DE102021133136A1

DE102021133136A1 - Batterieladeverfahren und -system

Info

Publication number: DE102021133136A1
Application number: DE102021133136.6A
Authority: DE
Inventors: Sorin Negru
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2022-09-29
Also published as: US11855474B2; US20220311260A1

Abstract

Ein Verfahren zum Laden einer Batterie mit einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung. In einer ersten Phase Anwenden eines Konstantstroms auf die Batterie; in einer zweiten Phase Anwenden von Strompulsen auf die Batterie; Wiederholen eines iterativen Abtastens der ersten Spannung während eines Strompulses, um eine Messung der ersten Spannung zu erhalten; eines Abtastens der ersten Spannung während einer Strompause, um eine Messung der zweiten Spannung zu erhalten; eines Erzeugens einer dynamischen Referenzspannung basierend auf der festen Referenzspannung und auf einer Differenz zwischen der Messung der ersten Spannung und der zweiten Spannung. Es erfolgt ein Vergleichen der Messung der ersten Spannung mit der dynamischen Referenzspannung. Es erfolgt ein Stoppen der Strompulse, wenn die Messung der ersten Spannung gleich der dynamischen Referenzspannung ist und die Messung der zweiten Spannung gleich der festen Referenzspannung ist.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren und Systeme zum Laden einer Batterie und insbesondere Verfahren und Systeme zum schnellen Laden einer Batterie.
Hintergrund
Batterien können eine oder mehrere Batteriezellen aufweisen, die im Allgemeinen in einem Batteriepack vorgesehen sind und für die Erzeugung und Speicherung der von der Batterie vorgesehenen elektrischen Energie verantwortlich sind.
Wiederaufladbare Batterien sind in vielen verschiedenen Formen und Größen und mit mehreren verschiedenen Kombinationen von Elektroden- und Elektrolytmaterialien erhältlich. Insbesondere Lithium-Ionen-Batterien (oder Li-lonen-Batterien) werden immer beliebter für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf tragbare elektronische Vorrichtungen, Elektrofahrzeuge, Militär- und Luft-/Raumfahrtanwendungen.
Es ist bekannt, dass Batterien als eine äquivalente Kapazität (C_B) in Serie mit einem äquivalenten Innenwiderstand (R_I; im Folgenden der Kürze halber auch als Innenwiderstand bezeichnet) modelliert werden können. Der Innenwiderstand kann zum Beispiel auf der Widerstandsgröße der Komponentenmaterialien und/oder auf elektrochemischen Faktoren, wie Elektrolytleitfähigkeit, lonenmobilität, Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion und Elektrodenoberfläche, beruhen. Die äquivalente Kapazität und der Innenwiderstand einer Batterie sind von verschiedenen Batterieparametern abhängig und verändern sich dynamisch. Zum Beispiel können C_B und R_I von der Größe, dem Ladezustand, den chemischen Eigenschaften, dem Alter, der Temperatur und dem Entlade- oder Ladestrom der Batterie abhängen.
Es ist wichtig, dass Batterien nicht auf oder mit einer Spannung geladen werden, die die maximale sichere Spannung übersteigt, die von der Batterie tragbar ist. Die maximale sichere Spannung hängt von dem spezifischen Batterietyp ab und wird im Allgemeinen von den Herstellern angegeben. Bei Lithium-Ionen-Batterien liegt sie zum Beispiel typischerweise bei etwa 4,2V. Das Laden einer Batterie mit Spannungen oder Strömen, die die von dem Hersteller angegebenen maximalen Sicherheitswerte übersteigen, kann zu ernsthaften Gefahren führen, wie Explosionen, Bränden und dauerhaften Schäden an der Batterie. Daher gibt es aufgrund dieses Sicherheitsproblems nur begrenzten Spielraum, um die Ladezeit einer Batterie zu verkürzen, da es nicht sicher wäre, eine Spannung vorzusehen, die höher als die maximale sichere Spannung ist.
Bestehende Verfahren zum Laden von Batterien und insbesondere Verfahren zum Laden von Li-Ion-Batterien umfassen im Allgemeinen drei Ladephasen:

1) eine sogenannte „Erhaltungsladungs“-Phase oder „Weckladungs“- oder „Vorladungs“-Phase, in der ein kleiner gepulster Strom auf die Batterie angewendet wird, um die Batteriespannung aus einer Tiefenentladung (normalerweise etwa 2,5V) auf einen normalen Entladungszustand (normalerweise etwa 3,0V) anzuheben;
2) eine Konstantstrom-(CC - constant-current)-Phase, in der ein großer Konstantstrom auf die Batterie angewendet wird, wodurch die Batterie normalerweise von etwa 3,OV auf eine Spannung um die von den Herstellern angegebene maximale sichere Batteriespannung gebracht wird (z. B. 4,2V);
3) eine Konstantspannungs-(CV - constant-voltage)-Phase, in der eine konstante Spannung gleich der von Herstellern angegebenen maximalen sicheren Spannung (z. B. 4,2V) auf die Batterie angewendet wird, bis der Ladestrom auf oder in die Nähe von Werten in dem Bereich von 10mA - 100mA abfällt.

Der Hauptnachteil der obigen Ladeverfahren besteht darin, dass sie eine lange Ladezeit benötigen. In dem Konstantspannungsmodus fällt der Ladestrom natürlich exponentiell gegen Null ab, daher fällt der Ladestrom nie wirklich auf genau Null ab. Das Laden wird künstlich unterbrochen, wenn der Ladestrom auf einen Wert von 10mA - 100mA abfällt. Dies führt zu langen Ladezeiten. Darüber hinaus ist bekannt, dass, wenn Strom durch eine Batterie fließt, ein kleiner Spannungsabfall durch den Batterieinnenwiderstand verursacht wird, daher ist die Spannung über der Batteriezelle tatsächlich niedriger als die Spannung über den Anschlüssen des Batteriepacks. Ein künstliches Stoppen des Ladens, wenn der Ladestrom auf einen vorgegebenen Wert abgefallen ist, bedeutet, dass der Spannungsabfall über dem internen Batteriewiderstand möglicherweise nicht ausreichend berücksichtigt wird.
Während Optionen zum Verkürzen der Erhaltungsladephase und der Konstantstromphase vorgeschlagen wurden, bleibt das Hauptproblem, wie die Konstantspannungsphase verkürzt werden kann. Während der CV-Phase wird die Ladegeschwindigkeit von Batterie-spezifischen Parametern bestimmt, wie der äquivalenten Kapazität (C_B) der Batterie und dem Batterieinnenwiderstand (Ri), und daher kann nur eine begrenzte Zeitersparnis erzielt werden.
Um ein schnelles Laden zu erreichen, besteht ein allgemein verwendeter Ansatz darin, die Konstantstromphase zu beschleunigen, indem der auf die Batterie angewendete Ladestrom erhöht wird. Dieser Ansatz hat jedoch den erheblichen Nachteil, dass die Batterielebensdauer verkürzt wird. Die meisten Batteriehersteller raten davon ab, hohe Ladeströme über längere Zeitperioden zu verwenden. Darüber hinaus erfordert ein höherer Ladestrom im Allgemeinen eine größere Siliziumfläche, was die Kosten und die Größe des Ladegeräts erhöhen kann und daher unerwünscht ist.
Eine andere Option besteht darin, die Batterie mit einer Spannung oberhalb der von dem Hersteller empfohlenen Nennspannung (z. B. 4,2V) zu laden, um ein Laden während der Konstantspannungsphase zu beschleunigen. Systeme, die diesen Ansatz verwenden, verwenden typischerweise einen vorgegebenen Spannungswert basierend auf Batterieparametern, um eine neue Referenzspannung für die Konstantspannungsphase zu erzeugen, die die Nennspannung übersteigt (z. B. 4,2V). Diese neue Referenzspannung wird jedoch vor Beginn des Ladens bestimmt und ist ein fester Parameter, der die dynamische Natur von Batterieparametern, wie Temperatur oder Innenwiderstand, nicht berücksichtigt, die sich ändern, wenn sich der Batterieladezustand ändert. Daher sind diese Ladesysteme eine Quelle von Sicherheitsbedenken und können auch nicht feststellen, ob die Batterie tatsächlich ihre volle Ladung erreicht hat.
Andere Verfahren nach dem Stand der Technik zum Laden von Batterien zielen darauf ab, das Laden durch Verwendung eines gepulsten Stroms zu beschleunigen. Zum Beispiel lehrt das Patent US 6,137,265 eine Verwendung einer Folge von Strompulsen zum Laden einer Batterie. Das in dieser Patentanmeldung offenbarte Verfahren verwendet jedoch eine feste Referenzspannung (insbesondere die von dem Hersteller vorgesehene Nennspannung), um zu bestimmen, wann die Batterie vollständig geladen ist. Darüber hinaus wird, um zu verhindern, dass die Batteriezelle die festgelegte Referenzspannung übersteigt, und um Sicherheitsprobleme zu vermeiden, die Amplitude der Strompulse verringert, wenn sich die Batterie der vollen Ladung nähert. Daher garantiert dieses Ladeverfahren eindeutig nicht, dass die Batteriezelle vollständig geladen ist, wenn das Laden gestoppt wird; und es erreicht nur eine begrenzte Beschleunigung des Ladens, da die Amplitude der Strompulse verringert wird, wenn sich die Batterie der vollen Ladung nähert.
Herkömmliche Schnellladeverfahren erfordern daher einen Kompromiss zwischen einem Erreichen einer hohen Ladegeschwindigkeit und einem oder mehreren aus: Reduzieren einer Batterielebensdauer, Erhöhen eines Risikos von Sicherheitsproblemen und Stoppen des Ladens, bevor die Batterie die volle Ladung erreicht. Es wäre wünschenswert, ein Verfahren vorzusehen, das es ermöglicht, das Laden genau dann zu stoppen, wenn die Batterie die volle Ladung erreicht, während gleichzeitig die Ladegeschwindigkeit maximiert wird, Sicherheitsbedenken beseitigt werden und die Batteriegröße minimiert wird.
Zusammenfassung
Es ist eine Aufgabe der Offenbarung, eine oder mehrere der oben erwähnten Beschränkungen anzugehen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung ist ein Verfahren zum Laden einer Batterie mit einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung vorgesehen, wobei das Verfahren aufweist: in einer ersten Phase Anwenden eines Konstantstroms auf die Batterie; in einer zweiten Phase Anwenden von Strompulsen auf die Batterie, wobei die Strompulse durch eine Strompause getrennt sind, während der der Strom bei oder nahe Null ist; Vorsehen einer festen Referenzspannung; Wiederholen eines iterativen Abtastens der ersten Spannung während eines Strompulses, um eine Messung der ersten Spannung zu erhalten; eines Abtastens der ersten Spannung während einer Strompause, um eine Messung der zweiten Spannung zu erhalten; eines Erzeugens einer dynamischen Referenzspannung basierend auf der festen Referenzspannung und auf einer Differenz zwischen der Messung der ersten Spannung und der Messung der zweiten Spannung; eines Vergleichens der Messung der ersten Spannung mit der dynamischen Referenzspannung; und wobei das Verfahren aufweist ein Stoppen des Anwendens der Strompulse, wenn zumindest eine der Messung der ersten Spannung gleich der dynamischen Referenzspannung ist und der Messung der zweiten Spannung gleich der festen Referenzspannung ist.
Zum Beispiel kann die erste Spannung eine Batteriepackspannung sein und die zweite Spannung kann eine Batteriezellenspannung sein.
Optional weist das Verfahren weiter ein iteratives Vergleichen der Messung der zweiten Spannung mit der festen Referenzspannung auf.
Optional weist die Batterie ein Batteriepack auf und die erste Spannung ist eine Spannung des Batteriepacks.
Optional weist das Batteriepack eine äquivalente Batteriekapazität und einen äquivalenten Innenwiderstand in Serie innerhalb des Batteriepacks auf.
Optional weist das Batteriepack weiter einen Leiterplattenschutzwiderstand auf; und der Innenwiderstand weist einen Zelleninnenwiderstand und einen Schutzleiterplattenwiderstand auf.
Optional variieren die äquivalente Batteriekapazität und der äquivalente Innenwiderstand während des Ladens der Batterie.
Optional ist die dynamische Referenzspannung die Summe aus der festen Referenzspannung und einer dynamischen Fehlerspannung, wobei die dynamische Fehlerspannung als die Differenz zwischen der letzten Messung der ersten Spannung und der letzten Messung der zweiten Spannung bestimmt wird.
Optional weist das iterative Abtasten der ersten Batteriespannung während einer Strompause eines aus einem Abtasten der ersten Batteriespannung während jeder Strompause; und Abtasten der ersten Batteriespannung während der ersten verfügbaren Strompause auf, nachdem ein vorgegebenes Zeitintervall verstrichen ist.
Optional haben die Strompulse ein konstantes Profil.
Optional ist das konstante Profil ein viereckiges Profil.
Optional hat das viereckige Profil einen konstanten Arbeitszyklus.
Optional ist der Arbeitszyklus gleich oder größer als 0,9.
Optional ist die Amplitude der Strompulse gleich einer Amplitude des Konstantstroms, der während der ersten Phase auf die Batterie angewendet wird.
Optional wird die Dauer der Strompausen basierend auf einer Relaxationszeit der Batterie ausgewählt.
Optional haben die Strompausen eine Dauer von etwa 1ms bis etwa 10ms.
Optional haben die Strompulse eine Dauer von etwa 10 bis etwa 60 Sekunden.
Optional wird die Dauer der Strompulse basierend auf einer durchschnittlichen Zeit ausgewählt, die erforderlich ist, damit die dynamische Fehlerspannung um einen vorgegebenen Betrag variiert.
Optional weist das Verfahren weiter auf: Anwenden eines gepulsten Stroms auf die Batterie vor der ersten Phase bei einem Identifizieren, dass die Batterie vollständig entladen ist.
Optional ist die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie.
Optional entspricht die feste Referenzspannung einer maximalen Spannung, die sicher auf die Batterie angewendet werden kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung ist ein Ladegerät zum Laden einer Batterie mit einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung vorgesehen, wobei das Ladegerät aufweist einen Stromgenerator, der konfiguriert ist, um Strom an die Batterie vorzusehen; einen Spannungssensor, der konfiguriert ist, um die erste Batteriespannung abzutasten; und eine Steuervorrichtung, die konfiguriert ist: in einer ersten Phase einen Konstantstrom über den Stromgenerator auf die Batterie anzuwenden; in einer zweiten Phase Strompulse über den Stromgenerator auf die Batterie anzuwenden, wobei die Strompulse durch eine Strompause getrennt sind, während der der Strom bei oder nahe Null ist; eine feste Referenzspannung vorzusehen; iterativ zu wiederholen eines Abtastens der ersten Spannung über den Spannungssensor während eines Strompulses, um eine Messung der ersten Spannung zu erhalten; eines Abtastens der ersten Spannung über den Spannungssensor während einer Strompause, um eine Messung der zweiten Spannung zu erhalten; eines Erzeugens einer dynamischen Referenzspannung basierend auf der festen Referenzspannung und auf einer Differenz zwischen der Messung der ersten Spannung und den Messungen der zweiten Spannung; eines Vergleichens der Messung der ersten Spannung mit der dynamischen Referenzspannung; und wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um das Anwenden der Strompulse zu stoppen, wenn zumindest einer der Messung der ersten Spannung gleich der dynamischen Referenzspannung ist und der Messung der zweiten Spannung gleich der festen Referenzspannung ist.
Optional ist die dynamische Referenzspannung die Summe der festen Referenzspannung und einer dynamischen Fehlerspannung, wobei die dynamische Fehlerspannung als die Differenz zwischen der letzten Messung der ersten Spannung und der letzten Messung der zweiten Spannung bestimmt wird.
Optional weist das Ladegerät eine Sample-and-Hold- bzw. Abtast- und Halte-Schaltung auf, die in einem eines ersten Zustands und eines zweiten Zustands betriebsfähig ist; und die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist, um die Abtast- und Halte-Schaltung so zu steuern, dass während einer Strompause die Abtast- und Halte-Schaltung in dem ersten Zustand ist; und während eines Strompulses die Abtast- und Halte-Schaltung in dem zweiten Zustand ist.
Optional ist die Abtast- und Halte-Schaltung eine analoge Schaltung.
Optional weist die Abtast- und Halte-Schaltung einen Komparator auf mit einem Ausgang, der mit der Steuervorrichtung gekoppelt ist; und ist die Abtast- und Halte-Schaltung konfiguriert derart, dass in dem ersten Zustand der Ausgang des Komparators auf einem Vergleich zwischen der Messung der zweiten Spannung und der festen Referenzspannung basiert; und in dem zweiten Zustand der Ausgang des Komparators auf einem Vergleich zwischen der Messung der ersten Spannung und der dynamischen Referenzspannung basiert.
Optional weist die Abtast- und Halte-Schaltung weiter einen ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator und einen ersten Puffer, wobei der erste Puffer zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator gekoppelt ist; und einen zweiten Puffer auf; wobei der erste Puffer, der erste Kondensator und der zweite Kondensator konfiguriert sind, um die dynamische Fehlerspannung abzutasten und zu halten; und der zweite Puffer und der zweite Kondensator konfiguriert sind, um für den Komparator eine Summe der abgetasteten dynamischen Fehlerspannung und der festen Referenzspannung vorzusehen.
Das Verfahren des zweiten Aspekts kann auch ein Verwenden oder Vorsehen von Merkmalen des ersten Aspekts und verschiedenen anderen Schritte aufweisen, wie hierin offenbart.
Gemäß einem dritten Aspekt der Offenbarung ist eine Vorrichtung vorgesehen, die ein Ladegerät zum Laden einer Batterie mit einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung aufweist, wobei das Ladegerät aufweist einen Stromgenerator, der konfiguriert ist, um einen Strom an die Batterie vorzusehen; einen Spannungssensor, der konfiguriert ist, um die erste Batteriespannung abzutasten; und eine Steuervorrichtung, die konfiguriert ist: in einer ersten Phase einen Konstantstrom über den Stromgenerator auf die Batterie anzuwenden; in einer zweiten Phase Strompulse über den Stromgenerator auf die Batterie anzuwenden, wobei die Strompulse durch eine Strompause getrennt sind, während der der Strom bei oder nahe Null ist; eine feste Referenzspannung vorzusehen; iterativ zu wiederholen eines Abtastens der ersten Spannung über den Spannungssensor während eines Strompulses, um eine Messung der ersten Spannung zu erhalten; eines Abtastens der ersten Spannung über den Spannungssensor während einer Strompause, um eine Messung der zweiten Spannung zu erhalten; eines Erzeugens einer dynamischen Referenzspannung basierend auf der festen Referenzspannung und auf einer Differenz zwischen der Messung der ersten Spannung und den Messungen der zweiten Spannung; eines Vergleichens der Messung der ersten Spannung mit der dynamischen Referenzspannung; und wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um das Anwenden der Strompulse zu stoppen, wenn zumindest eine der Messung der ersten Spannung gleich der dynamischen Referenzspannung ist und der Messung der zweiten Spannung gleich der festen Referenzspannung ist.
Das System des dritten Aspekts kann auch ein Verwenden oder Vorsehen von Merkmalen des ersten Aspekts und des zweiten Aspekts und verschiedene andere Schritte aufweisen, wie hierin offenbart.
Figurenliste
Die Offenbarung wird im Folgenden beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, in denen:

1A ein schematisches Diagramm einer Batterie ist;
1B ein schematisches Diagramm einer Batterie ist, die mit einer Batterieschutzleiterplatte versehen ist;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Laden einer Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
3 ein Zeitdiagramm ist, das die erste Phase und die zweite Phase des Verfahrens von 2 darstellt;
4 ein Zeitdiagramm ist, das ein früheres Ladeverfahren mit dem Verfahren von 2 vergleicht;
5 ein schematisches Diagramm eines computerimplementierten Verfahrens zum Laden einer Batterie gemäß einem spezifischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens von 2 ist;
6 ein schematisches Diagramm eines Ladegeräts zum Laden einer Batterie gemäß dem Verfahren von 2 ist;
7A ein schematisches Diagramm eines spezifischen Ausführungsbeispiels des Ladegeräts von 6 während einer Strompause ist;
7B ein schematisches Diagramm des Ausführungsbeispiels von 7A während eines Strompulses ist;
8 ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung ist, die das Ladegerät von 5 aufweist.

Beschreibung
1A ist ein schematisches Diagramm einer Batterie 100a. Die Batterie 100a weist eine äquivalente Batteriekapazität 104 (C_B) in Serie mit einem äquivalenten Innenwiderstand 106 (R_I) auf. Die äquivalente Batteriezellenkapazität und der äquivalente Innenwiderstand sind während des Ladens der Batterie möglicherweise nicht konstant. Zum Beispiel kann der äquivalente Innenzellenwiderstand mit zunehmender Batterieladung abnehmen.
Die äquivalente Batteriekapazität 104 und der äquivalente Innenwiderstand 106 sind in einem Batteriepack 102 mit einem ersten Anschluss 108 und einem zweiten Anschluss 110 vorgesehen. Der erste Anschluss 108 ist konfiguriert, um einen Ladestrom 114 zu empfangen, der von einem Ladegerät (nicht gezeigt) vorgesehen wird. Der zweite Anschluss 110 ist mit einem festen Potential verbunden. Zum Beispiel kann das feste Potential ein Massepotential sein.
Die Batterie 100a hat eine Batteriepackspannung 116 (VBP), die die Spannung über den Anschlüssen des Batteriepacks ist. Die Batteriepackspannung 116 kann abgetastet werden, indem die Spannung über dem ersten Anschluss 108 und dem zweiten Anschluss 110 des Batteriepacks 102 gemessen wird, oder sie kann abgetastet werden, indem die Spannung eines Anschlusses in Bezug auf eine „floating“ Spannung gemessen wird. Die Batterie 100a umfasst auch eine Batteriezellenspannung 118 (VBC), die die Spannung über den Anschlüssen der äquivalenten Batteriekapazität ist. Die Batteriepackspannung 116 ist äquivalent zu der Batteriezellenspannung 118, wenn kein Strom durch die Batterie fließt (Spannung offene Schaltung). Wenn jedoch Strom durch die Batterie fließt, ist die Batteriepackspannung VBP höher als die Spannung über der Batterieäquivalentkapazität (Spannung geschlossene Schaltung). Insbesondere wenn Strom durch die Batterie 100a fließt, wird die Batteriepackspannung 116 durch die Summe der Spannung über der Batterieäquivalentkapazität 104 und einem Spannungsabfall, der durch den Batterieinnenwiderstand 106 verursacht wird, gegeben.
1B ist ein weiteres schematisches Diagramm einer Batterie 100b, wobei die Batterie 100 mit einer Batterieschutzplatte (PCB) versehen ist. Gemeinsame Merkmale in den Figuren in dieser Offenbarung werden durch gemeinsame Bezugszeichen/Variablen dargestellt.
In diesem spezifischen Ausführungsbeispiel weist das Batteriepack 102' der Batterie 100b eine Batteriezelle 120 und eine Schutzleiterplatte (PCB - protection circuit board) 122 auf. Die Schutzleiterplatte 122 ist konfiguriert, um einen oder mehrere Batterieparameter zu überwachen und die Batteriezelle(n) 120 von dem Ladegerät (nicht gezeigt) zu trennen, wenn eine unsichere Bedingung erfasst wird.
Die Batteriezelle 120 weist einen Zellenwiderstand 106b und eine Zellenkapazität 104b auf. In diesem spezifischen Ausführungsbeispiel ist der Innenwiderstand der Batterie 100 gegeben durch eine Summe des Zellenwiderstands 106b und jeglichen Schutzleiterplattenwiderstands, das heißt, jeglichen Widerstands, der durch die PCB 122 vorgesehen wird; während die äquivalente Batteriekapazität 104 durch die Zellenkapazität 104b gegeben ist. Es ist jedoch offensichtlich, dass die Batterie 100b mehr als eine Zelle aufweisen kann und dass, wenn mehrere Zellen vorhanden sind, jede Zelle zu dem Batterieinnenwiderstand R_I und der Batterieäquivalentkapazität C_B beiträgt. Darüber hinaus können andere Komponenten der Batterie, wie elektrische Drähte oder Gehäuse, zu dem Innenwiderstand und der Kapazität beitragen, wie für Fachleute bekannt ist.
Im Allgemeinen ist es nicht möglich, die Spannung über den Batteriezellen direkt zu messen, da sich diese innerhalb des Batteriepacks befinden. Die einzige leicht zugängliche Spannung ist die Batteriepackspannung VBP.
2 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Laden einer Batterie mit einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung gemäß der Offenbarung. Das Verfahren 200 weist eine erste Phase und eine zweite Phase auf. In der ersten Phase wird ein Konstantstrom auf die Batterie angewendet (Schritt 202). In der zweiten Phase werden Strompulse auf die Batterie angewendet. Die Strompulse werden durch eine Strompause getrennt, während der der Strom bei oder nahe Null ist (Schritt 204). Zum Beispiel kann der Strom während einer Strompause kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert sein. Bei Schritt 206 wird eine feste Referenzspannung VREF vorgesehen.
Mehrere Schritte werden dann iterativ wiederholt.
Bei Schritt 208a wird die erste Spannung während eines Strompulses abgetastet, um eine Messung der ersten Spannung zu erhalten. Bei Schritt 208b wird die erste Spannung während einer Strompause abgetastet, um eine Messung der zweiten Spannung zu erhalten. Bei Schritt 208c wird eine dynamische Referenzspannung (VBPH) basierend auf der festen Referenzspannung und einer Differenz zwischen der Messung der ersten Spannung und der Messung der zweiten Spannung erzeugt. Bei Schritt 210d wird die Messung der ersten Spannung mit der dynamischen Referenzspannung verglichen.
Die Schritte 208a bis 208d werden iterativ wiederholt, bis eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist.
Bei Schritt 210 werden die Strompulse nicht mehr angewendet, wenn zumindest eine der Messung der ersten Spannung gleich der dynamischen Referenzspannung ist und der Messung der zweiten Spannung gleich der festen Referenzspannung ist.
Das Verfahren 200 kann zum Beispiel zum Laden der Batterie 100 verwendet werden, wobei die erste Spannung die Batteriepackspannung 116 ist und die zweite Spannung die Batteriezellenspannung 118 ist. Wenn der Strom durch die Batterie null ist, sieht ein Abtasten der Batteriepackspannung 116 eine Messung der Batteriezellenspannung 118 vor. Wenn ein Ladestrom durch die Batterie fließt, ist die Batteriezellenspannung 118 gleich der Batteriepackspannung minus einem Spannungsabfall ΔV_err 304, der durch den Innenwiderstand der Batterie R_I verursacht wird: $VBC = VPB - Δ V_{err} - R_{I} * I_{B} .$
Die zeitliche Entwicklung der Batteriepackspannung 116, der Batteriezellenspannung 118 und der dynamischen Referenzspannung, wenn die Batterie 100 gemäß dem Verfahren 200 geladen wird, wird nun unter Bezugnahme auf 3 detaillierter erläutert.
3 ist ein Zeitdiagramm 300, das den Betrieb des Verfahrens 200 zeigt, wenn es auf die Batterie 100 angewendet wird. Das Zeitdiagramm 300 zeigt die Batteriezellenspannung 118 (VBC), die Batteriepackspannung 116 (VBP) und den Ladestrom 114 (I_B). Das Zeitdiagramm 300 zeigt weiter die dynamische Referenzspannung 302, die gemäß dem Verfahren 200 erzeugt wird (Schritt 208c).
In diesem spezifischen Ausführungsbeispiel hat die Batterie 100 eine Nennspannung von 4,2V, das heißt, die sicher auf die Batteriezelle anwendbare maximale Spannung ist 4,2V. Diese wird als feste Referenzspannung VREF während des Ladens verwendet.
Während der ersten Phase 306 (im Folgenden auch als Konstantstromphase oder CC-Phase bezeichnet) wird ein konstanter Ladestrom I₀ auf die Batterie 100 angewendet; die Batteriepackspannung 116 wird iterativ gemessen, indem die Batteriespannung zwischen den Anschlüssen 108 und 110 abgetastet wird, und die Batteriepackspannung wird iterativ mit der festen Referenzspannung VREF verglichen. Nach einer Zeit tcc erreicht die Batteriepackspannung VBP die feste Referenzspannung VREF und die zweite Phase 308 wird initiiert. Zum Beispiel kann die erste Phase die Batteriepackspannung von 3,0V auf 4,2V bringen, obwohl anzumerken ist, dass unterschiedliche Batterien unterschiedliche Parameter haben werden und daher die erste und Startspannung in Abhängigkeit von der zu ladenden spezifischen Batterie variieren wird.
Während der zweiten Phase 308 (im Folgenden auch als Burst-Modus oder BM-Phase bezeichnet) wird ein gepulster Strom auf die Batterie angewendet. Die Strompulse 310 sind jeweils von den nächsten Pulsen durch eine Strompause 312 getrennt, während der der Strom bei oder nahe null ist. Während der Strompulse 310 wird die Batteriepackspannung 116 abgetastet, um eine Messung der Batteriepackspannung und des Nicht-Null-Stroms zu erhalten. Während der Strompausen 312 wird die Batteriepackspannung abgetastet, um eine Messung der Batteriepackspannung bei Null-Strom zu erhalten, was äquivalent zu einer Messung der Batteriezellenspannung 118 ist.
Da das Ziel darin besteht, ein schnelles Laden zu erreichen, in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, ist die Amplitude der Strompulse 310 dieselbe wie eine Stromamplitude 314 des Ladestroms in dem Konstantstrommodus, der so ausgewählt ist, dass die Ladegeschwindigkeit, Lebensdauer und Sicherheit der Batterie optimiert wird. Darüber hinaus haben in einer bevorzugten Ausführungsbeispiel die Strompulse eine konstante Amplitude und einen konstanten Arbeitszyklus während der gesamten Burst-Modus-Phase, so dass die Ladezeit t_CHG tatsächlich minimiert wird. In anderen Ausführungsbeispielen kann ein anderer Wert für die Amplitude in der zweiten Phase im Vergleich zu der ersten Phase verwendet werden und das Profil der Strompulse muss nicht konstant sein.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Strompausen 312 vorgesehen, indem der Ladestrom für eine Zeitperiode Toff auf null abgesenkt wird. Die Periode Toff kann so kurz wie möglich eingestellt werden, aber lang genug, um das Abtasten der Batteriepackspannung bei Null-Strom zu ermöglichen, das heißt, um die Batteriezellenspannung zu messen. Der Strom wird dann auf seine maximale Amplitude zurückgebracht und wird während der Ladepulse 310 für eine Zeit Ton konstant gehalten, die viel länger als die Zeit Toff ist, wonach die neue Strompause vorgesehen wird. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsbeispielen die Zeit Toff auf etwa 1 bis 10ms eingestellt werden und Ton kann in dem Bereich von 10s - 2min sein. In einem spezifischen Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 200 derart konfiguriert sein, dass Ton 10 Sekunden ist und Toff 1ms ist. Dies sieht einen Arbeitszyklus von 0,9999 vor, was bedeutet, dass während der Burst-Modus-Phase die Batterie 200 mit einem nahezu kontinuierlichen Strom versehen wird, wodurch ein tatsächlich schnelles Laden ermöglicht wird.
Es ist offensichtlich, dass die in dem Zeitdiagramm 300 und in anderen Diagrammen der Offenbarung dargestellten Signale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind und dass verschiedene Signale vergrößert wurden, um die Darstellung zu verbessern.
Die Batteriezellenspannung 118 repräsentiert die wahre Ladung der Batterie 100 und sollte niemals die feste Referenzspannung VREF (normalerweise 4,2V für Lithium-Ionen-Batterien) übersteigen, die die maximale sichere Spannung für die Batterie 100 ist. Somit sollte das Laden der Batterie idealerweise genau bei VBC = VREF beendet werden. Die Batteriezellenspannung ist jedoch nicht direkt zugänglich, daher wird die Batteriepackspannung während des Ladens durch iteratives Abtasten der Batteriepackspannung 116 bei Null-Strom abgetastet.
Jederzeit während der Burst-Modus-Phase kann die dynamische Referenzspannung VBPH (302) basierend auf der festen Referenzspannung und einer Differenz der letzten Messung der Batteriepackspannung bei einem Nicht-Null-Strom und der letzten Messung der Batterie bei Null-Strom, was die Batteriezellenspannung repräsentiert, berechnet werden. Insbesondere kann die dynamische Referenzspannung als die Summe der festen Referenzspannung und einer dynamischen Fehlerspannung ΔV_err 304, die gleich der Differenz zwischen der letzten verfügbaren Messung der Batteriepackspannung bei einem Nicht-Null-Strom minus der letzten verfügbaren Messung der Batteriezellenspannung ist (d. h. die letzte Messung der Batteriepackspannung bei Null-Strom), berechnet werden: $VBPH = VREF + Δ V_{err} = VREF + VBP (I_{B} = I_{0}) - VBP (I_{S} = 0) .$
Die Fehlerspannung ΔV_err hängt von einem oder mehreren Batterieparametern ab. Zum Beispiel kann die Fehlerspannung ΔV_err von der Batterietemperatur T₁, dem Batterieinnenwiderstand R_I und der Batterieäquivalentkapazität C_B abhängen. Da diese Parameter während des Ladens variieren, variieren auch die Fehlerspannung ΔV_err und die dynamische Referenzspannung VBPH während des Ladens. Dies wird in dem Graph reflektiert durch variierende Fehlerspannungen 304₁ (ΔV_err1), 304₂ (ΔV_err2) und 304₃ (ΔV_err3), die jeweils von den Parametern (T₁, R_I1, C_B1), (T₂, R_I2, C_B2) und (T₃, R_I3, C_B3) abhängen, und in den entsprechenden dynamischen Referenzspannungswerten 302₁, 302₂, 302₃. Da insbesondere der Innenwiderstand mit der Zeit abnimmt, nimmt auch VBPH ab. Gleichzeitig steigt die Batteriepackspannung von einer Abtastung zu der nächsten, da die Batterie weiterhin durch den Ladestrom I_B geladen wird. Diese zwei Entwicklungen werden schließlich damit enden, dass sie einander erreichen, wodurch eine Ladebeendigung zu einem Zeitpunkt tCHG (316) ausgelöst wird.
Durch iteratives Berechnen der dynamischen Fehlerspannung 304 (ΔV_err) während des Ladens wird sichergestellt, dass die zu jedem Zeitpunkt t berechnete dynamische Referenzspannung den wahren Spannungsabfall durch den Batterieinnenwiderstand an dem Zeitpunkt t repräsentiert, somit liefert die dynamische Referenzspannung eine Referenz, um das Laden bei genau VBC = 4,2V abzuschließen.
Während der Burst-Modus-Phase werden die Messungen der Batteriepackspannung 116 bei einem Nicht-Null-Strom iterativ überwacht und mit der dynamischen Referenzspannung verglichen, um zu bestimmen, wann das Laden beendet werden soll. Das Verfahren 200 kann weiter den Schritt eines iterativen Vergleichens der Batteriezellenspannung mit der festen Referenzspannung aufweisen, um zu bestimmen, wann das Laden gestoppt werden soll, so dass das Laden beendet werden kann, wenn entweder die Batteriepackspannung bei einem Nicht-Null-Strom die dynamische Referenzspannung erreicht oder wenn die Batteriezellenspannung die feste Referenzspannung erreicht. Es ist jedoch offensichtlich, dass, da in bevorzugten Ausführungsbeispielen Toff viel kürzer als Ton ist, die Wahrscheinlichkeit eines Erfassens, dass die Batteriezellenspannung die feste Referenzspannung erreicht, wesentlich geringer ist als die Wahrscheinlichkeit eines Erfassens, dass die Batteriepackspannung, die bei Nicht-Null-Strom gemessen wird, die dynamische Referenzspannung erreicht.
Es ist offensichtlich, dass die Batteriezellenspannung bei unterschiedlichen Zeitintervallen gemessen werden kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann eine neue Messung der Batteriezellenspannung bei jeder Strompause vorgesehen werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann ein iteratives Abtasten der Batteriepackspannung während einer Strompause ein iteratives Abtasten der Batteriepackspannung in regelmäßigen Intervallen aufweisen, die durch eine vorgegebene Anzahl von Strompausen gegeben sind; oder ein iteratives Abtasten der Batteriepackspannung bei der ersten Strompause, die verfügbar ist, nachdem ein vorgegebenes Zeitintervall verstrichen ist.
Die Dauer der Strompausen und der Strompulse sollte so gewählt werden, dass Ladegeschwindigkeit, Batterielebensdauer und Sicherheit optimiert werden. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Dauer der Strompausen basierend auf einer Relaxationszeit der Batterie ausgewählt. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsbeispielen die Toff-Zeit auf zumindest 1ms begrenzt sein, um zu ermöglichen, dass das Laden über die Batterie auf null oder nahe null abfällt. Eine Auswahl einer Zeit Toff, die zu kurz ist und nicht ermöglicht, dass der Strom durch die Batterie auf oder nahe null abfällt, kann zu einer Unterschätzung der dynamischen Referenzspannung und damit zu einer unvollständigen Ladung der Batterie führen.
In einigen Ausführungsbeispielen wird die Dauer der Strompulse basierend auf einer geschätzten Zeit ausgewählt, die benötigt wird, damit die dynamische Fehlerspannung von dem zuvor geschätzten Wert abweicht. Zum Beispiel kann die Zeit Ton in dem Bereich von 10 bis 60 Sekunden gewählt werden. Eine zu lange Ton-Zeit kann dazu führen, dass signifikante Änderungen des Batteriezustands übersehen werden und somit Sicherheitsprobleme auftreten. Unter Bezugnahme auf 3 kann angemerkt werden, dass jeder dynamische Referenzspannungswert 302, auf einer Messung der Batteriezellenspannung bei der vorherigen Strompause basiert. Daher reflektiert die dynamische Referenzspannung die Batterieparameter nicht genau zu dem Zeitpunkt, zu dem sie berechnet wird. Wenn jedoch die Dauer der Strompulse so gewählt wird, dass sie gleich einem bekannten Minimum-Zeitintervall ist, in dem erwartet wird, dass die Batterieparameter keiner signifikanten Änderung unterliegen, z.B. 10 Sekunden, dann können die Batterieparameter zum Zeitpunkt der Berechnung der dynamischen Referenzspannung sicher mit den Batterieparametern während der vorangegangenen Strompause angenähert werden. Alternativ kann in einigen Ausführungsbeispielen die Zeit Ton allmählich reduziert werden, zum Beispiel von 10 Sekunden auf 1 Sekunde, um eine größere Variabilität der Batterieparameter zu berücksichtigen, wenn sich die Batterie der vollständigen Ladung nähert.
Es ist offensichtlich, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen des Verfahrens 200 einige Schritte weggelassen und/oder in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, und dass die angeführten Schritte das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Schritten nicht ausschließen. Zum Beispiel kann das Verfahren 200 eine Erhaltungsladephase aufweisen oder nicht, bei der vor der ersten Phase, wenn die Batterie vollständig entladen ist, ein gepulster Erhaltungsstrom auf die Batterie angewendet wird, um die Batteriespannung aus der Tiefenentladung auf einen normalen Entladungszustand anzuheben.
Darüber hinaus ist offensichtlich, dass, obwohl die obigen Figuren mit einem Fokus auf Lithium-Ionen-Batterien dargestellt wurden, die im Allgemeinen eine Nennspannung von 4,2V haben, das Verfahren 200 zum Laden jeder Lithium-Ionen-Batterie mit unterschiedlichen Nennspannungen verwendet werden kann, sowie alle anderen Typen von Batterien, wie Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metall-Hybrid-Batterien, um nur einige zu nennen.
Systeme nach dem Stand der Technik verwendeten eine vorgegebene Referenzspannung (entweder fest oder dynamisch), die vor dem Laden und basierend auf ausgewählten Batterieparametern bestimmt wurde, um zu bestimmen, wann das Laden zu stoppen ist. Die ausgewählten Batterieparameter sind jedoch von Herstellern nicht garantiert, da sie während des Ladens variieren. Daher ist die Verwendung einer vorgegebenen Referenzspannung weder sicher (da die Batteriezellenspannung VBC den maximalen Sicherheitswert von 4,2V übersteigen könnte) noch effizient (da das Laden beendet werden kann, bevor die Batteriezellenspannung den vollen Ladewert von 4,2V erreicht hat). Das Verfahren 200 eliminiert das Risiko, dass die Batteriezellenspannung VBC die maximale sichere Spannung von 4,2V übersteigt. Es verhindert auch ein zu frühes Beenden des Ladens, bevor die Batterie eine volle Ladung erreicht hat. Dies wird durch die Verwendung einer dynamischen Referenzspannung erreicht, die während des Ladens ständig aktualisiert wird.
Die dynamische Referenzspannung verkörpert das dynamische Verhalten aller kritischen Batterieparameter, wie Temperatur, äquivalenter Innenwiderstand, äquivalente Innenkapazität, und sieht eine echte Schätzung der maximalen Spannung vor, die an jedem Punkt während des Ladens sicher auf die Batterie anwendbar ist.
Die Verwendung der dynamischen Referenzspannung, die die wahren Werte der Batterieparameter in Echtzeit berücksichtigt, ermöglicht, Strompulse bei konstanter Stromamplitude und Arbeitszyklus bis zum Ende des Ladens zu halten, ohne dass Sicherheitsprobleme auftreten. Dies ermöglicht ein schnelleres Laden im Vergleich zu Verfahren nach dem Stand der Technik, bei denen die Strompuls-Amplitude und/oder der Arbeitszyklus verringert werden, wenn sich der Strom der vollen Ladung nähert.
Die durch das Verfahren 200 vorgesehene Zeitverkürzung des Ladens ist in 4 darstellt, die ein Zeitdiagramm 400 ist, das einen Vergleich zwischen einem früheren Ladeverfahren und dem Verfahren 200 zeigt. Gemeinsame Merkmale in den Figuren in dieser Offenbarung sind durch gemeinsame Bezugszeichen/Variablen dargestellt.
Das Zeitdiagramm 400 zeigt die Entwicklung der Batteriezellenspannung 118 (VBC), der Batteriepackspannung 116 (VBP) und des Ladestroms 114 (I_B) während des Ladens der Batterie 100. Die durchgezogenen Linien 402 entsprechen einem Szenario, in dem die Batterie 100 gemäß einem Ladeverfahren nach dem Stand der Technik geladen wird, das eine Konstantstromphase 306 gefolgt von einer Konstantspannungsphase 408 aufweist. Die gestrichelten Linien 404 entsprechen einem Szenario, in dem die Batterie 100 gemäß dem Verfahren 200 geladen wird.
Während der ersten Phase 306 verwenden sowohl das Verfahren nach dem Stand der Technik als auch das Verfahren 200 einen konstanten DC-Ladestrom und überwachen die Batteriepackspannung, um zu bestimmen, wann sie den Nennspannungswert von 4,2V erreicht. Danach implementiert das Verfahren nach dem Stand der Technik eine Konstantspannungsphase 408, während der die Spannung des Batteriepacks auf 4,2V gehalten wird. Während dieser Phase wird der Ladestrom 114 regelmäßig überwacht und das Laden wird beendet, wenn der Ladestrom null oder einen Wert nahe null erreicht (typischerweise in dem Bereich von 10 mA - 100 mA).
Das Verfahren 200 implementiert stattdessen die Burst-Modus-Phase 308, wie zuvor unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben, nachdem die erste Phase beendet ist. Wenn die Dauer Toff der Strompausen während der Burst-Modus-Phase 308 derart gewählt wird, dass sie viel kürzer ist als die Strompulsdauer Ton, so kann der Burst-Modus mit einer kontinuierlichen Stromphase bis zum Ende des Ladens approximiert werden. Folglich ist die Zeit 410 (tCHG2) zum vollständigen Laden der Batterie 100 gemäß dem Verfahren 200 viel kürzer als die herkömmliche Zeit 412 (tCHG1), die zum vollständigen Laden der Batterie 100 gemäß dem Stand der Technik erforderlich ist. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Zeitdauer tBM der Burst-Modus-Phase 308 zum Laden der Batterie im Burst-Modus gemäß dem Verfahren 200 als tBM = C_B * R_I geschätzt werden und die Dauer tCV der Konstantspannungsphase 408 zum Laden der Batterie in dem Konstantspannungsmodus gemäß dem Stand der Technik kann als tCV = C_B * RI * 2 * In(10) geschätzt werden. Daher kann die zum Abschließen des Ladens nach der Konstantstromphase erforderliche Zeit 4,6-mal kürzer sein, wenn das Verfahren 200 verwendet wird, verglichen mit Verfahren nach dem Stand der Technik, die eine Konstantspannungsphase verwenden.
Es ist offensichtlich, dass ein oder mehrere Schritte des Verfahrens 200 über ein computerimplementiertes Verfahren implementiert werden können.
5 ist ein Ablaufdiagramm eines computerimplementierten Verfahrens 500 zum Laden einer Batterie gemäß einem spezifischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens 200. Das computerimplementierte Verfahren 500 sieht Schritte zum Implementieren einer Konstantstromphase 306 vor, in der ein großer Konstantstrom auf die Batterie angewendet wird; und eine Burst-Modus-Phase 308, in der ein gepulster Strom auf die Batterie angewendet wird.
Ein Index k wird bei Schritt 502 initialisiert und nach jeder Strompause inkrementiert (Schritt 504). Am Ende jeder Strompause wird eine Messung VBP_k+1 (I_B = 0) durch Abtasten der Batteriepackspannung (Schritt 506) erhalten und mit der festen Referenzspannung VREF verglichen (Schritt 508). Wenn die Spannung des Batteriepacks bei einem Nicht-Null-Strom die feste Referenzspannung erreicht hat, wird das Laden gestoppt (Schritt 510), andernfalls wird die Messung VBP_k+1 (I_B = 0) verwendet, um eine neue dynamische Fehlerspannung ΔV_err,k+1 (Schritt 512) und eine dynamische Referenzspannung VBPH_k+1 zu berechnen (Schritt 514), und ein neuer Strompuls wird initiiert (Schritt 516).
Während jedes Strompulses wird die Batteriepackspannung bei Nicht-Null-Strom VBP (I_B = I₀) abgetastet (Schritt 518) und mit der in Schritt 514 berechneten dynamischen Referenzspannung verglichen. Wenn die Batteriepackspannung bei Nicht-Null-Strom die dynamische Referenzspannung erreicht hat, wird das Laden gestoppt (Schritt 520), andernfalls wird der Strompuls für die Zeit Ton aufrechterhalten (Schritt 522). Nachdem die Zeit Ton verstrichen ist, wird eine neue Messung der Batteriepackspannung VBP (I_B = I₀) durchgeführt (Schritt 524) und eine neue Strompause wird initiiert (Schritt 526). Am Ende des Strompulses (Schritt 528) wiederholt sich der Vorgang.
Der in der Burst-Modus-Phase 308 durch das Verfahren 500 angewendete gepulste Strom kann je nach Typ der zu ladenden Batterie ein unterschiedliches Profil haben. Zum Beispiel werden leistungsstarke Batterien mit einer großen Batterieäquivalentkapazität C_B langsamer geladen als eine Batterie mit einer signifikant niedrigeren Batterieäquivalentkapazität. Somit können für eine leistungsstarke Batterie mit größerer Batterieäquivalentkapazität C_B längere Strompulse in der Burst-Modus-Phase ohne Sicherheitsbedenken angewendet werden, da die Batteriezellenspannung die feste Referenzspannung nicht übersteigen würde, bevor die Batteriespannung bei Null-Strom das nächste Mal abgetastet wird.
Die Wahl des gepulsten Stromprofils basiert auf dem Typ der Batterie und auf dem Maximalwert der dynamischen Fehlerspannung ΔV_err, der von einer Strompause zur nächsten als akzeptabel angesehen wird. Zum Beispiel kann eine leistungsstarke Batterie mit 4A*h, die mit einem Konstantstrompuls von 4A für 60s geladen wird, ihre Spannung während des Strompulses nur um 24mV erhöhen. Solch ein niedriges Spannungsinkrement wäre sicher für die Batterie, selbst wenn es über der festen Referenzspannung liegt. Für eine schwächere Batterie von 1A*h sollte eine niedrigere Pulsdauer, z.B. 10s, verwendet werden, da höhere Werte eine hohe ΔV_err erzeugen könnten, was nicht sicher wäre.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 500 auch weitere Schritte umfassen, um eine neue Zeit tON nach jeder Strompause zu berechnen, wobei der neue tON-Wert auf der letzten Messung VBP_k (I_B = 0) basiert. Das Verfahren 500 kann konfiguriert sein, die Zeit tON allmählich zu reduzieren, wenn sich die Messung VBP_k (I_B = 0) der festen Referenzspannung (z.B. 4,2V) nähert, um die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass die Spannung VBP die feste Referenzspannung während des folgenden Strompulses signifikant übersteigt.
6 ist ein schematisches Diagramm eines Ladegeräts 600 zum Laden einer Batterie 100 mit einer ersten Spannung 116 und einer zweiten Spannung 118 gemäß der Offenbarung. Gemeinsame Merkmale in den Figuren in dieser Offenbarung werden durch gemeinsame Bezugszeichen/Variablen dargestellt.
Das Ladegerät 600 weist einen Stromgenerator 602 auf, der konfiguriert ist, um einen Strom 114 für die Batterie 100 vorzusehen; einen Spannungssensor 604, der konfiguriert ist, um die erste Batteriespannung 116 abzutasten; und eine Steuervorrichtung 606, die konfiguriert ist, um in einer ersten Phase einen Konstantstrom über den Stromgenerator 602 auf die Batterie 100 anzuwenden; um in einer zweiten Phase Strompulse über den Stromgenerator 602 auf die Batterie 100 anzuwenden, wobei die Strompulse durch eine Strompause getrennt sind, während der der Strom 114 bei oder nahe Null ist; um eine feste Referenzspannung vorzusehen; um iterativ die Schritte zu wiederholen:

- Abtasten der ersten Batteriespannung 116 über den Spannungssensor 604 während eines Strompulses, um eine Messung der ersten Spannung zu erhalten:
- Abtasten der ersten Batteriespannung während einer Strompause über den Spannungssensor 604, um eine Messung der zweiten Spannung 118 zu erhalten;
- Erzeugen einer dynamischen Referenzspannung basierend auf der festen Referenzspannung und auf einer Differenz zwischen der Messung der ersten Spannung 116 und der Messung der zweiten Spannung 118;
- Vergleichen der Messung der ersten Spannung mit der dynamischen Referenzspannung;

Es ist offensichtlich, dass der Stromgenerator und der Spannungssensor auf jede geeignete Weise implementiert werden können und nicht auf eine bestimmte Implementierung beschränkt sind.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das Ladegerät 600 konfiguriert sein, um das computerimplementierte Verfahren 500 auszuführen. Insbesondere kann das Ladegerät 600 eine Sample- and Hold- bzw. Abtast- und Halte-Schaltung 608 (nicht gezeigt) aufweisen, um die Abtast- und Halteoperationen des Verfahrens 500 durchzuführen Ein Beispiel einer analogen Abtast- und Halte-Schaltung zur Verwendung in dem Ladegerät 600 ist in 7 gezeigt, obwohl offensichtlich ist, dass geeignete Abtast- und Halte-Schaltungen auf verschiedene andere Weisen implementiert werden können, wie für Fachleute bekannt ist.
7A und 7B sind schematische Diagramme eines spezifischen Ausführungsbeispiels des Ladegeräts 600, wobei das Ladegerät 600 eine Abtast- und Halte-Schaltung 700 aufweist. 7A zeigt das Ladegerät 600 während einer Strompause. 7B zeigt das Ladegerät 600 während eines Strompulses. Gemeinsame Merkmale in den Figuren in dieser Offenbarung werden durch gemeinsame Bezugszeichen/Variablen dargestellt.
Die Abtast- und Halte-Schaltung 700 ist in einem von zwei Zuständen betriebsfähig und die Steuervorrichtung 306 ist konfiguriert, um die Abtast- und Halte-Schaltung so zu steuern, dass 700 während einer Strompause die Abtast- und Halte-Schaltung 700 in dem ersten Zustand ist; und während eines Strompulses die Abtast- und Halte-Schaltung 700 in dem zweiten Zustand ist.
Die Abtast- und Halte-Schaltung 700 weist einen Komparator 710, einen ersten Puffer 720 und einen zweiten Puffer 730 auf. Der Komparator 710 hat einen ersten Eingang 712, einen zweiten Eingang 714 und einen Ausgang 716. Der erste Puffer 720 hat einen ersten Eingang 722, einen zweiten Eingang 724 und einen Ausgang 726. Der zweite Puffer 730 hat einen ersten Eingang 732, einen zweiten Eingang 734 und einen Ausgang 736.
Die Abtast- und Halte-Schaltung 700 weist weiter einen ersten Kondensator 704, der zwischen dem ersten Eingang 722 des ersten Puffers 720 und einem Massepotential 706 gekoppelt ist; und einen zweiten Kondensator 708 auf, der zwischen einem ersten Schalter 701 und einem zweiten Schalter 703 gekoppelt ist. Der erste Schalter 701 ist konfiguriert, entweder in einem ersten oder einem zweiten Zustand zu sein, wobei der Schalter 701 in dem ersten Zustand eine Kopplung zwischen dem Kondensator 708 und dem Ausgang 726 des ersten Puffers 720 vorsieht; und in dem zweiten Zustand der Schalter 701 eine Kopplung zwischen dem Kondensator 708 und der festen Referenzspannung 702 vorsieht. Der zweite Schalter 703 ist konfiguriert, entweder in einem ersten oder in einem zweiten Zustand zu sein, wobei der Schalter 703 in dem ersten Zustand eine Kopplung zwischen dem Kondensator 708 und einem Schaltungsknoten 709 vorsieht, der mit dem ersten Eingang 712 des Komparators 710 und mit der Batteriepackspannung 116 gekoppelt ist; und in dem zweiten Zustand der Schalter 703 eine Kopplung zwischen dem Kondensator 708 und dem zweiten Eingang 734 des zweiten Puffers 730 vorsieht.
Der erste Eingang 712 des Komparators 710 ist über den Knoten 709 mit dem Batteriespannungspack 116 gekoppelt. Der zweite Eingang 714 des ersten Komparators 710 ist mit einem dritten Schalter 705 gekoppelt. Der Schalter 705 kann zum Beispiel ein Zweiwegeschalter sein. Der Schalter 705 ist konfiguriert, entweder in einem ersten oder in einem zweiten Zustand zu sein, wobei der Schalter 705 in dem ersten Zustand eine Kopplung zwischen dem Eingang 714 und der festen Referenzspannung 702 vorsieht, und in dem zweiten Zustand der Schalter 705 eine Kopplung zwischen dem Eingang 714 und dem ersten Schalter 701 vorsieht. Der Ausgang 716 des Komparators 710 ist mit der Steuervorrichtung 306 gekoppelt.
Der erste Eingang 722 des ersten Puffers 720 ist über den Kondensator 706 mit einer Massespannung 112 gekoppelt. Darüber hinaus ist der erste Eingang 722 mit der Batteriepackspannung 116 über einen vierten Schalter 707 gekoppelt, der konfiguriert ist, entweder in einem ersten oder in einem zweiten Zustand zu sein, wobei in dem ersten Zustand der Schalter 707 offen ist und in dem zweiten Zustand der Schalter 707 geschlossen ist. Der zweite Eingang 724 des ersten Puffers 720 ist mit dem Ausgang 726 in einer Rückkopplungsschleife gekoppelt.
Der erste Eingang 732 des zweiten Puffers 730 ist mit der festen Referenzspannung 702 gekoppelt. Der zweite Eingang 734 des zweiten Puffers 730 ist über eine Rückkopplungsschleife mit dem Ausgang 736 des zweiten Puffers gekoppelt.
Der erste Puffer 720, der Kondensator 704 und der Kondensator 708 sind konfiguriert, um die dynamische Fehlerspannung ΔV_err abzutasten und zu halten. Der zweite Puffer 730 und der zweite Kondensator 708 sind zusammen mit den Schaltern 703, 705 und 701 konfiguriert, um die Summe der festen Referenzspannung und der dynamischen Fehlerspannung ΔV_err vorzusehen.
Während einer Strompause (7A) ist die Abtast- und Halte-Schaltung in dem ersten Zustand und die Schalter 701, 703, 705 und 707 sind in dem ersten Zustand. Daher ist der zweite Eingang des Komparators mit der festen Referenzspannung 702 gekoppelt. Da kein Strom durch die Batterie 100 fließt, ist die Batteriepackspannung 116 äquivalent zu der Batteriezellenspannung 118 und der Komparator 710 sieht ein Ausgangssignal vor, das auf dem Vergleich zwischen der Batteriezellenspannung mit der festen Referenzspannung 702 basiert. Die Steuervorrichtung empfängt das Ausgangssignal des Komparators 710 und löst die Beendigung des Ladens aus, wenn die Batteriezellenspannung gleich oder größer als die feste Referenzspannung ist.
Während eines Strompulses (7B) ist die Abtast- und Halte-Schaltung 700 in dem zweiten Zustand und die Schalter 701, 703, 705 und 707 sind in dem zweiten Zustand. Der zweite Eingang 714 des Komparators 710 ist mit dem Kondensator C2 gekoppelt und empfängt eine Summe aus der festen Referenzspannung und der dynamischen Fehlerspannung ΔV_err, das heißt der dynamischen Referenzspannung VBPH. Somit sieht der Komparator 710 ein Ausgangssignal vor, das auf dem Vergleich zwischen der Batteriepackspannung und der dynamischen Referenzspannung VBPH basiert. Die Steuervorrichtung empfängt das Ausgangssignal des Komparators 710 und löst die Beendigung des Ladens aus, wenn die Spannung des Batteriepacks gleich oder größer als die dynamische Referenzspannung ist.
Genauer gesagt ist während eines Strompulses (7B) der Komparator C1 (704) über den Schalter 707 mit der Batterie gekoppelt, wodurch der Kondensator C1 während eines Strompulses VBP (I_B = I₀) auf die Spannung der Batterie geladen wird. Während der folgenden Strompause (7A) verbinden die Schalter 701 und 703 den zweiten Kondensator C2 (708) mit dem Puffer 720 und mit der Spannung VBP (116) der Batterie (jetzt bei Null-Strom). Eine Spannung gleich ΔV_err wird an dem zweiten Kondensator C2 (708) als Differenz zwischen der Spannung VBP(I_B = I₀) und der letzten Spannung VBP (I_B = 0) aufgebaut, die während des vorherigen Strompulses abgetastet, die auf C1 gespeichert wird und an C2 vorgesehen wird während der Strompause über den Puffer 720. Während des folgenden Strompulses (7B) wird ein positiver Anschluss 740 des Kondensators C2 (708) von dem Puffer 720 getrennt und mit dem Eingang 714 des Komparators 710 über die Schalter 701 und 705 gekoppelt; ein negativer Anschluss 742 des Kondensators C2 wird von der Batterie getrennt und über den Schalter 703 mit dem Puffer 730 gekoppelt. Der zweite Puffer 730 wendet die feste Referenzspannung 702 auf den negativen Anschluss von C2 an, so dass eine Spannung gleich der Summe der festen Referenzspannung 702 und der extrahierten dynamischen Fehlerspannung ΔV_err an den Eingang 714 des Komparators 710 vorgesehen wird.
Es ist offensichtlich, dass die Abtast- und Halte-Schaltung von 7 durch jede andere geeignete Abtast- und Halte-Schaltung ersetzt werden kann, wie eine rein digitale Schaltung oder eine komplexe Schaltung mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC - analog to digital converter) und einem Prozessor.
8 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung, die das Ladegerät von 6 aufweist. Gemeinsame Merkmale in den Figuren in dieser Offenbarung werden durch gemeinsame Bezugszeichen/Variablen dargestellt.
Die Vorrichtung 800 kann jede beliebige elektronisches Benutzervorrichtung sein, die eine wiederaufladbare Batterie 100 aufweist oder konfiguriert ist, um in Kombination mit einer Batterie 100 verwendet zu werden. Das Ladegerät 600 ist konfiguriert, zu arbeiten, wie zuvor unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 beschrieben.
Ladeverfahren nach dem Stand der Technik liefern keine dynamische Referenzspannung. Sie verwenden entweder die Batterienennspannung oder eine vorgegebene Spannung, die durch nominale oder empirische Batterieparameter gegeben ist, die vor dem Laden geschätzt werden, um zu bestimmen, wann das Anwenden des Ladestroms beendet werden soll. Dies kann jedoch zu einer sicherheitsrelevanten Überspannung oder zu einer Unterspannung führen, was eine unvollständige Ladung bedeutet, da die Batterieparameter während des Ladens nicht konstant sind. Die Verfahren und das System der vorliegenden Offenbarung lösen dieses Problem, indem sie eine dynamische Referenzspannung verwenden, die den Echtzeitwert der Batterieparameter während des gesamten Ladens berücksichtigt.
Anstatt den Ladestrom während der Konstantstromphase zu erhöhen, um das Laden zu beschleunigen, und dann eine Konstantspannungsphase anzuwenden und das Laden zu beenden, ermöglichen das Verfahren und die Systeme gemäß der vorliegenden Offenbarung, das Laden zu beschleunigen, während der gleiche oder ein niedrigerer Strom während des Konstantstrommodus beibehalten wird, und dann einen gepulsten Strom oder eine Burst-Modus-Phase anzuwenden. Das Laden mit gepulstem Strom kann in jedem herkömmlichen Ladesystem einfach implementiert werden, und somit sehen die Verfahren und Systeme gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Rückwärtskompatibilität mit praktisch allen bestehenden Ladesystemen vor.
Die Verfahren und Systeme gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglichen, ein schnelles Laden zu erreichen, ohne dass der während des gesamten Ladevorgangs verwendete Ladestrom erhöht werden muss, wodurch die Notwendigkeit eines Kompromisses zwischen schnellem Laden und Batterielebensdauer eliminiert wird, was ein Problem ist, das die meisten Ladesysteme nach dem Stand der Technik betrifft. Verglichen mit Systemen nach dem Stand der Technik ermöglichen die Verfahren und Systeme gemäß der vorliegenden Offenbarung entweder ein schnelleres Laden bei ähnlichen Strompegeln, d.h. ein schnelleres Laden mit einer ähnlichen Batterielebensdauer; oder sie ermöglichen ähnliche Ladezeiten bei niedrigeren Strompegeln, d.h. dieselbe Ladegeschwindigkeit bei längerer Batterielebensdauer.
Die Verfahren und Systeme gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglichen auch eine signifikante Reduzierung der Siliziumfläche im Vergleich zu den meisten existierenden Ladeverfahren und -systemen. Zum Beispiel können Verfahren, die das Laden beschleunigen, indem sie den während der Konstantstromphase angewendeten Strom erhöhen, nur eine begrenzte Reduzierung der Siliziumfläche erreichen aufgrund der Größe der Leistungs-FETs, die auf dem Ladepfad verwendet werden, da höhere Ströme größere FETs erfordern. Da die Verfahren und Systeme der vorliegenden Offenbarungen ein schnelleres Laden erreichen, ohne dass der in der Konstantstromphase angewendete Strom erhöht werden muss, können kleinere FETs verwendet werden und eine Flächenreduktion von mehr als 50% kann erreicht werden.
Zusammenfassend ermöglichen die Verfahren und Systeme gemäß der vorliegenden Offenbarung ein echtes vollständiges Laden einer Batterie, während die Ladegeschwindigkeit maximiert wird, die Batterielebensdauer maximiert wird, Sicherheitsbedenken beseitigt werden und die Größe des Ladegeräts minimiert wird.
Verschiedene Verbesserungen und Modifikationen können an Obigem vorgenommen werden, ohne von dem Umfang der Offenbarung abzuweichen.
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

US 6137265 [0011]

Claims

Verfahren zum Laden einer Batterie mit einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung, wobei das Verfahren aufweist in einer ersten Phase Anwenden eines Konstantstroms auf die Batterie; in einer zweiten Phase Anwenden von Strompulsen auf die Batterie, wobei die Strompulse durch eine Strompause getrennt sind, während der der Strom bei oder nahe Null ist; Vorsehen einer festen Referenzspannung; iteratives Wiederholen eines Abtastens der ersten Spannung während eines Strompulses, um eine Messung der ersten Spannung zu erhalten; eines Abtastens der ersten Spannung während einer Strompause, um eine Messung der zweiten Spannung zu erhalten; eines Erzeugens einer dynamischen Referenzspannung basierend auf der festen Referenzspannung und auf einer Differenz zwischen der Messung der ersten Spannung und der Messung der zweiten Spannung; eines Vergleichens der Messung der ersten Spannung mit der dynamischen Referenzspannung; Beenden des Anwendens der Strompulse, wenn zumindest eine der Messung der ersten Spannung gleich der dynamischen Referenzspannung ist und der Messung der zweiten Spannung gleich der festen Referenzspannung ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren weiter ein iteratives Vergleichen der Messung der zweiten Spannung mit der festen Referenzspannung aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Batterie ein Batteriepack aufweist und wobei die erste Spannung eine Spannung des Batteriepacks ist.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dynamische Referenzspannung die Summe aus der festen Referenzspannung und einer dynamischen Fehlerspannung ist, wobei die dynamische Fehlerspannung als die Differenz zwischen der letzten Messung der ersten Spannung und der letzten Messung der zweiten Spannung bestimmt wird.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das iterative Abtasten der ersten Batteriespannung während einer Strompause eines aufweist aus Abtasten der ersten Batteriespannung während jeder Strompause; und Abtasten der ersten Batteriespannung während der ersten verfügbaren Strompause, nachdem ein vorgegebenes Zeitintervall verstrichen ist.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strompulse ein konstantes Profil haben.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das konstante Profil ein viereckiges Profil ist.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Amplitude der Strompulse gleich einer Amplitude des während der ersten Phase auf die Batterie angewendeten Konstantstroms ist.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dauer der Strompausen basierend auf einer Relaxationszeit der Batterie gewählt wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die Dauer der Strompulse basierend auf einer durchschnittlichen Zeit ausgewählt wird, die erforderlich ist, damit die dynamische Fehlerspannung um einen vorgegebenen Betrag variiert.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiter aufweist: Anwenden eines gepulsten Stroms auf die Batterie vor der ersten Phase, wenn identifiziert wird, dass die Batterie vollständig entladen ist.
Ladegerät zum Laden einer Batterie mit einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung, wobei das Ladegerät aufweist einen Stromgenerator, um Strom für die Batterie vorzusehen; einen Spannungssensor zum Abtasten der ersten Batteriespannung; und eine Steuervorrichtung, die konfiguriert ist zum Anwenden, in einer ersten Phase, eines Konstantstroms auf die Batterie über den Stromgenerator; Anwenden, in einer zweiten Phase, von Strompulsen auf die Batterie über den Stromgenerator, wobei die Strompulse durch eine Strompause getrennt sind, während der der Strom bei oder nahe Null ist; Vorsehen einer festen Referenzspannung; iterativen Wiederholen eines Abtastens der ersten Spannung über den Spannungssensor während eines Strompulses, um eine Messung der ersten Spannung zu erhalten; eines Abtastens der ersten Spannung über den Spannungssensor während einer Strompause, um eine Messung der zweiten Spannung zu erhalten; eines Erzeugens einer dynamischen Referenzspannung basierend auf der festen Referenzspannung und auf einer Differenz zwischen der Messung der ersten Spannung und der Messung der zweiten Spannung; eines Vergleichens der Messung der ersten Spannung mit der dynamischen Referenzspannung; Beenden des Anwendens der Strompulse, wenn zumindest eine der Messung der ersten Spannung gleich der dynamischen Referenzspannung ist und der Messung der zweiten Spannung gleich der festen Referenzspannung ist.
Das Ladegerät gemäß Anspruch 12, wobei die dynamische Referenzspannung die Summe aus der festen Referenzspannung und einer dynamischen Fehlerspannung ist, wobei die dynamische Fehlerspannung als die Differenz zwischen der letzten Messung der ersten Spannung und der letzten Messung der zweiten Spannung bestimmt wird.
Das Ladegerät gemäß Anspruch 13, wobei das Ladegerät eine Abtast- und Halte-Schaltung aufweist, die in einem eines ersten Zustands und eines zweiten Zustands betriebsfähig ist; und die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist, um die Abtast- und-Halte-Schaltung derart zu steuern, dass während einer Strompause die Abtast- und Halte-Schaltung in dem ersten Zustand ist; und während eines Strompulses die Abtast- und Halte-Schaltung in dem zweiten Zustand ist.
Das Ladegerät gemäß Anspruch 14, wobei die Abtast- und Halte-Schaltung eine analoge Schaltung ist.
Das Ladegerät gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei die Abtast- und Halte-Schaltung einen Komparator aufweist, der einen Ausgang hat, der mit der Steuervorrichtung gekoppelt ist; und die Abtast- und Halte-Schaltung derart konfiguriert ist, dass in dem ersten Zustand der Ausgang des Komparators ein Signal basierend auf einem Vergleich zwischen der Messung der ersten Spannung und der festen Referenzspannung ist; und in dem zweiten Zustand der Ausgang des Komparators ein Signal basierend auf einem Vergleich zwischen der Messung der zweiten Spannung und der dynamischen Referenzspannung ist.
Das Ladegerät gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Abtast- und Halte-Schaltung weiter aufweist einen ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator und einen ersten Puffer, wobei der Puffer zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator gekoppelt ist; und einen zweiten Puffer; wobei der erste Puffer, der erste Kondensator und der zweite Kondensator konfiguriert sind, um die dynamische Fehlerspannung abzutasten und zu halten; und der zweite Puffer und der zweite Kondensator konfiguriert sind, um an den Komparator eine Summe der abgetasteten dynamischen Fehlerspannung und der festen Referenzspannung vorzusehen.
Vorrichtung mit einem Ladegerät gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17.