DE102020122946A1

DE102020122946A1 - Wiederaufladbare Batterieanordnung und Verfahren zum Betreiben einer wiederaufladbaren Batterieanordnung

Info

Publication number: DE102020122946A1
Application number: DE102020122946.1A
Authority: DE
Inventors: Daniel Kessler
Original assignee: SAF Holland GmbH
Current assignee: SAF Holland GmbH
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2022-03-03

Abstract

Wiederaufladbare Batterieanordnung (1), wobei die Batterieanordnung (1) eine Batterie (2), insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, und ein Batteriemanagementsystem (4) umfasst, wobei die Batterie (2) dazu ausgelegt ist, Lade-/Entladezyklen (6) zu durchlaufen, wobei das Batteriemanagementsystem (4) dazu ausgelegt ist, einen Entladungsgrad (8) der Batterie (2) in Abhängigkeit eines Gebrauchsparameters einzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine wiederaufladbare Batterieanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer wiederaufladbaren Batterieanordnung.
Wiederaufladbare Batterien, insbesondere Li-lonen-Batterien, bestehen in der Regel aus einer oder mehreren Zellen. Mit den elektro-chemischen Prozessen der Zellen im Betrieb der Batterie gehen Alterungsprozesse einher, wodurch die Kapazität der Batterie mit der Zeit stetig abnimmt. Eine Batterie hat daher zu einem späteren Zeitpunkt üblicherweise nicht mehr die volle Kapazität wie zur Auslieferung bzw. zu Beginn der Nutzung. Der Alterungszustand der Batterie wird in der Fachsprache oft auch als „State of Health“ (SoH) bezeichnet. Für Zellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung (z.B. Li-NMC, Li-MnO₂, LiCoO₂, Li-FePO₄) treten unterschiedliche Alterungseffekte auf, welche die Lebenszeit der Batterie bestimmen. Während bei manchen Batterietypen die Alterungseffekte z.B. vor allem im fast vollständig entladenen Bereich auftreten, ist für andere Typen schädlich die Batterie vollständig aufzuladen. Typisch ist dabei grundsätzlich, dass bei voller Ausnutzung der Gesamtkapazität die wiederaufladbare Batterie schneller altert, als wenn nur ein Teil der Kapazität genutzt wird. Es ist daher aus dem Stand der Technik bekannt, Batterien nur bei einem bestimmten Entladungsgrad zu betreiben, um ihre Lebenszeit zu verlängern. Der Entladungsgrad wird auch als DoD („depth of discharge“) bezeichnet und er gibt an, welcher Anteil (in Prozent) der Gesamtkapazität der Batterie grundsätzlich verwendet wird. Der aktuelle Ladezustand, welcher auch mit SoC bezeichnet wird („State of Charge“), wird dabei ebenfalls in Prozentwerten angegeben, wobei 100% eine vollständig aufgeladene Batterie und 0% eine vollständig entladene Batterie bezeichnen. Es ist vom Batterietyp abhängig, in welchem Kapazitätsbereich die Batterie vorzugsweise betrieben werden sollte.
Es ist für viele Anwendungsbereiche, wie zum Beispiel im Automobilbereich, insbesondere für Nutzfahrzeuge, aber auch für Anwendungen der Medizintechnik und für Elektrowerkzeuge wünschenswert, Batterien möglichst lange mit einer möglichst konstant bleibenden nutzbaren Kapazität betreiben zu können. Um dies zu erreichen, ist es im Stand der Technik bekannt, die wiederaufladbaren Batterien bereits nach wenigen Lade- bzw. Entladezyklen auszutauschen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine wiederaufladbare Batterieanordnung bereitzustellen, insbesondere für den Betrieb von Nutzfahrzeugen, die möglichst kostengünstig ist und einen häufigen Austausch der Batterie vermeidet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine wiederaufladbare Batterieanordnung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Betreiben einer wiederaufladbaren Batterieanordnung gemäß Anspruch 9. Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine wiederaufladbare Batterieanordnung vorgesehen, wobei die Batterieanordnung eine Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, und ein Batteriemanagementsystem umfasst, wobei die Batterie dazu ausgelegt ist, Lade-/Entladezyklen zu durchlaufen, wobei das Batteriemanagementsystem dazu ausgelegt ist, einen Entladungsgrad der Batterie in Abhängigkeit eines Gebrauchsparameters einzustellen. Die Batterie kann aus einer oder mehreren (wiederaufladbaren) Zellen, insbesondere Akkumulatorzellen, bestehen. Vorzugsweise ist die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie, besonders bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie mit einem kostengünstigen Zellenformat, wie z.B. 18650, 26650, 21700 oder einem ähnlichen Zellenformat. Es kann sich zum Beispiel um eine LiFePO₄-, eine LiCoO₂-, eine Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid- oder um eine LiMn₂O₄-Batterie handeln. Aber auch andere Batterietypen sind denkbar, wie zum Beispiel ein Bleiakkumulator. Das Batteriemanagementsystem dient der Überwachung, Steuerung und/oder Regelung der Batterie bzw. der einzelnen Zellen der Batterie, insbesondere der Bestimmung bzw. der Einstellung und/oder Regelung des Ladezustandes. Z.B. kann dieser anhand einer Zellen- und/oder einer Ladespannung und/oder eines Innenwiderstands der Batterie beeinflusst werden. Die Überwachung kann z.B. dazu dienen, einen vorzeitigen Ausfall oder eine Überhitzung der Batterie oder einzelner Zellen der Batterie zu verhindern. Überwacht werden durch das Batteriemanagementsystem können z.B. Daten wie Spannung, Temperatur, Kapazität, etc. und der Gebrauchsparameter. Optional kann das Batteriemanagementsystem auch dazu ausgelegt sein, gegebenenfalls Maßnahmen wie Kühlen und/oder Heizen zu veranlassen, um die Temperatur der Batterie in einem gewünschten Bereich, z.B. bei Raumtemperatur, insbesondere zwischen 15 C° bis 40°C, zu halten. Die Batterieanordnung wird bevorzugt bei Raumtemperatur betrieben, um ein temperaturbedingtes schnelleres Altern oder temperaturbedingte Schwankungen in der Kapazität der Batterie auszuschließen und/oder zu minimieren. Optional kann das Batteriemanagementsystem auch dazu ausgelegt sein, Fehler im Batteriesystem für einen Nutzer festzustellen und/oder die wiederaufladbare Batterie im Notfall in einen Sicherheitszustand oder in einen abgeschalteten Zustand zu versetzen. Insbesondere werden die Lade-/Entladezyklen überwacht und gegebenenfalls gezählt, mit anderen Worten kann jeder Ladevorgang bzw. jeder Entladevorgang registriert werden und die Anzahl der Lade- bzw. Entladevorgänge können, insbesondere vom Batteriemanagementsystem, gezählt werden. Der Entladungsgrad, auch Entladetiefe oder DoD (von englisch „depth of discharge“) gibt an, welcher Anteil der Gesamtkapazität der Batterie genutzt wird bzw. genutzt werden kann. Unter der Gesamtkapazität der Batterie kann im Rahmen dieser Erfindung insbesondere die momentane Kapazität der Batterie zu verstehen sein. In anderen Worten ist die Gesamtkapazität daher insbesondere die momentan in der Batterie speicherbaren Energiemenge. Die Gesamtkapazität kann dabei sowohl als ein relativer Wert in Bezug zu der maximal anfänglich möglichen speicherbaren Energiekapazität, welche auch als Nennkapazität bezeichnet wird, angegeben sein (Prozentwert) oder als eine absolute Energiemenge. Der zur Verfügung stehende bzw. „freigegebene“ Anteil der Gesamtkapazität kann als ein veränderbarer Wert durch das Batteriemanagementsystem eingestellt werden. Der genutzte Anteil der Gesamtkapazität der Batterie, welcher auch als Entladungsgrad im Rahmen der Erfindung bezeichnet wird, wird im Folgenden insbesondere als Prozentwert angegeben, insbesondere in Abhängigkeit zur Gesamtkapazität. Bei einem Entladungsgrad von 100% wird daher die vollständige Gesamtkapazität der Batterie genutzt. Neben dem „zur Verfügung stehenden“ Entladungsgrad kann es auch sinnvoll sein, den Ladebereich der Batterie gezielt einzustellen bzw. zu nutzen. Der Ladebereich der Batterie gibt dabei an, bis zu welchem Bereich die Batterie maximal entladen und geladen werden darf bzw. kann, wobei der Abstand dieser Grenzen gerade wiederum dem Entladungsgrad entspricht. Der Ladebereich kann zum Beispiel bei einem Entladungsgrad von 60% in einem Bereich von 20% bis 80% der Gesamtkapazität liegen. Das bedeutet, die Batterie wird in diesem Beispiel im Gebrauch nur bis zu einem Ladezustand von 20% der Gesamtkapazität entladen und beim Aufladen nur bis zu 80% der Gesamtkapazität aufgeladen. Der verwendete Ladebereich kann insbesondere in Abhängigkeit vom Batterietyp definiert bzw. eingestellt werden. So kann es je nach Batterietyp sinnvoll sein, für einen Entladungsgrad von 60% einen Ladebereich von beispielsweise 0% bis 60%, von 20% bis 80% oder von 40% bis 100% zu verwenden. Vorteilhafterweise ist dabei das Batteriemanagementsystem dazu ausgelegt, ein Laden bzw. ein Entladen der Batterie bei Überschreiten bzw. Unterschreiten des Ladebereichs zu verhindern, insbesondere durch eine Anpassung der an der Batterie anliegenden Spannung und/oder der Begrenzung des Ladestroms und/oder durch Anpassung des Innenwiderstands und/oder durch ein trennen vom Lade- bzw. Entladenetz. In anderen Worten ist das Batteriemanagementsystem derart ausgelegt, dass dieses den Entladungsgrad und/oder den Ladebereich der Batterie einstellen bzw. nutzbar machen bzw. freigeben kann. Das Batteriemanagementsystem stellt den Entladungsgrad dabei insbesondere in Abhängigkeit eines Gebrauchsparameters ein. Der Gebrauchsparameter ist eine mit der Batterie bzw. ihrem Zustand korrelierende Größe, der insbesondere in Relation zu einem Alterungszustand der Batterie stehen kann. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann der Gebrauchsparameter auch durch eine Gewichtung einer Vielzahl von Größen gebildet sein, die mit dem Zustand der Batterie, insbesondere mit dem Alterungszustand, korrelieren. Eine korrelierende Größe ist insbesondere dann gegeben, wenn eine Änderung des Zustands der Batterie eine Änderung der Größe bedingt. Daher kann durch die korrelierenden Größen zumindest indirekt auf den Zustand der Batterie rückgeschlossen werden. Der Gebrauchsparameter dient insbesondere als Maßgabe für das Einstellen des Entladungsgrads. Durch Anpassen des Entladungsgrads in Abhängigkeit des Gebrauchsparameters kann vorteilhafterweise z.B. ein Alterungsprozess der Batterie verzögert werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Entladungsgrad so klein gehalten wird, wie es für eine vorliegende Anwendung möglich ist, für die die Batterie genutzt wird. Ein möglichst geringer Entladungsgrad führt meist zu einer langen Lebenszeit der Batterie, aufgrund des Umstandes, dass viele Batterietypen eine beschleunigte Alterung aufweisen, wenn sie in hohen und/oder niedrigen Ladezuständen betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt ist es zum Beispiel auch denkbar, dass der Gebrauchsparameter von Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit, dem Druck oder auch der Anwendung, für die die wiederaufladbare Batterie verwendet wird, abhängig ist. Hier kann es möglicherweise sinnvoll sein, den Entladungsgrad der Batterie über den Gebrauchsparameter an diese Bedingungen anzupassen. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann die Einstellung des Entladungsgrads der Batterie in Abhängigkeit des Gebrauchsparameters auch dazu genutzt werden, den tatsächlichen genutzten Kapazitätsbereich der Batterie über die gesamte Lebensdauer der Batterie möglichst konstant zu halten. Hierdurch kann insbesondere eine zuverlässige Versorgung einer Anwendung gewährleistet werden. Die Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, den Entladungsgrad der Batterie nicht fest einzustellen, sondern situativ vom Batteriemanagementsystem aufgrund eines vorliegenden Gebrauchsparameters anzupassen. Hierdurch kann eine kostengünstige Batterie bereitgestellt werden, denn durch die gezielte dynamische Einstellung des Entladungsgrads kann insbesondere eine besonders hohe Zahl an Lade-/Entladezyklen erreicht werden, sodass ein häufiger Austausch der Batterie vermieden werden kann. Zusätzlich bzw. alternativ kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auch erreicht werden, dass über einen langen Zeitraum des Lebenszyklus der Batterie eine gewisse vorbekannte Energiemenge sicher und zuverlässig bereitgestellt werden kann.
Vorteilhafterweise ist der Gebrauchsparameter die Anzahl der durchlaufenen Lade-/Entladezyklen oder ist der Gebrauchsparameter ein von der Anzahl der durchlaufenen Lade-/Entladezyklen abhängiger Wert. Unter einem „abhängigen Wert“ ist dabei generell zu verstehen, dass der Gebrauchsparameter von diesem Wert abhängig ist. Daher kann die Anzahl der Lade-/Entladezyklen beispielsweise ein Argument der Funktion sein, mittels welcher der Gebrauchsparameter berechnet wird. Eine derartige Berechnungsfunktion kann beispielsweise eine statische Gewichtungsfunktion oder eine dynamische Gewichtungsfunktion sein. Die Anzahl der durchlaufenen Lade-/Entladezyklen ist ein relativ einfach erfassbarer Parameter. Insbesondere kann, beruhend auf Erfahrungen mit anderen Batterien des gleichen Typs bzw. Messungen an Batterien des gleichen Typs eine Alterung der Batterie in Abhängigkeit von den Lade-/Entladezyklen recht genau abgeschätzt werden. Vorzugsweise kann so insbesondere der Entladungsgrad mit zunehmender Zahl der Lade-/Entladezyklen erhöht werden. Dies ermöglicht es auf vorteilhafte Weise, die genutzte tatsächliche Kapazität konstant zu halten, bzw. eine gewisse nutzbare Mindestkapazität über eine lange Lebensdauer zur Verfügung zu stellen. Wird zu Beginn der Lebenszeit der Batterie zunächst ein geringerer Entladungsgrad eingestellt, so verlangsamt dies meist den Alterungsprozess der Batterie und die Gesamtkapazität der Batterie nimmt mit der Zeit langsamer ab, als es beispielsweise bei einem von Anfang an höherem Entladungsgrad der Fall wäre. Daher kann durch diese Maßnahme die maximal mögliche Anzahl an Lade-/Entladezyklen gesteigert werden.
Zweckmäßigerweise ist der Gebrauchsparameter ein Alterungszustand oder ist der Gebrauchsparameter ein von dem Alterungszustand abhängiger Wert. Der Alterungszustand, auch SoH (von englisch „State of Health“), gibt den Zustand der Batterie bzw. der Zellen der Batterie im Vergleich mit ihrem Idealzustand an. Der Idealzustand ist dabei der Zustand, den die Batterie direkt nach der Fertigung und vor dem Einsatz hat bzw. vorgesehener Weise haben soll. Der Alterungszustand kann auf unterschiedliche Weise bestimmt und definiert werden. Beispielsweise kann er von einem Innenwiderstand, der (aktuellen) Gesamtkapazität, der von der Batterie bereitgestellten Spannung, der Selbstentladung der Batterie bzw. der Dauer der Selbstentladung, der Anzahl der Lade-/Entladezyklen, dem zeitlichen Alter der Batterie und/oder der Temperatur der Batterie während ihrer bisherigen Nutzung abhängen bzw. über die Messung dieser Parameter bestimmt werden. Durch Hinzuziehen mehrerer verschiedener dieser oder anderer Parameter kann der Zustand der Batterie sehr akkurat bestimmt werden. Insbesondere kann so der Entladungsgrad beispielsweise mit zunehmendem Alter der Batterie erhöht werden, um die Alterung der Batterie anfangs bei noch geringem Entladungsgrad zu verlangsamen und später durch Erhöhen des Entladungsgrads eine gleichbleibende nutzbare Kapazität zu gewährleisten. Durch das Nutzen des Alterungszustandes als Gebrauchsparameter ist es beispielsweise möglich, die Lebensdauer der Batterie noch effektiver zu verlängern und/oder eine noch besser kontrollierte Kapazität der Batterie zu gewährleisten.
Vorteilhafterweise ist der Gebrauchsparameter die Gesamtkapazität der Batterie oder ist der Gebrauchsparameter ein von der Gesamtkapazität abhängiger Wert. Die Gesamtkapazität kann beispielsweise über die Spannung bestimmt werden. Das Verwenden der Gesamtkapazität als Gebrauchsparameter stellt eine Möglichkeit dar, den Entladungsgrad direkt von der Kapazität abhängig zu machen, hat aber eventuell den Nachteil, dass die Kapazität schwieriger zu bestimmen ist als beispielsweise die Anzahl der Lade-/Entladezyklen.
Bevorzugt ist der Gebrauchsparameter eine Temperatur, insbesondere eine Umgebungstemperatur und/oder die Temperatur der Batterie oder ist der Gebrauchsparameter ein von der Temperatur abhängiger Wert. Die Temperatur der Batterie hat einen Einfluss auf die Eigenschaften der Batterie. So kann eine erhöhte Temperatur die Lebensdauer der Batterie verringern, da die Alterung wegen höherer Reaktionsfähigkeit der Elektroden schneller abläuft. Andererseits kann eine höhere Temperatur die aktuelle Kapazität der Batterie temporär erhöhen. Es ist daher zum Beispiel denkbar, den Entladungsgrad bei höherer Temperatur zu verringern, um dem Effekt schnellerer Alterung entgegenzuwirken. Es ist auch denkbar, die Erfassung und Berücksichtigung der Temperatur mit anderen Gebrauchsparametern wie beispielsweise der Anzahl der Lade-/Entladezyklen und/oder dem Alterungszustand zu kombinieren. So kann beispielsweise der Entladungsgrad an das Alter und gleichzeitig auch an die aktuelle Temperatur angepasst werden. Es könnte auch durch Aufzeichnen der jeweiligen Temperatur beim Betrieb der Einfluss der Temperatur auf die Alterung der Batterie berücksichtigt werden. Dies könnte beispielsweise mit dem Aufzeichnen der Lade-/Entladezyklen kombiniert werden, um so basierend auf diesen beiden Gebrauchsparametern den aktuellen Entladungsgrad einzustellen. Da die Kapazität abhängig von der Temperatur ist, kann ein Anpassen des Entladungsgrads an die Temperatur genutzt werden um eine konstante zur Verfügung gestellte Kapazität zu gewährleisten.
Vorzugsweise sind im Batteriemanagementsystem einer oder mehrere, insbesondere vorgegebene, Schwellenwerte gespeichert, wobei das Batteriemanagementsystem derart ausgelegt ist, dass das Batteriemanagementsystem bei einem Überschreiten eines Schwellenwertes durch den Gebrauchsparameter den Entladungsgrad der Batterie jeweils vergrößert. Schwellenwerte sind dabei insbesondere im Voraus festgelegte Werte des Gebrauchsparameters, die der Gebrauchsparameter überschreiten kann oder wird. Überschreiten eines Schwellenwertes kann in diesem Fall bedeuten, dass der Gebrauchsparameter zunächst einen niedrigeren Wert als der Schwellenwert hat, der sich im Verlauf der Lebenszeit der Batterie erhöht bis er höher als der Schwellenwert ist. Dies kann insbesondere im Falle der Anzahl der Lade-/Entladezyklen der Fall sein. Andererseits kann der Gebrauchsparameter auch zunächst einen höheren Wert als der Schwellenwert haben und durch Absinken des Wertes irgendwann einen niedrigeren Wert als der Schwellenwert annehmen, wobei auch dies im Rahmen der Erfindung als ein „Überschreiten“ des Schwellenwerts verstanden werden soll. Dies kann zum Beispiel bei der Gesamtkapazität der Batterie der Fall sein. In diesem Fall könnte also das Annehmen eines niedrigeren Wertes des Gebrauchsparameters der Auslöser dafür sein, dass der Entladungsgrad erhöht wird. Die Verwendung von Schwellenwerten ermöglicht eine stufenweise bzw. gestaffelte Freigabe der nutzbaren Batteriekapazität. Insbesondere kann durch die Anpassung des Entladungsgrads einer alterungsbedingten Abnahme der genutzten Kapazität entgegengewirkt werden, indem der Entladungsgrad sukzessive erhöht wird. Dadurch ist der Entladungsgrad zunächst niedriger, was mit einer langsameren Alterung der Batterie einhergeht und wird dann Schritt für Schritt erhöht, wodurch die anfängliche genutzte Kapazität im Wesentlichen aufrechterhalten werden kann. Durch die Anpassung des Entladungsgrads kann auch die genutzte Kapazität in einem gewissen Rahmen konstant gehalten werden. In der Folge ist ein Batteriewechsel weniger häufig nötig, sodass Kosten gespart werden können. Auch kann gegebenenfalls Platz bzw. Bauraum gespart werden, da eine kleinere Batterie wegen einer verlangsamten Alterung ausreicht, um eine gewünschte und/oder benötigte Kapazität über einen bestimmten Zeitraum bereitzustellen. Durch das stufenweise Anpassen des Entladungsgrads kann auch noch erreicht werden, dass insbesondere durch die Kenntnis der momentanen „Entladungsstufe“ - ähnlich einem Ampelsystem - in einfacher Weise eine Zustandscharakterisierung der Batterie vorgenommen werden kann. Darüber hinaus kann durch diese Art der Freigabe ein sehr einfach zu implementierendes Batteriemanagementsystem erreicht werden, sodass eine kostengünstige Batterie resultiert.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Abstand zwischen benachbarten Schwellenwerten dabei geringer ist, je größer die jeweiligen Schwellenwerte sind. Der Abstand zwischen benachbarten Schwellenwerten ist die numerische Differenz zwischen den Schwellenwerten. Wird bei jedem überschreiten des Schwellwertes durch den sich mit der Zeit erhöhenden Gebrauchsparameter der Entladungsgrad erhöht, so erhöht sich in vielen Fällen auch die Schnelligkeit der Alterung der Batterie. Um der damit einhergehenden immer schnelleren Abnahme der Kapazität mit der Zeit entgegenzuwirken, werden die Schwellenwerte zunehmend näher zueinander platziert, wodurch vorteilhafterweise der Entladungsgrad zunehmend schneller bzw. häufiger erhöht wird. Handelt es sich bei dem Gebrauchsparameter um einen Parameter dessen Wert mit zunehmender Alterung der Batterie abnimmt, so ist es hingegen sinnvoll, dass der Abstand zwischen benachbarten Schwellenwerten geringer eingestellt ist, je kleiner die jeweiligen Schwellenwerte sind.
Beispielsweise liegt in einer Ausführungsform, in der der Gebrauchsparameter die Anzahl der durchlaufenen Lade-/Entladezyklen ist, der niedrigste Schwellenwert im Bereich von 500 bis 1500 Lade-/Entladezyklen, bevorzugt im Bereich von 800 bis 1200 Lade-/Entladezyklen und besonders bevorzugt im Bereich von 900 bis 1100 Lade-/Entladezyklen. Der niedrigste Schwellenwert ist hierbei der erste Schwellenwert, der überschritten wird und der den niedrigsten numerischen Wert hat. Der Sinn soll hier in einem Beispiel verdeutlicht werden. Geht man beispielsweise von einem anfänglichen eingestellten Entladungsgrad von 60% aus, dann wird, wenn ein interner Zyklenzähler den niedrigsten Schwellenwert, z.B. 1000, überschreitet, eine Anpassung des neuen Entladungsgrades vollzogen und 70% als neuer Entladungsgrad eingeschrieben, dadurch werden 10% der Gesamtkapazität als weitere Kapazität frei und der neue effektive Entladungsgrad beträgt wieder ca. 60%. Der effektive Entladungsgrad bezeichnet dabei die Größe des genutzten Ladebereichs im Verhältnis zur ursprüngliche Gesamtkapazität bzw. zur Nennkapazität der Batterie, während sich der Entladungsgrad auf die aktuelle Gesamtkapazität bezieht. Da die Gesamtkapazität mit dem Gebrauch der Batterie im Laufe der Zeit abnimmt, nimmt auch der effektive Entladungsgrad ab. Dem kann durch ein Erhöhen des Entladungsgrads in einem gewissen Rahmen entgegengewirkt werden, wie sich durch Testmessungen an einer BAK N18650CL-29-Zelle gezeigt hat.
Gemäß einer weiterführenden Ausführungsform liegt ein erster Schwellenwert im Bereich von 800 bis 1200 Lade-/Entladezyklen, bevorzugt im Bereich von 900 bis 1100 Lade-/Entladezyklen, und/oder ein zweiter Schwellenwert im Bereich von 1500 bis 2000 Lade-/Entladezyklen, bevorzugt im Bereich von 1700 bis 1800 Lade-/Entladezyklen, und/oder ein dritter Schwellenwert im Bereich von 2200 bis 2600 Lade-/Entladezyklen, bevorzugt im Bereich von 2300 bis 2500 Lade-/Entladezyklen, und/oder ein vierter Schwellenwert im Bereich von 2800 bis 3200 Lade-/Entladezyklen, bevorzugt im Bereich von 2900 bis 3100 Lade-/Entladezyklen, und/oder ein fünfter Schwellenwert im Bereich von 3300 bis 3700 Lade-/Entladezyklen, bevorzugt im Bereich von 3400 bis 3600 Lade-/Entladezyklen. Durch ein Einstellen des ersten Schwellenwertes der Lade-/Entladezyklen auf die gegebenen Werte hat sich in Tests mit einer BAK N18650CL-29-Zelle ergeben, dass die Kapazität in einem gewissen Rahmen überraschenderweise besonders konstant gehalten werden kann.
Zweckmäßigerweise sind die jeweils verwendeten Entladungsgrade 60%, 70%, 80%, 90% und/oder 100%. Es hat sich gezeigt, dass mit diesen Werten eine besonders effektive Verlängerung der Lebensdauer der Batterie ermöglicht werden kann. Insbesondere in Kombination mit den zuvor genannten Schwellenwerten. Es konnte so für BAK N18650CL-29-Zellen eine Erhöhung der Lebenszeit auf mehr als 3200 Lade-/Entladezyklen bei verhältnismäßig gleichmäßiger Kapazität über die gesamte Lebensdauer festgestellt werden. Bei einem fest eingestellten Entladungsgrad waren hingegen weniger als 1500 Zyklen möglich.
Zweckmäßigerweise besteht die Batterie aus mehreren Zellen, wobei die Zellen insbesondere über das Batteriemanagementsystem koordiniert sind. In anderen Worten kann daher das Batteriemanagementsystem dazu ausgelegt sein, die Zellen der Batterie zu koordinieren. Die Zellen werden insbesondere einzeln vom Batteriemanagementsystem überwacht und gesteuert und aufeinander abgestimmt. Optional wird der jeweils verwendete Entladungsgrad auch in Abhängigkeit von Parametern und/oder Eigenschaften der Zellen eingestellt. Dabei wird vorzugsweise jeweils der gleiche Entladungsgrad für alle Zellen eingestellt. Es kann unter Umständen aber auch vorteilhaft sein, einen Entladungsgrad der einzelnen Zellen individuell anzupassen, um beispielsweise eine möglicherweise auftretende unterschiedliche Alterung der Zellen zu berücksichtigen. Dadurch kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass die benutzte Kapazität aller Zellen im Rahmen einer einstellbaren Genauigkeit gleich ist.
Zweckmäßigerweise ist die Batterie für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug ausgerichtet. Vorteilhafterweise ist die wiederaufladbare Batterieanordnung insbesondere eine Nutzfahrzeugbatterieanordnung. Alternativ bevorzugt kann die Erfindung sich daher auch auf ein Nutzfahrzeug mit einer wiederaufladbaren Batterieanordnung wie obig und/oder nachfolgend beschrieben beziehen. Durch das dynamische Einstellen des Entladungsgrads, kann eine besonders lange Lebensdauer ermöglicht werden. Die wiederaufladbare Batterie kann daher mit einem Standardformat betrieben werden (z.B. 18650, 26650, 21700 o.ä.), welches günstiger als sonst im Automobilbereich eingesetzte Batterien (beispielsweise teure Pouch-Zellen und prismatische Zellen) ist, wobei gleichzeitig dennoch eine längere Lebenszeit erreicht werden kann. Auch kann gegebenenfalls Bauraum gespart werden, denn eine kleinere Batterie reicht wegen einer verlangsamten Alterung aus, um eine gewünschte und/oder benötigte Kapazität über einen bestimmten Zeitraum bereitzustellen. Alternativ ist die wiederaufladbare Batterieanordnung aber auch für andere Anwendungen denkbar, wie beispielsweise für Anwendungen in der Medizintechnik und für Elektrowerkzeuge.
Vorzugsweise umfasst die wiederaufladbare Batterieanordnung ein Gehäuse, wobei die Batterie und/oder das Batteriemanagementsystem an und/oder in dem Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse kann die Batterieanordnung vor äußeren Einflüssen schützen und ermöglicht es, die Batterieanordnung als kompakte Einheit einfach in der Bestimmungsanwendung einzusetzen bzw. zu verbauen und sie gegebenenfalls einfach zu transportieren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung kann ein Nutzfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeuganhänger, umfassend eine wiederaufladbare Batterieanordnung wie vorgehend und nachfolgend beschrieben betreffen. Alle für die wiederaufladbare Batterie beschriebenen Vorteile und Merkmale lassen sich analog übertragen auf das Nutzfahrzeug und andersrum. Besonders bevorzugt ist es, wenn es sich bei dem Nutzfahrzeuganhänger um einen Sattelauflieger handelt, denn ein solcher weist meist besonders lange Wartungsintervalle auf, sodass hier eine lange Lebensdauer der Batterieanordnung besonders von Nöten ist. Ein Nutzfahrzeug im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein straßentaugliches Fahrzeug und/oder ein Fahrzeug mit einer zulässigen Gesamtmasse von mindestens 3,51 Tonnen, bevorzugt von mindestens 7,51 Tonnen und besonders bevorzugt von mindestens 15,01 Tonnen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer wiederaufladbaren Batterieanordnung, insbesondere einer Batterieanordnung mit den oben und folgend beschriebenen Merkmalen, bereitgestellt, umfassend die Schritte: Zählen der Lade-/Entladezyklen; Registrieren des Überschreitens eines Schwellenwertes; Erhöhen des Entladungsgrads der Batterie, wenn der Schwellenwert überschritten wird. Es ist auch denkbar, statt die Anzahl der Zyklen als Grundlage für das Verfahren zu verwenden, einen anderen Gebrauchsparameter, wie z.B. einen Alterungszustand der Batterie zu verwenden. Alle für die wiederaufladbare Batterie und das Nutzfahrzeug beschriebenen Vorteile und Merkmale lassen sich analog übertragen auf das Verfahren und andersrum. Daher kann das Verfahren insbesondere ein Verfahren zum Betreiben einer wiederaufladbaren Nutzfahrzeugbatterieanordnung sein.
Vorzugsweise wird der Schwellenwert nach dessen Überschreitung erhöht. Das Erhöhen des Schwellenwertes erfolgt insbesondere gemäß einem vorbestimmten Wert. Dies ermöglicht ein zyklisches Anwenden des Verfahrens, wobei der Entladungsgrad insbesondere mit jedem Erreichen eines neuen Schwellenwertes erneut auf vorbestimmte Weise erhöht wird. Auch eine dynamische Anpassung ist denkbar, bei der beispielsweise abhängig davon, wie lang es dauert, bis der aktuelle Schwellenwert überschritten wird, oder abhängig von anderen Gebrauchsparametern, die jeweiligen nächsten Schwellenwerte angepasst werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen

1 eine graphische Auftragung des effektiven Entladungsgrads in Abhängigkeit der Lade-/Entladezyklen einer Batteriezelle für verschiedene eingestellte Entladungsgrade,
2 den Verlauf des effektiven Entladungsgrads in Abhängigkeit der Lade-/Entladezyklen einer Batteriezelle einer wiederaufladbaren Batterieanordnung,
3 eine schematische Darstellung einer wiederaufladbaren Batterieanordnung und
4 eine beispielhafte, schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer Batterieanordnung.

1 zeigt den Verlauf des effektiven Entladungsgrads 9 bezogen auf die ursprüngliche Kapazität (Nennkapazität) einer handelsüblichen BAK N18650CL-29-Zelle für verschiedene eingestellte Entladungsgrade 8. Es sind an Messungen angepasste Fit-Linien gezeigt. Die vertikale Achse bezeichnet den effektiven Entladungsgrad 9, während die horizontale Achse die Anzahl 6a der durchlaufenen Lade-/Entladezyklen 6 anzeigt. Die eingestellten Entladungsgrade 8 sind 100% 8a, 90% 8b, 80% 8c, 70% 8d, 60% 8e, 40% 8f, und 20% 8g. Der Wert der eingestellten Entladungsgrade 8 ist relativ zur aktuellen Gesamtkapazität der Batteriezelle 3. Zu Beginn der Lebenszeit der Batteriezelle 3, also bei 0 durchlaufenen Lade-/Entladezyklen 6, entspricht der eingestellte Entladungsgrad 8 dem effektiven Entladungsgrad 9. Z.B. hat der eingestellte Entladungsgrad 8 von 60% anfangs einen effektiven Wert von ebenfalls ca. 60% bezogen auf die ursprüngliche Gesamtkapazität. Wie dem Verlauf der Kurven zu entnehmen ist, nimmt der effektive Entladungsgrad 9 mit zunehmender Benutzung der Batteriezelle 3 bzw. mit zunehmender Anzahl 6a der durchlaufenen Lade-/Entladezyklen 6 ab. Dies hängt zusammen mit einer abnehmenden Gesamtkapazität der Batteriezelle 3. Bei einem eingestellten Entladungsgrad 8 von 60% ist beispielsweise der effektive Entladungsgrad 9 bei etwa 1000 durchlaufenen Lade-/Entladezyklen 6 bereits um etwas mehr als 10% (relativ zu dem Ausgangswert) gesunken, was einem Absinken der Gesamtkapazität von ebenfalls mehr als 10% entspricht. Der effektive Entladungsgrad 9 liegt zu diesem Zeitpunkt nur noch knapp über 50%. Den Verlaufslinien ist ebenfalls zu entnehmen, dass der effektive Entladungsgrad 9 und damit die Gesamtkapazität der Batteriezelle 3 stärker abfällt, je größer der eingestellte Entladungsgrad 8 ist. Der Verlauf der Kurven für höhere eingestellte Entladungsgrade 8 ist deutlich steiler und die Kurven schneiden sich im Bereich von ca. 2400 Lade-/Entladezyklen 6 bis ca. 3300 Lade-/Entladezyklen 6. Beispielsweise ist bei einem eingestellten Entladungsgrad 8 von 100% der effektive Entladungsgrad 9 nach 1000 Lade-/Entladezyklen 6 bereits um 15% gefallen und nach 3500 durchlaufenen Lade-/Entladezyklen 6 weist er den niedrigsten effektiven Entladungsgrad 9 aller gezeigten Beispiele auf.
2 zeigt den Verlauf 9a des effektiven Entladungsgrads 9 einer Batteriezelle 3, die derjenigen aus 1 entsprechen kann, wobei die Batteriezelle 3 diesmal Teil einer Batterieanordnung 1 ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der Gebrauchsparameter die Anzahl 6a der durchlaufenen Lade-/Entladezyklen 6, die auf der horizontalen Achse aufgetragen sind. Die vertikale Achse zeigt - entsprechend zu 1 - den effektiven Entladungsgrad 9 an. Es sind mehrere Schwellenwerte 14 eingezeichnet bei denen der Entladungsgrad 8 (der auf die Gesamtkapazität bezogen ist) durch ein Batteriemanagementsystem 4 angepasst wurde. Dem dargestellten Graph ist zu entnehmen, dass der eingestellte Entladungsgrad 8 anfangs bei ca. 60% lag. Nach ca. 1000 Lade-/Entladezyklen 6 liegt der effektive Entladungsgrad 9 auf einem vergleichbaren Niveau wie derjenige den ein auf 60% eingestellter Entladungsgrad 8 in 1 zu diesem Zeitpunkt aufweist, also etwas über 50%. Bei Erreichen des Schwellenwerts 14 von 1000 Lade-/Entladezyklen 6 wurde der eingestellte Entladungsgrad 8 wieder erhöht, sodass der effektive Entladungsgrad 9 in diesem Ausführungsbeispiel nun bei knapp unter 70% liegt. Aufgrund des nun höheren eingestellten Entladungsgrads 8 nimmt der effektive Entladungsgrad 9 ab diesem Zeitpunkt stärker ab und der nächste Schwellenwert 14 ist konsequenterweise nach nur ca. 750 weiteren Lade-/Entladezyklen 6 bei insgesamt ca. 1750 Lade-/Entladezyklen 6 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Entladungsgrad 8 erneut erhöht, sodass der effektive Entladungsgrad 9 wieder bei ca. 70% liegt. Aufgrund des Umstandes, dass der effektive Entladungsgrad 9 mit jedem weiteren Erhöhen des eingestellten Entladungsgrads 8 zunehmend schneller abnimmt, sind die folgenden beiden Schwellenwerte 14 (bei ca. 2400 und 3000 Lade-/Entladezyklen 6) in immer kürzeren Abständen erreicht bzw. angeordnet. Durch diese Maßnahmen konnte die Lebensdauer der Batteriezelle 3 im Vergleich zum herkömmlichen Stand der Technik, bei dem der Entladungsgrad fest eingestellt ist, deutlich verlängert werden. Statt zwischen 1000 und 1500 Lade-/Entladezyklen 6, wie im Beispiel in 1 konnten hier über 3000 Lade-/Entladezyklen 6 bei einem insgesamt wenig variierenden effektiven Entladungsgrad 9 erreicht werden.
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Batterieanordnung 1. Sie umfasst eine Batterie 2, die hier aus mehreren Zellen 3 besteht, und ein Batteriemanagementsystem 4. Das Batteriemanagementsystem muss dabei jedoch nicht zwingend nächstliegend zu der Batterie angeordnet sein. Vielmehr kann das Batteriemanagementsystem beispielsweise auch ein Teil eines Steuergeräts eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeuganhängers, sein. Das Batteriemanagementsystem 4 ist dabei mit den Zellen 3 der Batterie 2 verbunden, um diese zu überwachen und/oder zu steuern und/oder zu regeln und/oder zu kontrollieren. Das Batteriemanagementsystem 4 ist dazu ausgelegt, einen oder mehrere Gebrauchsparameter zu erfassen, wie zum Beispiel die Anzahl 6a durchlaufener Lade-/Entladezyklen 6, einen Alterungszustand der Batterie 2, die Gesamtkapazität der Batterie 2 oder eine Temperatur, insbesondere eine Umgebungstemperatur und/oder die Temperatur der Batterie 2. Basierend auf einem oder mehreren dieser Gebrauchsparameter stellt das Batteriemanagementsystem 4 einen Entladungsgrad 8 der Batterie 2 ein. Insbesondere stellt das Batteriemanagementsystem 4 einen Entladungsgrad 8 der einzelnen Zellen 3 der Batterie 2 ein. Dabei wird vorzugsweise jeweils der gleiche Entladungsgrad 8 für alle Zellen 3 eingestellt. Es kann unter Umständen aber auch vorteilhaft sein, einen Entladungsgrad 8 der einzelnen Zellen 3 individuell anzupassen, um beispielsweise eine möglicherweise auftretende unterschiedliche Alterung der Zellen 3 zu berücksichtigen. Das Batteriemanagementsystem 4 umfasst vorzugsweise einen Mikroprozessor, auf dem Algorithmen gespeichert sind und ausgeführt werden können. Neben dem Einstellen eines Entladungsgrads 8 können auch andere Funktionen der Batterie 2 bzw. der Batteriezellen 3 überwacht werden. Z.B. ist es denkbar, dass das Batteriemanagementsystem 4 Fehler bzw. Defekte in der Batterie 2 erkennt und gegebenenfalls Gegenmaßnahmen, wie z.B. eine Anpassung von Betriebsparametern oder ein Abschalten der Batterie 2 bzw. einzelner Zellen 3, einleitet oder eine Warnung für den Benutzer ausgibt. Die Batterieanordnung 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Gehäuse 16, dass die Zellen 3 der Batterie 2 und das Batteriemanagementsystem 4 umgibt und vor äußeren Einflüssen schützt. Auch können Anwendungsgeräte über einen oder mehrere Anschlüsse an dem Gehäuse 16 mit der Batterie 2 verbunden werden.
4 zeigt schematisch ein Beispiel für ein Verfahren zum Betreiben einer wiederaufladbaren Batterieanordnung 1. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dabei in einem ersten Schritt die Anzahl 6a der durchlaufenen Lade-/Entladezyklen 6 gezählt 32. Das Zählen der Lade-/Entladezyklen 6 wird dabei vorzugsweise von einem Batteriemanagementsystem 4 durchgeführt. Dabei ist in dem Batteriemanagementsystem 4 eine erster Schwellenwert 14 der Anzahl 6a der Lade/Entladezyklen gespeichert. In dem diesem Beispiel liegt der Schwellenwert 14 bei 1000 Lade-/Entladezyklen 6. Es ist auch denkbar, dass der Schwellenwert 14 aufgrund anderer Gebrauchsparameter wie zum Beispiel der Betriebstemperatur der Batterie 2 dynamisch angepasst wird, um einer eventuell variierenden Alterung aufgrund der anderen Gebrauchsparameter Rechnung zu tragen. In einem nächsten Schritt wird registriert, wenn die Anzahl 6a der Lade-/Entladezyklen 6 den ersten Schwellenwert 14 überschreitet 34. Als direkte Folge davon wird, vorzugsweise durch das Batteriemanagementsystem 4, der eingestellte Entladungsgrad 8 erhöht 36. Dadurch wird ein größerer Anteil der aktuellen Gesamtkapazität der Batterie 2 verfügbar und einem Abnehmen des effektiven Entladungsgrads 9 aufgrund einer sinkenden Gesamtkapazität wird entgegengewirkt. Als nächstes wird nun der Schwellenwert 14 erhöht, indem vorzugsweise der erste Schwellenwert 14 durch einen im Batteriemanagementsystem 4 gespeicherten zweiten Schwellenwert 14 ersetzt wird. Auch an dieser Stelle ist es denkbar, dass der zweite Schwellenwert 14 aufgrund eines oder mehrerer weiterer Gebrauchsparameter und/oder Umgebungsbedingungen dynamisch angepasst wird. Die Verfahrensschritte können nun mehrmals wiederholt werden, wodurch den Auswirkungen der Alterung der Batterie 2 entgegengewirkt werden kann, in dem der Entladungsgrad 8 schrittweise erhöht wird und der effektive Entladungsgrad 9 bezogen auf die ursprüngliche Gesamtkapazität bzw. die Nennkapazität über eine längere Zeit in einem gewissen Rahmen konstant bleibt.
Bezugszeichenliste

1: Wiederaufladbare Batterieanordnung
2: Batterie
3: Batteriezellen
4: Batteriemanagementsystem
6: Lade-/Entladezyklen
6a: Anzahl der durchlaufenen Lade/Entladezyklen
8: Entladungsgrad
9: effektiver Entladungsgrad
9a: Verlauf des effektiven Entladungsgrads
12: Gesamtkapazität der Batterie
14: Schwellenwert
16: Gehäuse
18: Anschluss
32: Zählen der Lade-/Entladezyklen
34: Registrieren des Überschreitens eines Schwellenwertes
36: Erhöhen des Entladungsgrads der Batterie
38: Erhöhen des Schwellenwertes

Claims

Wiederaufladbare Batterieanordnung (1), umfassend eine Batterie (2), insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, und ein Batteriemanagementsystem (4), wobei die Batterie (2) dazu ausgelegt ist, Lade-/Entladezyklen (6) zu durchlaufen, wobei das Batteriemanagementsystem (4) dazu ausgelegt ist, einen Entladungsgrad (8) der Batterie (2) in Abhängigkeit eines Gebrauchsparameters einzustellen.
Wiederaufladbare Batterieanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei der Gebrauchsparameter die Anzahl (6a) der durchlaufenen Lade-/Entladezyklen (6) ist.
Wiederaufladbare Batterieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gebrauchsparameter ein Alterungszustand ist.
Wiederaufladbare Batterieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Batteriemanagementsystem (4) einer oder mehrere vorgegebene Schwellenwerte (14) gespeichert sind, wobei das Batteriemanagementsystem (4) derart ausgelegt ist, dass das Batteriemanagementsystem (4) bei einem Überschreiten eines Schwellenwertes (14) durch den Gebrauchsparameter den Entladungsgrad (8) der Batterie (2) jeweils vergrößert.
Wiederaufladbare Batterieanordnung (1) nach Anspruch 4, wobei der Abstand zwischen benachbarten Schwellenwerten (14) geringer ist, je größer die jeweiligen Schwellenwerte (14) sind.
Wiederaufladbare Batterieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweils verwendeten Entladungsgrade (8) 60%, 70%, 80%, 90% und/oder 100% sind.
Wiederaufladbare Batterieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterieanordnung (1) eine Nutzfahrzeugbatterieanordnung ist.
Wiederaufladbare Batterieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterieanordnung (1) ein Gehäuse (16) umfasst, wobei die Batterie (2) und/oder das Batteriemanagementsystem (4) an und/oder in dem Gehäuse (16) angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben einer wiederaufladbaren Batterieanordnung (1), insbesondere einer Batterieanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1-13, umfassend die Schritte: - Zählen der Lade-/Entladezyklen (6); - Registrieren des Überschreitens eines Schwellenwertes (14); - Erhöhen des Entladungsgrads (8) der Batterie (2), wenn der Schwellenwert (14) überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schwellenwert (14) nach dessen Überschreitung erhöht wird.