DE102022200867A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden einer mehrzelligen Batterie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer mehrzelligen Batterie (20), wobei vor einem Beginn des Ladens eine Batteriespannung (U0) der Batterie (20) erfasst wird, wobei ausgehend von der erfassten Batteriespannung (U0) eine ladungsmengenabhängige Ladespannungskennlinie (10) bestimmt wird, und wobei eine Ladespannung (UL) anhand der bestimmten Ladespannungskennlinie (10) ladungsmengenabhängig gesteuert und/oder geregelt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zum Laden einer mehrzelligen Batterie (20).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer mehrzelligen Batterie.
• Li-lonenzellen können je nach Temperatur, Bestromungsdauer und Ladezustand (engl. state of charge, SOC) nur einen bestimmten Ladestrom aufnehmen, ohne Schaden zu nehmen. Ein hierdurch definierter Grenzstrom ändert sich zudem mit einem Alterungszustand (engl. state of health, SOH) einer Li-lonenzelle. Weiterhin ergibt sich die Schwierigkeit, dass in einem Batteriesystem in der Regel mehrere Batteriezellen in Serie oder parallel geschaltet sein können, welche unterschiedliche Temperaturen, Ladezustände und/oder Alterungszustände aufweisen können. Es ist daher in der Regel notwendig, zu jedem Zeitpunkt einen Lade- und Alterungszustand aller Batteriezellen im System sowie die kälteste und wärmste Stelle der Batterie zu kennen. Das schließt auch mit ein, dass Temperaturgradienten innerhalb einer Batteriezelle bekannt sein müssen, um tatsächlich den kältesten und wärmsten Punkt im gesamten Batteriesystem zu kennen. Diese beiden Punkte bestimmen zusammen mit dem Lade- und Alterungszustand einer jeden Batteriezelle den zu jedem Zeitpunkt maximal möglichen Ladestrom. Da eine ausrelaxierte Batteriezelle kurzfristig einen höheren Strom als den maximal möglichen Dauerstrom aufnehmen kann, muss zudem die zeitliche Reaktion der Batteriezelle auf den Ladestrom bekannt sein.
• Es ist bekannt, dass sich mit Hilfe von 3-Elektrodenzellen der maximal mögliche Ladestrom für Li-lonenzellen bestimmen lässt, indem auf das Potential der Anode unter Last geregelt wird. Dies ist nur in einer 3-Elektrodenzelle mit einer Referenzelektrode möglich. Eine Reduktion der Ladestromkennfelder proportional zu Abnahme der Kapazität bzw. zum Anstieg des Innenwiderstands der Zelle im Verlauf der Alterung erfolgt dann im System (vgl. z.B. Sieg et al., Journal of Power Sources 427 (2019) 260-270, doi:
  https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.04.047 und DE 10 2016 007 479 A1 ).
• Weiterhin ist bekannt, dass mittels der 3-Elektrodenzellen der maximale Pulsstrom für jeden Ladezustand für eine ausrelaxierte Batteriezelle bestimmt werden kann. Dies ist beispielsweise aus der DE 10 2019 003 465 A1 bekannt, in der ein Verfahren zum Laden einer Batterie beschrieben ist. Bei diesem Verfahren werden eine Vielzahl von Startladezuständen und eine Vielzahl von Umgebungstemperaturen vorgegeben. Für jede Kombination aus einem der Startladezustände und einer der Umgebungstemperaturen wird eine zugehörige Referenzladestromkurve zum Laden der Batterie aufgenommen und in einem Referenzladestromkennfeld gespeichert.
• Zudem ist bekannt, dass Ladestromkennfelder in Abhängigkeit von Temperatur, Ladezustand und Pulsdauer durch wiederholte Anwendung auf die Batterie auf ihre Schädlichkeit geprüft und später dem System entsprechend vorgegeben werden. Es ist üblich, nicht auf die Alterung der Batteriezellen im System zu reagieren, sondern von vorneherein eine Sicherheitsmarge für die Ladeströme einzuplanen.
• Im allgemeinen besteht das Problem, das in der Ausgangssituation vor dem Laden in der Regel ein Ladezustand (engl. state of charge, SOC), ein Alterungszustand (engl. state of health, SOH) und eine Temperatur der Batteriezellen in einer Batterie nicht bekannt sind oder nicht genau bestimmbar sind und/oder durch zusätzliche Maßnahmen bestimmt werden müssen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer mehrzelligen Batterie zu verbessern.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Insbesondere wird ein Verfahren zum Laden einer mehrzelligen Batterie zur Verfügung gestellt, wobei vor einem Beginn des Ladens eine Batteriespannung der Batterie erfasst wird, wobei ausgehend von der erfassten Batteriespannung eine ladungsmengenabhängige Ladespannungskennlinie bestimmt wird, und wobei eine Ladespannung anhand der bestimmten Ladespannungskennlinie ladungsmengenabhängig gesteuert und/oder geregelt wird.
• Ferner wird insbesondere eine Vorrichtung zum Laden einer mehrzelligen Batterie geschaffen, umfassend eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine vor einem Beginn des Ladens erfasste Batteriespannung der Batterie zu empfangen, ausgehend von der erfassten Batteriespannung eine ladungsmengenabhängige Ladespannungskennlinie zu bestimmen, und eine Ladespannung anhand der bestimmten Ladespannungskennlinie ladungsmengenabhängig zu steuern und/oder zu regeln.
• Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen es, ein gesteuertes und/oder geregeltes Laden der Batterie ausgehend von einer vor dem Laden erfassten Batteriespannung durchzuführen. Dies wird erreicht, indem ausgehend von der vor dem Laden erfassten Batteriespannung eine ladungsmengenabhängige Ladespannungskennlinie bestimmt wird. Ausgehend von der bestimmten Ladespannungskennlinie wird die Ladespannung gesteuert und/oder geregelt. Insbesondere gibt ein ausgehend von einer Ladungsmenge mittels der Ladespannungskennlinie bestimmter Wert der Ladespannungskennlinie die Ladespannung vor. Die Ladungsmenge ist hierbei insbesondere eine Ladungsmenge, die zum Laden der Batterie umgeladen wird, das heißt, vor dem Laden ist ein Wert dieser Ladungsmenge insbesondere gleich Null, am Ende des Ladens ist eine Zielladungsmenge erreicht. Die Steuereinrichtung erhält hierzu insbesondere als Eingangswerte eine bereits umgeladene Ladungsmenge, bestimmt ausgehend hiervon einen Wert der Ladespannungskennlinie und verwendet diesen als aktuellen Sollwert für die Ladespannung. Dies wird während des Ladens wiederholt, sodass der Sollwert für die Ladespannung fortlaufend bestimmt wird. Das Laden endet insbesondere, wenn eine vorgegebene Ladungsmenge bzw. ein Endwert der Ladespannungskennlinie erreicht ist.
• Ein Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung ist, dass nur eine einmalige Messung der Batteriespannung erfolgen muss. Andere Maßnahmen, wie das Bestimmen einer Batteriezellenspannung, einer Batteriezellentemperatur sowie der jeweiligen Ladezustände etc., sind nicht notwendig.
• Die Vorrichtung kann beispielsweise in einem Batteriesystem verwendet werden, um eine Batterie des Batteriesystems zu laden. Insbesondere kann die Vorrichtung in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, angeordnet sein und dort verwendet werden. Das Fahrzeug kann grundsätzlich jedoch auch ein anderes Land-, Schienen-, Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeug sein, beispielsweise eine Drohne oder ein Lufttaxi.
• Eine Batteriezelle ist insbesondere eine Li-Ionenbatteriezelle. Eine Batterie umfasst dann insbesondere mehrere solcher Li-Ionenbatteriezellen.
• Teile der Vorrichtung, insbesondere die Steuereinrichtung, können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) und/oder feldprogrammierbares Gatterfeld (FPGA) ausgebildet sind.
• In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Bestimmen der Ladespannungskennlinie die erfasste Batteriespannung als Parameter in eine hinterlegte mit der Batteriespannung parametrierbare Ladespannungskennlinie eingesetzt wird. Hierdurch kann ein Aufwand beim Bestimmen der Ladespannungskennlinie minimiert werden, da nicht die vollständige Ladespannungskennlinie bestimmt werden muss, sondern lediglich eine bereits bestimmte und hinterlegte parametrierbare Ladespannungskennlinie parametriert werden muss. Die parametrierbare Ladespannungskennlinie ist beispielsweise in einem Speicher der Steuereinrichtung hinterlegt und kann bei Bedarf aus diesem abgerufen werden. Durch Einsetzen der erfassten Batteriespannung ist die Ladespannungskennlinie dann insbesondere vollständig parametriert, sodass ein Zusammenhang zwischen der Ladungsmenge und der Ladespannung für jede Ladungsmenge bekannt ist bzw. mittels der derart parametrierten Ladespannungskennlinie bestimmt werden kann. Die Ladespannungskennlinie und die parametrierbare Ladespannungskennlinie unterscheiden sich insbesondere nur durch den Parameter „Batteriespannung“ und sind ansonsten identisch (d.h. bei der Ladespannungskennlinie ist die Batteriespannung bereits eingesetzt).
• In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ladespannungskennlinie und/oder die parametrierbare Ladespannungskennlinie unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Leerlaufspannungskurve der Batteriezellen und einer vorgegebenen Grenzspannungskurve der Batteriezellen und einer Verschaltung der Batteriezellen bestimmt wird oder bestimmt wurde. Hierdurch wird erreicht, dass die Ladespannungskennlinie beim Laden der Batterie zu keinem Zeitpunkt während des Ladens einen Wert annimmt, der dazu führt, dass eine Grenzspannung der Batteriezellen überschritten wird. Die Grenzspannung ist insbesondere diejenige Spannung, ab der eine Schädigung der Batteriezelle, insbesondere aufgrund eines Lithium-Platings, auftritt. Andererseits soll die mittels der Ladespannungskennlinie bestimmte Ladespannung derart gewählt sein, dass diese größer ist als eine jeweilige Leerlaufspannung der Batteriezellen. Um aus einer Betrachtung der einzelnen Batteriezellen zur Batteriespannung zu gelangen, wird ferner die Verschaltung (seriell und/oder parallel) der einzelnen Batteriezellen betrachtet. Die Grenzspannungskurve und die Leerlaufspannungskurve werden beispielsweise anhand von empirischen Versuchsreihen und/oder durch Simulation mit an sich bekannten Verfahren bestimmt und können dann entsprechend für die Batteriezellen vorgegeben werden.
• In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Bestimmen der Ladespannungskennlinie und/oder der parametrierbaren Ladespannungskennlinie:
• - für einen vorgegebenen Endladezustand eine Differenz zwischen der vorgegebenen Grenzspannungskurve und der vorgegebenen Leerlaufspannungskurve bestimmt wird oder bestimmt wurde,
• - ausgehend von einer an einem vorgegebenen Startladezustand mittels der bestimmten Differenz und der Leerlaufspannungskurve bestimmten Startspannung ein Kennlinienverlauf zwischen dem vorgegebenen Startladezustand und dem vorgegebenen Endladezustand bestimmt wird oder bestimmt wurde, und
• - die Ladespannungskennlinie und/oder die parametrierbare Ladespannungskennlinie ausgehend von der bestimmten Differenz, dem bestimmten Kennlinienverlauf und der Verschaltung der Batteriezellen innerhalb der Batterie bestimmt wird oder bestimmt wurde. Hierdurch wird insbesondere erreicht, dass die Spannungen an den Batteriezellen während des Ladens zwischen dem vorgegebenen Startladezustand und dem vorgegebenen Endladezustand der Batteriezellen zu keinem Zeitpunkt die Grenzspannung überschreiten. Der vorgegebene Startladezustand und der vorgegebene Endladezustand sind insbesondere Werte, die allgemein für alle Batteriezellen vorgegeben sind. Ein vorgegebener Startladezustand kann beispielsweise 5 % oder 20 % einer maximalen Ladungsmenge in der Batteriezelle betragen. Der vorgegebene Endladezustand kann beispielsweise 80 % der maximalen Ladungsmenge der Batteriezelle betragen. Der vorgegebene Startladezustand und der vorgegebene Endladezustand sind hierbei zum Bestimmen der Ladespannungskennlinie und/oder der parametrierbaren Ladespannungskennlinie verwendete Werte, welche nicht mit den realen IstWerten der einzelnen Batteriezellen übereinstimmen müssen.
• In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Verlauf der Ladespannungskennlinie und/oder der parametrierbaren Ladespannungskennlinie linear ist und/oder dass der Kennlinienverlauf als linearer Verlauf bestimmt wird oder bestimmt wurde. Hierdurch kann eine besonders einfach zu bestimmende Ladespannungskennlinie bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Ladespannungskennlinie hierbei einen Verlauf haben, der im Wesentlichen die folgende Form hat: $$\begin{array}{c}\text{Ladespannung}=\text{f}\left(\text{Ladungsmenge}\right)=\text{erfasste Batteriespannung}+\text{bestimmte Differenz}\\ +\text{Spannungssteigung}\times \text{Ladungsmenge}\end{array}$$

  
• Die Spannungssteigung kann dann insbesondere bestimmt werden, indem die bestimmte Differenz auf die jeweilige Leerlaufspannung beim Startladezustand (z.B. 5 % oder 20 %) und beim Endladezustand (z.B. 80 %) addiert wird und zwischen den hieraus resultierenden Werten die Steigung mit Bezug auf die Ladungsmenge zwischen dem Startladezustand und dem Endladezustand bestimmt wird.
• Grundsätzlich kann ein Verlauf der Ladespannungskennlinie und/oder der parametrierten Ladespannungskennlinie auch anders ausgebildet sein, beispielsweise als quadratische Funktion, als Polynomfunktion, als Potenzfunktion, als Exponentialfunktion, als Logarithmusfunktion etc.
• In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass beim Bestimmen der Ladespannungskennlinie und/oder der parametrierbaren Ladespannungskennlinie ein Abschlag für einen Temperaturunterschied von seriell verschalteten Batteriezellen und/oder ein Abschlag für einen Temperaturunterschied von parallel verschalteten Batteriezellen und/oder ein Abschlag für einen Ladezustandsunterschied von seriell verschalteten Batteriezellen berücksichtigt wird oder berücksichtigt wurde. Hierdurch kann eine Sicherheitsmarge für einen Temperaturunterschied und/oder einen Ladezustandsunterschied berücksichtigt werden. Die Abschläge werden insbesondere in Form von Vorfaktoren berücksichtigt.
• Weitere Merkmale zur Ausgestaltung der Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile der Vorrichtung sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.
• Ferner wird insbesondere auch ein Batteriesystem geschaffen, umfassend mindestens eine Vorrichtung nach einer der beschriebenen Ausführungsformen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Laden einer mehrzelligen Batterie;
• 2 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Batterie sowie einer Verschaltung der Batterie mit einer mittels der Vorrichtung realisierten Laderegelung;
• 3 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung des Bestimmens der Ladespannungskennlinie;
• 4a-4c schematische Darstellungen von elektrischen Größen im Zeitverlauf beim Laden einer Batterie in einer Simulation zur Verdeutlichung der Erfindung.
• Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Laden einer mehrzelligen Batterie 20. Die Vorrichtung 1 kann insbesondere Teil eines Batteriesystems sein. Die Vorrichtung 1 führt das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren aus.
• Die Vorrichtung 1 umfasst eine Steuereinrichtung 2. Die Steuereinrichtung 2 weist beispielsweise eine Recheneinrichtung 3 und einen Speicher 4 auf.
• Die Steuereinrichtung 2 ist dazu eingerichtet, eine vor einem Beginn des Ladens erfasste Batteriespannung U₀ der Batterie 20 zu empfangen. Hierzu wird die Batteriespannung U₀ beispielsweise mittels einer hierfür geeigneten Sensorik 22, an der Batterie 20 erfasst und als Signal an die Steuereinrichtung 2 übermittelt.
• Ausgehend von der erfassten Batteriespannung U₀ bestimmt die Steuereinrichtung 2 eine ladungsmengenabhängige Ladespannungskennlinie 10. Hierzu wird beispielsweise entsprechender Programmcode auf der Recheneinrichtung 3 ausgeführt. Die Steuereinrichtung 2 steuert oder regelt ladungsmengenabhängig eine Ladespannung U_L anhand der bestimmten Ladespannungskennlinie 10. Ein Wert der Ladespannung U_L wird beispielsweise einem Umrichter 15 zugeführt, der die Ladespannung U_L zum Laden erzeugt (hier nur schematisch dargestellt). Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass eine umgeladene Lademenge Q, beispielsweise durch Integrieren eines erfassten Ladestroms I_L, erfasst und/oder bestimmt wird. Zum Erfassen des Ladestroms I_L kann beispielsweise ein entsprechend hierfür eingerichteter Stromsensor (nicht gezeigt) im oder am Umrichter 15 verwendet werden.
• Es kann vorgesehen sein, dass zum Bestimmen der Ladespannungskennlinie 10 die erfasste Batteriespannung U₀ als Parameter in eine hinterlegte mit der Batteriespannung U₀ parametrierbare Ladespannungskennlinie 11 eingesetzt wird. Die Recheneinrichtung 3 ruft hierzu die parametrierbare Ladespannungskennlinie 11 aus dem Speicher 4 ab und setzt die erfasste bzw. empfangene Batteriespannung U₀ in die parametrierbare Ladespannungskennlinie 11 ein und erhält hierdurch die Ladespannungskennlinie 10. Es kann vorgesehen sein, dass die Ladespannungskennlinie 10 und/oder die parametrierbare Ladespannungskennlinie 11 unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Leerlaufspannungskurve OC7 der Batteriezellen 23-x der Batterie 20 und einer vorgegebenen Grenzspannungskurve U_max der Batteriezellen 23-x und einer Verschaltung der Batteriezellen in der Batterie 20 bestimmt wird oder bestimmt wurde. Dies ist schematisch und beispielhaft anhand der 2 und 3 erläutert.
• Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Batterie 20 sowie einer Verschaltung der Batterie 20 und einer mittels der Vorrichtung 1 realisierten Laderegelung 30. Die Batterie 20 umfasst sechs Batteriezellen 23-x, welche paarweise parallel geschaltet sind, wobei die jeweils parallel geschalteten Batteriezellen 23-x in Serie geschaltet sind. Ladezustände und Temperaturen der einzelnen Batteriezellen 23-x können sich voneinander unterscheiden.
• Die 3 zeigt eine schematische Darstellung, bei der die Spannung U auf der Ordinate (y-Achse) und der Ladezustand SOC auf der Abszisse (x-Achse) dargestellt sind. Es wird hierbei eine einzelne Batteriezelle betrachtet. Dargestellt sind eine Leerlaufspannungskurve OC7 und eine Grenzspannungskurve U_max. Die Ladespannungskennlinie 10 und/oder die parametrierbare Ladespannungskennlinie 11 (1) werden dann insbesondere derart bestimmt, dass ein Verlauf einer Spannung an einer einzelnen Batteriezelle während des Ladens zu keinem Zeitpunkt die Grenzspannungskurve U_max überschreitet. Hierbei können grundsätzlich verschiedene geeignete Kurvenformen verwendet werden, wie voranstehend bereits beschrieben.
• Weiterbildend kann insbesondere vorgesehen sein, dass zum Bestimmen der Ladespannungskennlinie 10 (1) und/oder der parametrierbaren Ladespannungskennlinie 11 (1) für einen vorgegebenen Endladezustand SOC2 eine Differenz ΔU zwischen der vorgegebenen Grenzspannungskurve U_max und der vorgegebenen Leerlaufspannungskurve OC7 bestimmt wird oder bestimmt wurde: $$\mathrm{\Delta }U=U_{max}\left(SOC2\right)-OCV\left(SOC2\right)$$

  
• SOC2 ist beispielsweise bei einem Ladezustand von 80 % einer Gesamtladungsmenge der Batteriezelle gewählt. Ferner wird ausgehend von einer an einem vorgegebenen Startladezustand SOC1 mittels der bestimmten Differenz ΔU und der Leerlaufspannungskurve OC7 bestimmten Startspannung U1: $$U1=OCV\left(SOC1\right)+\Delta U$$

  

  ein Kennlinienverlauf zwischen dem vorgegebenen Startladezustand SOC1 und dem vorgegebenen Endladezustand SOC2 bestimmt. Der Startladezustand SOC1 wird beispielsweise bei 5 % oder 20 % der Gesamtladungsmenge der Batteriezelle gewählt. Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass der Kennlinienverlauf als linearer Verlauf bestimmt wird oder bestimmt wurde. Hierzu wird insbesondere eine Steigung einer Geraden X bestimmt: $$m=\frac{U_{max}\left(SOC2\right)-U1}{SOC2-SOC1}$$

  
• Die Ladespannungskennlinie 10 und/oder die parametrierbare Ladespannungskennlinie 11 wird ausgehend von der bestimmten Differenz ΔU, dem bestimmten Kennlinienverlauf und der Verschaltung der Batteriezellen innerhalb der Batterie bestimmt.
• Aufbauend auf das voranstehend beschriebene Beispiel, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Ladespannungskennlinie 10 die folgende Form erhält: $$U_L\left(Q\right)=f\left(Q\right)=U_0+\Delta U\cdot s+\frac{s}{p}\cdot m\cdot Q$$

  

  wobei s eine Anzahl der seriell verschalteten Batteriezellen ist (in dem in der 2 gezeigten Beispiel wäre s = 3) und p eine Anzahl der parallel verschalteten Batteriezellen (in dem in der 2 gezeigten Beispiel wäre p = 2).
• Für die umgeladene Ladungsmenge Q gilt hierbei insbesondere mit einer Zeit t: $$Q={\displaystyle \int I_{L}dt}$$

  
• Wenn der Term $\Delta U\cdot s+\frac{s}{p}\cdot m$

  

  m bereits bestimmt wurde, kann die parametrierbare Ladespannungskennlinie 11 bereitgestellt werden. Die parametrierbare Ladespannungskennlinie 11 kann dann zum Abruf in dem Speicher 4 der Steuereinrichtung 2 hinterlegt sein und kann bei Bedarf aus diesem abgerufen und mit der erfassten Batteriespannung U₀ parametriert werden, sodass die Ladespannungskennlinie 10 hieraus erzeugt werden kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Ladespannungskennlinie 10 erst vor dem Laden bestimmt wird.
• Es ist hierbei zu beachten, dass die Ladespannungskennlinie 10 bzw. die parametrierbare Ladespannungskennlinie 11 nur im Intervall von 0 bis (SOC2 -SOC1) definiert ist bzw. definiert wird. Insbesondere wird ein Ladevorgang abgebrochen, wenn eine umgeladene Lademenge Q den Wert SOC2 - SOC1 erreicht hat.
• Grundsätzlich können die Ladespannungskennlinie 10 und/oder die parametrierbare Ladespannungskennlinie 11 und/oder der Kennlinienverlauf auch nicht-linear sein, beispielsweise als quadratische Funktion, als Polynomfunktion, als Potenzfunktion, als Exponentialfunktion oder als Logarithmusfunktion ausgestaltet sein oder eine solche Funktion umfassen.
• Es kann vorgesehen sein, dass beim Bestimmen der Ladespannungskennlinie 10 und/oder der parametrierbaren Ladespannungskennlinie 11 ein Abschlag A_T,s für einen Temperaturunterschied von seriell verschalteten Batteriezellen und/oder ein Abschlag A_T,p für einen Temperaturunterschied von parallel verschalteten Batteriezellen und/oder ein Abschlag A_SOC,s für einen Ladezustandsunterschied von seriell verschalteten Batteriezellen berücksichtigt wird oder berücksichtigt wurde.
• Die voranstehend aufgeführte Ladespannungskennlinie 10 erhält dann insbesondere die folgende Form: $$U_L\left(Q\right)=f\left(Q\right)=U_0+\Delta U\cdot \left(1-A_{T,s}\right)\cdot s+\frac{s}{p}\cdot \left(\left(1-A_{T,p}\right)\cdot \left(1-A_{SOC,s}\right)\right)\cdot m\cdot Q$$

  
• Die Ladespannungskennlinie 10 sorgt dafür, dass die Batterie 20 (1 und 2) allein unter Steuern und/oder Regeln der Ladespannung U_L geladen werden kann, ohne dass eine der Batteriezellen 23-x (2) in der Batterie 20 während des Ladens die Grenzspannung U_max erreicht. Dies erfolgt allein in Abhängigkeit von einer bereits umgeladenen Ladungsmenge Q. Durch das Verfahren und die Vorrichtung 1 kann das Laden der Batterie 20 stark vereinfacht werden, da ein Ladezustand, ein Alterungszustand und/oder eine Temperatur der einzelnen Batteriezellen nicht mehr bekannt sein muss. Hierdurch können insbesondere Kosten und Aufwand eingespart werden.
• Die 4a bis 4d zeigen beispielhaft schematische Darstellungen von elektrischen Größen im Zeitverlauf beim Laden einer Batterie 20 mit sechs Batteriezellen 23-x in der in der 2 gezeigten Verschaltung in einem Beispielzustand. Der Zustand umfasst beispielsweise die folgenden Werte:

  Batteriezelle 23-1:	SOC = 5 %, T = 25°C
  Batteriezelle 23-2:	SOC = 5 %, T = 35°C
  Batteriezelle 23-3:	SOC = 10 %, T = 35°C
  Batteriezelle 23-4:	SOC = 10 %, T = 40°C
  Batteriezelle 23-5:	SOC = 15 %, T = 25°C
  Batteriezelle 23-6:	SOC = 15 %, T = 40°C

• Ausgehend von dieser Ausgangssituation wurde eine Simulation mit Hilfe von Batteriezellmodellen durchgeführt, wobei das Laden mittels des in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahrens im Wege einer ladungsmengenabhängigen Regelung der Ladespannung durchgeführt wurde. Als Ladespannungskennlinie 10 wurde hierbei die voranstehende Ladespannungskennlinie 10 verwendet, mit den folgenden Werten: $$\Delta U=U_{max}\left(80\%\right)-OCV\left(80\%\right)=\mathrm{4,095}V-\mathrm{3,995}V=\mathrm{0,1}V$$

  

  $$U1=OCV\left(5\%\right)+\mathrm{\Delta }U=\mathrm{3,372}V+\mathrm{0,1}V=\mathrm{3,472}V$$

  

  $$SOC2-SOC1=168750As$$

  

  $$m=\frac{U_{max}\left(80\%\right)-U1}{SOC2-SOC1}=\frac{\mathrm{4,095}V-\mathrm{3,472}V}{168750As}=\frac{\mathrm{0,623}V}{168750As}=\mathrm{3,692}\frac{\mathrm{\mu }V}{As}$$

  

  $$A_{T,s}=\mathrm{0,1}$$

  

  $$A_{T,p}=\mathrm{0,1}$$

  

  $$A_{SOC,s}=\mathrm{0,1}$$

  
• Die Batteriespannung vor dem Laden wird in der Simulation gesetzt als: $$U_0=\mathrm{10,284}V$$

  
• Die Ladungsmenge zwischen 5 % (= SOC1) und 80 % (= SOC2) der maximalen Ladungsmenge ist eine Eigenschaft der Batteriezellen bzw. der Batterie.
• Die 4a zeigt einen Verlauf der geregelten Ladespannung U_L (in Volt) in Abhängigkeit eines Zeitverlaufs über der Zeit t (in Sekunden). Man erkennt deutlich, dass am Anfang (bei etwa t = 0 Sekunden) von einer darunter liegenden Batteriespannung U₀ auf eine mittels der Ladespannungskennlinie bestimmte Sollgröße geregelt wird. Anschließend wird die Spannung über die Zeit stetig erhöht, da die umgeladene Ladungsmenge zunimmt.
• Die 4b zeigt einen Verlauf der Ladezustände SOC (in %) der einzelnen Batteriezellen 23-x in Abhängigkeit eines Zeitverlaufs über der Zeit t (in Sekunden). Da die Batteriezellen 23-x zu Beginn des Ladens (t = 0) unterschiedliche Ladezustände SOC und Temperaturen aufweisen, ist auch ein Verlauf der Ladezustände SOC über der Zeit t unterschiedlich. Erreicht eine der Batteriezellen 23-x einen Ladezustand SOC von 80 % (im gezeigten Beispiel die Batteriezelle 23-6), wird das Laden abgebrochen. Dies hängt insbesondere damit zusammen, dass die zum Regeln der Ladespannung verwendete Ladespannungskennlinie mit Bezug auf einen Endladezustand von 80% bestimmt wurde.
• Die 4c zeigt einen zeigt einen Verlauf eines jeweiligen Ladestroms I (in A) der einzelnen Batteriezellen 23-x und einen halbierten Ladestrom der Batterie 20 in Abhängigkeit eines Zeitverlaufs über der Zeit t (in Sekunden). Der Ladestrom der Batterie 20 ist halbiert, da im simulierten Beispiel stets zwei Batteriezellen 23-x parallel geschaltet sind (vgl. 2), sodass sich der Strom in etwa gleich auf die jeweils parallel geschalteten Batteriezellen 23-x aufteilt.
• Die 4d zeigt einen Verlauf der Zellspannungen U (in V) der einzelnen Batteriezellen 23-x in Abhängigkeit eines Ladezustands (in % einer Gesamtladungsmenge bzw. Gesamtkapazität der Batteriezellen 23-x). Ferner dargestellt sind die Grenzspannungskurve U_max und die Leerlaufspannungskurve OC7. Deutlich zu erkennen sind die im Beispiel angenommenen unterschiedlichen Startpunkte (SOC bei 5 %, 10 % und 15 %), von denen die Kurven der einzelnen Batteriezellen 23-x beim Zeitpunkt t = 0 ausgehen. Es ist ferner deutlich zu erkennen, dass keine der Kurven die Grenzspannungskurve U_max überschreitet. Der Ladevorgang wird beendet, sobald eine der Batteriezellen 23-x einen Ladezustand von 80 % erreicht.
• Ein verbleibender Abstand zwischen den Kurven und der Grenzspannungskurve U_max am Ende des Ladevorgangs (je nach Kurve bei einem SOC zwischen etwa 72 bis 80 %) ergibt sich insbesondere durch die Vorgabe bzw. Wahl der Werte für die Abschläge A_T,s, A_T,p, A_SOC,s. Werden die Werte für die Abschläge kleiner gewählt, können die Kurven näher an die Grenzspannungskurve U_max herangeführt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Steuereinrichtung

3

Recheneinrichtung

4

Speicher

10

Ladespannungskennlinie

11

parametrierbare Ladespannungskennlinie

15

Umrichter

20

Batterie

22

Sensorik

23-x

Batteriezelle

30

Laderegelung

AT,s

Abschlag (Temperaturunterschied, seriell)

AT,p

Abschlag (Temperaturunterschied, parallel)

ASOC,s

Abschlag (Ladezustandsunterschied, seriell)

Q

Lademenge

I

Strom

IL

Ladestrom

m

Steigung der Stromspannungskennlinie

OC7

Leerlaufspannungskurve

SOC

Ladezustand

SOC1

Startladezustand

SOC2

Endladezustand

U

Spannung

U0

erfasste Batteriespannung

UL

Ladespannung

U1

Startspannung

Umax

Grenzspannungskurve

ΔU

Differenz

X

Gerade

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102016007479 A1 [0003]
• DE 102019003465 A1 [0004]

Claims (10)

1. Verfahren zum Laden einer mehrzelligen Batterie (20), wobei vor einem Beginn des Ladens eine Batteriespannung (U₀) der Batterie (20) erfasst wird, wobei ausgehend von der erfassten Batteriespannung (U₀) eine ladungsmengenabhängige Ladespannungskennlinie (10) bestimmt wird, und wobei eine Ladespannung (UL) anhand der bestimmten Ladespannungskennlinie (10) ladungsmengenabhängig gesteuert und/oder geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Ladespannungskennlinie (10) die erfasste Batteriespannung (U₀) als Parameter in eine hinterlegte mit der Batteriespannung (U₀) parametrierbare Ladespannungskennlinie (11) eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladespannungskennlinie (10) und/oder die parametrierbare Ladespannungskennlinie (11) unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Leerlaufspannungskurve (OC7) der Batteriezellen (23-x) und einer vorgegebenen Grenzspannungskurve (U_max) der Batteriezellen (23-x) und einer Verschaltung der Batteriezellen (23-x) bestimmt wird oder bestimmt wurde.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Ladespannungskennlinie (10) und/oder der parametrierbaren Ladespannungskennlinie (11): - für einen vorgegebenen Endladezustand (SOC2) eine Differenz (ΔU) zwischen der vorgegebenen Grenzspannungskurve (U_max) und der vorgegebenen Leerlaufspannungskurve (OC7) bestimmt wird oder bestimmt wurde, - ausgehend von einer an einem vorgegebenen Startladezustand (SOC1) mittels der bestimmten Differenz (ΔU) und der Leerlaufspannungskurve (OC7) bestimmten Startspannung (U1) ein Kennlinienverlauf zwischen dem vorgegebenen Startladezustand (SOC1) und dem vorgegebenen Endladezustand (SOC2) bestimmt wird oder bestimmt wurde, und - die Ladespannungskennlinie (10) und/oder die parametrierbare Ladespannungskennlinie (11) ausgehend von der bestimmten Differenz (ΔU), dem bestimmten Kennlinienverlauf und der Verschaltung der Batteriezellen (23-x) innerhalb der Batterie (20) bestimmt wird oder bestimmt wurde.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf der Ladespannungskennlinie (10) und/oder der parametrierbaren Ladespannungskennlinie (11) linear ist und/oder dass der Kennlinienverlauf als linearer Verlauf bestimmt wird oder bestimmt wurde.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestimmen der Ladespannungskennlinie (10) und/oder der parametrierbaren Ladespannungskennlinie (11) ein Abschlag (A_T,s) für einen Temperaturunterschied von seriell verschalteten Batteriezellen (23-x) und/oder ein Abschlag (A_T,p) für einen Temperaturunterschied von parallel verschalteten Batteriezellen (23-x) und/oder ein Abschlag (A_SOC,s) für einen Ladezustandsunterschied von seriell verschalteten Batteriezellen (23-x) berücksichtigt wird oder berücksichtigt wurde.
7. Vorrichtung (1) zum Laden einer mehrzelligen Batterie (20), umfassend: eine Steuereinrichtung (2), wobei die Steuereinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, eine vor einem Beginn des Ladens erfasste Batteriespannung (U₀) der Batterie (20) zu empfangen, ausgehend von der erfassten Batteriespannung (U₀) eine ladungsmengenabhängige Ladespannungskennlinie (10) zu bestimmen, und eine Ladespannung (U_L) anhand der bestimmten Ladespannungskennlinie (10) ladungsmengenabhängig zu steuern und/oder zu regeln.
8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) ferner dazu eingerichtet ist, zum Bestimmen der Ladespannungskennlinie (10) die erfasste Batteriespannung (U₀) als Parameter in eine hinterlegte mit der Batteriespannung (U₀) parametrierbare Ladespannungskennlinie (11) einzusetzen.
9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) ferner dazu eingerichtet ist, das Bestimmen der Ladespannungskennlinie (10) und/oder der parametrierbaren Ladespannungskennlinie (11) unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Leerlaufspannungskurve (OC7) der Batteriezellen (23-x) und einer vorgegebenen Grenzspannungskurve (U_max) der Batteriezellen (23-x) und einer Verschaltung der Batteriezellen (23-x) durchzuführen.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) ferner dazu eingerichtet ist, zum Bestimmen der Ladespannungskennlinie (10) und/oder der parametrierbaren Ladespannungskennlinie (11): - für einen vorgegebenen Endladezustand (SOC2) eine Differenz (ΔU) zwischen der vorgegebenen Grenzspannungskurve (U_max) und der vorgegebenen Leerlaufspannungskurve (OC7) zu bestimmen, - ausgehend von einer an einem vorgegebenen Startladezustand (SOC1) mittels der bestimmten Differenz (ΔU) und der Leerlaufspannungskurve (OC7) bestimmten Startspannung (U1) ein Kennlinienverlauf zwischen dem vorgegebenen Startladezustand (SOC1) und dem vorgegebenen Endladezustand (SOC2) zu bestimmen, und - die Ladespannungskennlinie (10) und/oder die parametrierbare Ladespannungskennlinie (11) ausgehend von der bestimmten Differenz (ΔU), dem bestimmten Kennlinienverlauf und der Verschaltung der Batteriezellen (23-x) innerhalb der Batterie (20) zu bestimmen.

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