausführungen zum Verfahren Bezug genommen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Laden einer Batterie,
    • 2 einen Ladepuls in einer ersten Ausführungsform,
    • 3 einen Ladepuls in einer zweiten Ausführungsform,.
    • 4 einen Ladepuls in einer dritten Ausführungsform,
    • 5 einen Ladepuls in einer vierten Ausführungsform,
    • 6 eine Ladepulsfolge mit einer Reduzierung des Ladungssegments,
    • 7 eine Ladepulsfolge mit einer Erhöhung des Ladungssegments und
    • 8 eine beispielhafte Ladepulsfolge.
  • In der 1 ist schematisch ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zum Laden einer Batterie 2 dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist eine elektrische Energiequelle 3, einen Pulsgenerator 4 sowie eine Steuereinheit 5 auf. Die elektrische Energiequelle 3 kann dabei eine Gleich- oder Wechselspannungsquelle sein, wobei der Pulsgenerator 4 dazu ausgebildet ist, die elektrische Energie der Energiequelle 3 in Ladepulse LP zu wandeln. Die Steuereinheit 5 weist eine Eingabeeinheit auf, über die Eingaben wie Ladungssegment Qs und Zeitsegment ts eingegeben werden können. Des Weiteren erhält die Steuereinheit 5 Daten wie beispielsweise Spannung und Temperatur von der Batterie 2. Zusätzlich sind in der Steuereinheit 5 Kennlinien von Strom I, Spannung U und Temperatur T abgelegt, aus denen sich beispielsweise der maximal zulässige Strom I bei einer bestimmten Temperatur und Spannung der Batterie 2 ergibt. Schließlich sind noch eine minimale Ladezeit tlade,min und eine maximale Ladezeit tlade,max abgelegt. Dabei bleibt das Zeitsegment ts über alle Ladepulse LP gleich. Auch das Ladungssegment bleibt mit wenigen Ausnahmen (dazu später mehr im Zusammenhang mit 6 und 7) konstant, wobei das Verhältnis von Puls zu Pulspause dynamisch über das Ladungssegment Qs gesteuert wird, was noch näher erläutert wird. Dabei kann der Pulsgenerator 4 auch in die Energiequelle 3 integriert sein.
  • Zunächst sollen einige mögliche Ausführungsformen der Ladepulse LP anhand der 2 bis 5 näher erläutert werden. Dabei ist in 2 eine erste mögliche Ausführungsform eines Ladepulses LP dargestellt. Der Ladepuls LP setzt sich zusammen aus einem Puls P und einer Pulspause PP, wobei sich das Zeitsegment ts des Ladepulses LP aus der Ladezeit tlade und der Pausenzeit tpp zusammensetzt. In dem Zeitsegment tS wird insgesamt das Ladesegment QS in die Batterie 2 geladen. Im dargestellten Beispiel ist der Ladestrom I in der Pulspause PP größer Null, sodass ein Teil des Ladungssegments Qs auch in der Pulspause PP in der Batterie 2 geladen wird. Anschaulich ist Qs das Integral des Ladepulses LP. Dabei sei angemerkt, dass vorzugsweise der Strom Imax des Pulses P als maximal möglicher Strom zu den vorliegenden Umgebungsbedingungen (U, T, SOC) der Batterie 2 gewählt wird. Der Strom Imax kann beispielsweise 200 A betragen.
  • In der 3 ist ein alternativer Ladepuls LP dargestellt, wobei der Unterschied zum Ladepuls LP gemäß 2 ist, dass die Stromstärke I in der Pulspause PP Null ist.
  • In der 4 ist in der Pulspause PP noch zusätzlich ein Entladungspuls EP vorgesehen. Dieser kann auch am Ende des Ladepulses LP vorgesehen sein oder innerhalb der Pulspause PP. Die Stromstärke I der Pulspause PP kann wie dargestellt größer Null sein oder aber gleich Null.
  • In der 5 ist ein Ladepuls LP dargestellt, wobei die Pulsan- und -abstiege begrenzt sind. Dabei sei angemerkt, dass diese Ausführungsform auch mit den anderen Ladepulsen LP kombiniert werden kann. Beispielsweise ist der Betrag des Gradienten auf 20 A/s begrenzt.
  • In der 6 ist nun ein Szenarium dargestellt, wo das Ladungssegment Qs reduziert werden muss, da eine maximale Ladezeit tlade,max überschritten wurde. Entsprechend reduziert die Steuereinheit 5 das Ladungssegment Qs auf Qs' für den nächsten Ladepuls LP, sodass die maximale Ladezeit tlade,max nicht mehr überschritten wird.
  • In der 7 ist ein Szenarium dargestellt, wo das Ladungssegment Qs auf Qs' erhöt wird, weil eine minimale Ladezeit tlade,min unterschritten wird. Alternativ kann in solchen Fällen auch die Stromstärke der Pulse P erniedrigt werden.
  • In der 8 ist eine beispielhafte Pulsfolge dargestellt, wobei das Ladungssegment Qs konstant bleibt. Muss aufgrund der Umweltbedingungen der Batterie 2 (z.B. U, T und/oder SOC) die Stromstärke I reduziert werden, so wird die Ladezeit tlade entsprechend verlängert und die Pulspause PP verkürzt.
  • Ist dann eine Abbruchbedingung (z.B. SOC = 90 %) erreicht, wird das Verfahren beendet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010051016 A1 [0002]
    • US 2013/0026976 A1 [0003]
    • US 5481174 A [0003]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Laden einer Batterie (2) mittels einer elektrischen Energiequelle (3), wobei ein Ladungssegment (Qs) und ein Zeitsegment (ts) ausgewählt werden, wobei der elektrischen Energiequelle (3) eine Steuereinheit (5) zugeordnet ist, die die Energiequelle (3) oder einen Pulsgenerator (4) steuert, wobei die Steuereinheit (5) die Energiequelle (3) oder den Pulsgenerator (4) derart ansteuert, dass ein Ladepuls (LP) im Zeitsegment (ts) erzeugt wird, um das Ladungssegment (Qs) in die Batterie (2) zu laden, wobei der Ladepuls (LP) mindestens einen Puls (P) und eine Pulspause (PP) aufweist, wobei das Verfahren solange fortgesetzt wird, bis eine vorgegebene Abbruchbedingung erreicht ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dass in den Pulspausen (PP) ein Ladestrom größer Null oder gleich Null eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Pulspausen (PP) ein Entladepuls (EP) eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradienten der Pulsan- oder -abstiege auf einen vorgebbaren Wert begrenzt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Puls (P) das Zeitsegment (ts) erreicht oder eine vorgegebene maximale Ladezeit (tlade,max) überschreitet, das Ladungssegment (Qs) reduziert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine minimale Ladezeit (tlade,min) vorgegeben wird, wobei das Ladungssegment (Qs) erhöht wird, wenn der Puls (P) kürzer als die minimale Ladezeit (tlade,min) ist.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbruchbedingung ein Grenzwert für den Ladezustand der Batterie (2) ist, wobei der Grenzwert mindestens SOC = 80 % ist.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (5) Kennlinien für den maximalen Strom (I), die maximale Spannung (U) und die Temperatur (T) der Batterie (2) berücksichtigt werden.
  9. Steuereinheit (5) zum Steuern einer elektrischen Energiequelle (3) oder eines Pulsgenerators (4) zum Erzeugen von Ladepulsen (LP) zum Laden einer Batterie (2), wobei die Steuereinheit (5) derart ausgebildet ist, die Energiequelle (3) oder den Pulsgenerator (4) derart anzusteuern, dass ein Ladepuls (LP) erzeugt wird, um in einem vorgegebenen Zeitsegment (ts) ein vorgegebenes Ladesegment (Qs) zu erzeugen, wobei der Ladepuls (LP) mindestens einen Puls (P) und eine Pulspause (PP) aufweist, wobei die Steuereinheit (5) weiter derart ausgebildet ist, die Ladepulse (LP) solange zu erzeugen, bis eine vorgegebene Abbruchbedingung erreicht ist.
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