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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entladen einer Batterieeinheit sowie eine Vorrichtung, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Hintergrund der Erfindung
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Akkumulatoren bzw. Batterien in (Kraft- bzw. Elektro-) Fahrzeugen oder in der elektrischen Antriebstechnik können nach ihrem Einsatz am Ende ihrer Lebensdauer einem Recyclingprozess zugeführt werden. Ferner können auch Batterien, die am Ende ihres Fertigungsprozesses als nicht in Ordnung gekennzeichnet wurden und für ihren vorgesehenen Einsatzzweck nicht freigegeben werden können, einem Recyclingprozess zugeführt werden. Vor dem Recyceln derartiger Batterien ist es sinnvoll, diese zunächst möglichst vollständig zu entladen, um die Restenergie der Batterien noch nutzen zu können, und auch um Gefahrenquellen für das Recycling auszuschalten.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Entladen einer Batterieeinheit sowie eine Vorrichtung, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der vorliegenden Beschreibung in entsprechende Weise.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt ein Entladen der Batterieeinheit, insbesondere mit einem vorgegebenem bzw. vorgebbaren oder regelbaren Entladestrom, bis ein vorgegebenes Ereignis eintritt, welches einen Verlust der elektrochemischen Eigenschaft bzw. des Vermögens der Batterieeinheit charakterisiert, Ladung bzw. Ladungsträger in der Batterieeinheit zu speichern. Das vorgegebene Ereignis charakterisiert somit insbesondere den Verlust des Speicherverhaltens bzw. des Speichervermögens der Batterieeinheit und charakterisiert besonders zweckmäßig eine Zerstörung der Batterieeinheit.
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Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, die Batterieeinheit nicht nur so lange zu entladen, bis diese vollständig (tief-) entladen ist, sondern die Batterieeinheit danach noch weiter zu entladen, bis diese vollständig zerstört bzw. elektrochemisch inaktiviert wird, so dass die Batterieeinheit danach keine Ladung mehr speichern kann und ein Laden und Entladen der Batterieeinheit nicht mehr möglich ist. Der Batterieeinheit wird insbesondere so lange Energie entzogen, bis deren Speicherverhalten nicht mehr feststellbar ist. Dabei wird die innere Struktur der Batterieeinheit besonders zweckmäßig derart verändert, dass die Ladungsträger in den Strukturen der Elektroden nicht mehr gespeichert werden können. Im Zuge der (Tief-) Entladung werden zweckmäßigerweise zuerst die Ladungsträger verarmt und danach die innere Speicherstruktur der Batterieeinheit zerstört. Das führt insbesondere dazu, dass die Batterieeinheit ihre Hauptfunktion verliert und nicht mehr geladen bzw. entladen werden kann. Ein Entladen einer Batterie kann insbesondere mit einer Strom- oder Spannungsquelle erfolgen mit umgekehrter Polarität wie beim Laden.
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Um Batterieeinheiten einem Recyclingprozess zuführen zu können, ist es von Bedeutung eine Prozesssicherheit zu gewährleisten, insbesondere einen Arbeits- und Brandschutz. Hierfür ist zumeist ein sicheres und vollständiges Entfernen der Restenergie der Batterieeinheit erforderlich. Auf herkömmliche Weise kann zu diesem Zweck ein Kurzschließen der zu entladenden Batterieeinheiten durch Verbinden ihrer Pole erfolgen. Die kurzgeschlossene Batterieeinheit wird zumeist für eine bestimmte Zeitdauer eingelagert, z.B. zwischen 12 und 36 Stunden, um eine Rückkehr der Batteriespannung zu verhindern und um die Batterieeinheit elektrochemisch zu inaktivieren. Ein derartiges Kurzschließen ist oftmals jedoch mit gro-ßem Aufwand verbunden, da zumeist jede einzelne Batterieeinheit manuell kurzgeschlossen wird. Ferner bedarf das zusätzliche Einlagern eines großen Zeit-und auch Lageraufwands, bevor die Batterieeinheit letztendlich dem Recyclingprozess zugeführt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es nun, die Batterieeinheit tiefzuentladen und dabei deren Speichervermögen zu zerstören, so dass eine Rückkehr der Batteriespannung nicht mehr möglich ist. Ein Kurzschließen und insbesondere ein Lagern der Batterieeinheit ist nicht nötig. Die Erfindung ermöglicht somit besonders zweckmäßig ein Entladen der Batterieeinheit in einen negativen Spannungsbereich, wodurch die Batterieeinheit insbesondere sofort, ohne Kurzschluss und Lagerzeit, elektrochemisch inaktiviert werden kann. Diese Zerstörung der Speicherstruktur bzw. des Speichervermögens verkürzt insbesondere den Tiefentladungsprozess. Die Batterieeinheit kann nach ihrer Entladung zweckmäßigerweise dem Recyclingprozess unmittelbar oder zumindest zeitnah zugeführt werden. Eine Prozesssicherheit, insbesondere ein Arbeits- und Brandschutz, kann dabei besonders zweckmäßig gewährleistet werden.
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Ferner ermöglicht es die vorliegende Erfindung, definiert Energie aus der Batterieeinheit zu entnehmen und diese entnommene Energie rückzuspeisen bzw. wiederzuverwenden. So kann die entnommene Energie beispielsweise in ein Strom- bzw. Spannungsnetz eingespeist werden. Beispielsweise kann die Batterieeinheit durch einen konstanten oder gepulsten Entladestrom kontinuierlich entladen werden, was die Entladung beschleunigt und Netzschwankungen bei der Einspeisung reduziert. Bei einer herkömmlichen Tiefentladung mit Hilfe eines Kurzschlusses und einer Einlagerung können zumeist nur undefinierte Mengen an Ladung entnommen werden, wodurch die Bewertung des Ladezustandes erschwert wird. Im Gegensatz dazu kann durch eine definierte Entnahme der Ladung im Rahmen des vorliegenden Verfahrens, z.B. durch eine konstante Stromquelle, besonders zweckmäßig auch ein definierter Tiefentladezustand erreicht werden.
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Besonders zweckmäßig ermöglicht eine Wiederholung des Entladeprozesses bei einer Vielzahl von Batterieeinheiten mit gleichzeitiger Überwachung elektrischer und physikalischer Parameter der Batterieeinheiten die Ermittlung eines optimalen Entladeverlaufes. Insbesondere kann auf diese Weise eine automatisierte Entladung von Batterieeinheiten ermöglicht werden, z.B. mit Hilfe intelligenter, selbstlernender Algorithmen, künstlicher Intelligenz, neuronaler Netze usw.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Entladen der Batterieeinheit ein Entladen der Batterieeinheit, insbesondere mit einem vorgegebenem Entladestrom, bis eine Messgröße der Batterieeinheit einen vorgegebenen Schwellwert erreicht. Wenn die Messgröße diesen Schwellwert erreicht, erfolgt vorteilhaferweise ein weiteres Entladen der Batterieeinheit, bis der Batterieeinheit eine vorgegebene Ladungsmenge entzogen bzw. entnommen wurde. Das vorgegebene Ereignis entspricht in diesem Fall insbesondere dem vollständen Entnehmen der vorgegebenen Ladungsmenge. Insbesondere wird die Batterieeinheit dabei zunächst solange entladen, bis mit Erreichen des Schwellwerts ein Zustand der vollständigen Entladung erreicht wird. Dieser Zustand entspricht einer umkehrbaren Entladung, die innere Struktur der Batterieeinheit ist zu diesem Zeitpunkt noch intakt. Das weitere Entladen verläuft so lange, bis die für die Zerstörung des Speichervermögens notwendige Ladungsmenge entzogen wurde. Der Batterieeinheit wird nun so lange Energie entzogen, bis das Speicherverhalten nicht mehr feststellbar ist und sich die innere Struktur der Batterieeinheit derart verändert, dass Ladungsträger in den Strukturen der Elektroden nicht mehr gespeichert werden können.
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Diese Ausführungsform bietet sich besonders zweckmäßig bei einer bekannten Kapazität bzw. Nennkapazität der Batterieeinheit an, da der vorgegebene Schwellwert und die vorgegebene Ladungsmenge insbesondere abhängig von der (Nenn-) Kapazität gewählt werden können, um eine besonders effektives (Tief-) Entladen zu ermöglichen. Bei einer undefinierten Batterieeinheit mit unbekannter Kapazität bzw. Nennkapazität oder einem unbekannten Ausgangzustand können der entsprechende Schwellwert und/oder die entsprechende Ladungsmenge beispielsweise durch mehrmaliges Wiederholen der Entladung und durch Überwachung und Beobachtung der jeweiligen Parameter ermittelt werden. Dabei kann z.B. durch wiederholtes (zyklisches) Laden und Entladen der Batterieeinheit deren Kapazität ermittelt bzw. geschätzt werden. Dadurch kann insbesondere die Feststellung des Schwellwertes erleichtert und der zulässige Entladestrom festgestellt werden. Ferner können weitere elektrischen Parameter der Batterieeinheit wie z.B. Innenwiderstände ermittelt werden. Das kann bei unbekannten Batterien die Findung des Endpunktes des Prozesses erleichtern. Eine Überwachung der Temperaturentwicklung ermöglicht ferner insbesondere das Feststellen des zulässigen Entladestroms, was das Verfahren beschleunigen kann.
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Vorteilhafterweise charakterisiert der vorgegebene Schwellwert ein Umpolen der Batterieeinheit und/oder ein vollständiges Entladen der Batterieeinheit. Somit charakterisiert das Erreichen des Schwelwerts insbesondere einen Zeitpunkt, zu welchem die Batterieeinheit vollständig entladen ist und ab welchem der vollständig entladenen Batterieeinheit weiter Energie bis zu dem Verlust des Speichervermögens entnommen wird.
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Bevorzugt ist die Messgröße ein Spannungswert der Batterieeinheit. Beispielsweise kann dieser aktuelle Spannungswert mittels eines Spannungsmesseinheit erfasst werden. Vorzugsweise beträgt der vorgegebene Schwellwert 0V oder zumindest im Wesentlichen OV. Ferner kann der Schwellwert beispielsweise auch ein Spannungsniveau charakterisieren, welches auf ein baldiges komplettes Entladen der Batterieeinheit hindeutet.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Messgröße bevorzugt ein Ladezustand der Batterieeinheit. Der vorgegebene Schwellwert beträgt vorzugsweise 0% oder zumindest im Wesentlichen 0%. Beispielsweise kann dieser aktuelle Ladezustand mittels einer Messung des aktuellen Batteriespannungswerts und der (bekannten) Nennkapazität der Batterieeinheit ermittelt werden.
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Besonders bevorzugt entspricht die vorgegebene Ladungsmenge einem vorgegebenen Prozentsatz der Nennkapazität der Batterieeinheit, insbesondere 5% der Nennkapazität, ferner insbesondere 10% der Nennkapazität, ferner insbesondere 15% der Nennkapazität. Insbesondere kann somit abhängig von der maximalen Kapazität der Batterieeinheit eine ausreichend hohe Ladungsmenge vorgegeben werden, so dass der bereits vollständig entleerten Batterieeinheit noch weiter ausreichend Energie entnommen wird, um ein Überführen der Batterieeinheit in den elektrochemisch inaktiven Zustand zu gewährleisten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Entladen der Batterieeinheit ein Entladen, insbesondere mit einem vorgegebenem Entladestrom, bis ein Spannungsverlauf der Batterieeinheit ein vorgegebenes Merkmal aufweist. Das vorgegebene Ereignis entspricht in diesem Fall insbesondere dem Auftreten bzw. Erkennen dieses vorgegebenen Merkmals im Spannungsverlauf. Das Merkmal deutet insbesondere darauf hin, dass die Batterieeinheit ihre Eigenschaft zum Speichern von Ladung verloren hat. Diese Ausführungsform bietet sich besonders zweckmäßig bei einer unbekannten Kapazität bzw. Nennkapazität der Batterieeinheit an, kann aber selbstverständlich auch bei bekannter Kapazität durchgeführt werden. Die Batterieeinheit wird dabei bei insbesondere konstantem Entladestrom so lange entladen, bis in dem zeitlichen Verlauf des aktuellen Spannungswerts das jeweilige Merkmal erkannt wird.
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Vorzugsweise erreicht der Spannungsverlauf der Batterieeinheit als das vorgegebene Merkmal einen konstanten oder zumindest im Wesentlichen konstanten, negativen Sättigungsspannungswert. Der Spannungswert der Batterieeinheit bleibt dann insbesondere bei konstantem Strom nahezu konstant, sofern insbesondere die Temperatur der Batterieeinheit konstant ist. Die Batterieeinheit verhält sich dann insbesondere wie ein konstanter, elektrischer Widerstand. Das Erreichen dieses Sättigungsspannungswerts bedeutet also, dass die Batterieeinheit weder Spannung aufbauen noch Energie abgeben kann und somit in den elektrochemisch inaktiven Zustand überführt wurde.
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Besonders bevorzugt sinkt der Spannungsverlauf der Batterieeinheit als das vorgegebene Merkmal zunächst bis auf einen insbesondere negativen Minimalwert bzw. Umkehrpunkt ab und steigt anschließend von diesem Minimalwert aus an, bis der Spannungsverlauf den Sättigungsspannungswert erreicht. Das Entladen der Batterieeinheit mit insbesondere konstantem Entladestrom führt zweckmäßigerweise dazu, dass die Spannung das Vorzeichen ohne Änderung der Stromrichtung ändert. Die Spannung sinkt insbesondere in den negativen Bereich, steigt dann wieder an und geht in eine Sättigung, bleibt aber negativ, und bleibt bei konstantem Strom nahezu konstant. Das Auftreten dieses vorgegebenen Merkmals kann beispielsweise bei einem definierten Gradienten des Verlaufs der Spannung über der Zeit erkannt werden.
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Vorteilhafterweise erfolgt das Entladen der Batterieeinheit mit einem vorgegebenen Entladestrom, vorzugsweise mit einem konstanten Entladestrom, einem einstellbaren Entladestrom, einem gepulsten Entladestrom und/oder einem Entladestrom mit beliebiger, aber insbesondere messbarer Stromstärke. Insbesondere kann der Entladestrom bzw. dessen Stromstärke eingestellt und geregelt werden, um der Batterieeinheit definiert Energie entnehmen zu können und um diese entnommene Energie bestmöglich wiederverwenden und beispielsweise in ein Stromnetz einspeisen zu können. Der Entladeprozess mit dem vorgegebenem Entladestrom wird besonders zweckmäßig bei dem Eintreten des vorgegebenen Merkmals des Spannungsverlaufs bzw. nach dem Entziehen der definierten Ladungsmenge beendet.
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Eine erfindungsgemäße (Entlade-) Vorrichtung zum Entladen einer Batterieeinheit ist dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der vorliegenden Beschreibung in entsprechender Weise. Die (Entlade-) Vorrichtung weist eine Schaltungsanordnung auf, die dazu eingerichtet ist, mit einer oder mehreren zu entladenden Batterieeinheiten in Reihen- und/oder Parallelschaltung verbunden zu werden. Die Schaltungsanordnung kann derart angesteuert werden, dass sie die verbundene Batterieeinheit bzw. die verbundenen Batterieeinheiten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entlädt.
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Die Schaltungsanordnung kann eingangsseitig beispielsweise eine Verbindungseinheit aufweisen, um einzelne Batterieeinheiten flexibel mit der Schaltungsanordnung zu verbinden oder wieder von dieser zu trennen. Ausgangsseitig kann die Schaltungsanordnung beispielsweise Gleichspannungs- oder Wechselspannungsanschlüsse zum Bereitstellen einer Gleichspannung oder Wechselspannung aufweisen, beispielsweise zum Einspeisen dieser Spannung in ein entsprechendes Spannungsnetz.
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Besonders zweckmäßig ermöglicht es die Ansteuerung der Schaltungsanordnung, die Entladeströme der einzelnen Batterieeinheiten einzustellen bzw. zu regeln und definiert Energie aus den einzelnen Batterieeinheiten zu entziehen. Somit wird besonders zweckmäßig eine gleichzeitige (Tief-) Entladung von mehreren Batterieeinheiten ermöglicht. Eine Parameterüberwachung der einzelnen Batterieeinheiten ermöglicht insbesondere die (Tief-) Entladung unterschiedlicher Batterieeinheiten beispielsweise mit unterschiedlichen anfänglichen Ladezuständen.
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Vorteilhafterweise weist die Schaltungsanordnung eine insbesondere einstellbare und regelbare Stromsenke auf, besonders vorteilhaft eine Stromsenke und eine Stromquelle, die zweckmäßigerweise in Reihe geschaltet sein können. Besonders zweckmäßig kann ein Zwischenkreis zwischen dieser Stromquelle und dieser Stromsenke vorgesehen sein. Die Stromsenke fungiert zweckmäßigerweise als eine Last, um einen Stromfluss aus den Batterieeinheiten zu entnehmen. Die Strom- bzw. Spannungsquelle kann insbesondere dazu dienen, um aus den Batterieeinheiten entnommene Energie in ein Strom- bzw. Spannungsnetz einzuspeisen.
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Die Erfindung eignet sich zweckmäßigerweise für eine Vielzahl unterschiedlicher Batterieeinheiten, z.B. Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere für Batterieeinheiten aus dem (Kraft- bzw. Elektro-) Fahrzeugbereich oder der elektrischen Antriebstechnik. Beispielsweise können einzelne Batterieeinheiten jeweils eine sog. Batteriezelle sein, als welche eine kleinste in einem Fahrzeug verbaute Batterieeinheit verstanden wird, welche beispielsweise eine Zellenspannung zwischen 2,5V und 4,4V aufweisen kann. Ferner können einzelne Batterieeinheit jeweils beispielsweise als ein Batteriemodul ausgebildet sein, als welches insbesondere eine Reihenschaltung mehrerer derartiger Batteriezellen verstanden wird, welche z.B. eine Nennspannung von bis zu 60V aufweisen kann. Beispielsweise können einzelne Batterieeinheiten auch jeweils ein Batteriepack sein, als welches eine Reihenschaltung aus einer Vielzahl von derartigen Batteriemodulen bezeichnet wird, welche z.B. eine Nennspannung von 200V bis zu 1.000V aufweisen kann.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
- 2 zeigt ein schematisches Ersatzmodell einer Batterieeinheit, welche einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zugrunde liegen kann.
- 3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm.
- 4 zeigt schematisch ein Spannungs-Zeit-Diagramm, welches im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann.
- 5 zeigt schematisch ein Spannungs-Zeit-Diagramm, welches im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen (Entlade-) Vorrichtung schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.
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Die Entladevorrichtung 100 weist eine Schaltungsanordnung 120 auf, die dazu eingerichtet ist, mit einer oder mehreren zu entladenden Batterieeinheiten 110 verbunden zu werden. Eingangsseitig kann die Schaltungsanordnung 120 beispielsweise Gleichspannungsanschlüsse 121 zur Verbindung der Schaltungsanordnung 120 mit den Batterieeinheiten 110 aufweisen. Insbesondere wird dabei ein Minuspol der Batterieeinheiten 110 mit einem Pluspol der Schaltungsanordnung 120 verbunden und umgekehrt.
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Ausgangsseitig kann die Schaltungsanordnung 120 Gleichspannungs- oder Wechselspannungsanschlüsse 122 aufweisen, um die aus den Batterieeinheiten 110 entnommene Energie in ein entsprechendes Spannungsnetz einzuspeisen.
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Die Schaltungsanordnung 120 kann beispielsweise eine einstellbare und regelbare Stromsenke aufweisen, sowie ferner insbesondere eine in Reihe zu dieser Senke geschaltete Energiequelle. Ferner kann beispielsweise ein Zwischenkreis zwischen dieser Quelle und dieser Senke vorgesehen sein.
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In 1 ist die Schaltungsanordnung 120 rein beispielhaft mit drei Batterieeinheiten 110 verbunden, jedoch versteht sich, dass die Schaltungsanordnung 120 auch mit mehr oder weniger Batterieeinheiten verbunden werden kann, beispielsweise auch nur mit einer Batterieeinheit. Beispielsweise kann die Schaltungsanordnung 120 auch mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Batterieeinheiten verbunden werden, welche jeweils z.B. individuelle Nennkapazitäten und individuelle Ladezuständen aufweisen.
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Im gezeigten Beispiel sind die Batterieeinheiten 110 in Reihe geschaltet, jedoch ist auch eine Parallelschaltung oder eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung der einzelnen Batterieeinheiten 110 denkbar. Ferner kann auch beispielsweise eine Verbindungseinheit vorgesehen sein, welche es ermöglicht, einzelne Batterieeinheiten 110 flexibel aus der Schaltung zu entfernen und neue Batterieeinheiten 110 hinzuzufügen. Beispielsweise kann eine derartige Verbindungseinheit eine Vielzahl von Schaltern und/oder Kontaktierungselementen zur automatischen Kontaktierung aufweisen.
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Die Schaltungsanordnung 120 ist dazu eingerichtet, die einzelnen verbundenen Batterieeinheiten 110 jeweils gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu entladen. Zu diesem Zweck ist beispielsweise eine Rechen- bzw. Steuereinheit 130 vorgesehen, insbesondere auch innerhalb der Schaltungsanordnung 120, um die Schaltungsanordnung 120 bzw. einzelne (Schalt-) Elemente der Schaltungsanordnung 120 entsprechend anzusteuern. Die Recheneinheit 130 ist dabei, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, eine bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wie nachfolgend in Bezug auf die 2 bis 5 erläutert werden soll.
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2 zeigt ein schematisches Ersatzmodell 200 einer der Batterieeinheiten 110. Gemäß diesem Ersatzmodell 200 weist die Batterieeinheit 110 eine Hauptkapazität (C0) 211, einen Innenwiderstand (R1) 212 und ein RC-Glied mit einem Kondensator (C2) 213 und einem Widerstand (R2) 214 für das dynamische Verhalten auf.
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Mit 220 ist eine messbare Batteriespannung Ubat bezeichnet. 230 bezeichnet einen Spannungsabfall UR über dem RC-Glied und 240 einen Spannungsabfall U0 über der Hauptkapazität 211. Mit 250 ist ein Stromfluss Ibat der Batterieeinheit bezeichnet. Die messbare Spannung Ubat ist insbesondere eine Differenz zwischen den Spannungen U0 und UR.
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In 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch als ein Blockdiagramm dargestellt. Im Folgenden soll beispielhaft angenommen werden, dass eine Batterieeinheit 110 mit der Schaltungseinheit 120 verbunden und von dieser entladen werden soll.
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In einem Schritt 310 wird die zu entladene Batterieeinheit 110 mit den Gleichspannungsanschlüssen 121 der Schaltungsanordnung 120 verbunden. In Block 320 erfolgt mit Hilfe der Schaltungsanordnung 120 ein Entladen der Batterieeinheit 110 mit einem vorgegebenem Entladestrom, z.B. mit einem konstanten Ladestrom, einem einstellbaren Ladestrom, einem gepulsten Ladestrom oder auch einem Ladestrom mit beliebigem, messbarem Wert. Dieses Entladen der Batterieeinheit 110 erfolgt, bis ein vorgegebenes Ereignis eintritt, welches einen Verlust der elektrochemischen Eigenschaft bzw. des Vermögens der Batterieeinheit 110 charakterisiert, Ladung bzw. Ladungsträger zu speichern. Das Eintreten dieses Ereignisses charakterisiert somit den Verlust des Speicherverhaltens bzw. Speichervermögens der Batterieeinheit 110 und ferner eine Zerstörung der Batterieeinheit 110.
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Zu diesem Zweck wird in einem Schritt 321 zunächst überprüft, ob die (Nenn-) Kapazität und ferner insbesondere der aktuelle Ladezustand der zu entladenden Batterieeinheit 110 bekannt sind.
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Wenn die (Nenn-) Kapazität bzw. der Ladezustand der Batterieeinheit 110 bekannt sind, erfolgt in einem Schritt 331 mit Hilfe der Schaltungsanordnung 120 ein Entladen der Batterieeinheit 110 mit einem vorgegebenem Entladestrom, bis eine Messgröße der Batterieeinheit 110 einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, beispielsweise bis ein aktueller Spannungswert der Batterieeinheit 110 den Schwellwert 0V erreicht und/oder bis der aktuelle Ladezustand der Batterieeinheit 110 den Schwellwert 0% (SOC, state of charge) erreicht.
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Der aktuelle Spannungswert entspricht beispielsweise der in 2 mit 220 bezeichneten messbaren Batteriespannung Ubat. Der aktuelle Ladezustand kann beispielsweise abhängig von diesem aktuellen Spannungswert und der Nennkapazität bestimmt werden.
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Die Batterieeinheit 110 wird somit in Schritt 331 solange entladen, bis ein Zustand der vollständigen Entladung erreicht wird. Dieser Zustand entspricht einer umkehrbaren Entladung. Die innere Struktur der Batterieeinheit 110 bleibt dabei intakt.
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Wenn die Messgröße den Schwellwert erreicht, wenn also der aktuelle Spannungswert der Batterieeinheit 110 den Schwellwert 0V erreicht und/oder wenn der aktuelle Ladezustand der Batterieeinheit 110 den Schwellwert 0% erreicht, erfolgt in Schritt 332 ein weiteres Entladen der Batterieeinheit 110, bis der Batterieeinheit 110 eine vorgegebene Ladungsmenge entzogen wurde. Diese vorgegebene Ladungsmenge wird beispielsweise abhängig von der Nennkapazität der Batterieeinheit 110 gewählt und entspricht beispielsweise 10% der Nennkapazität.
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Der vollständig entladenen Batterieeinheit 110 wird in Schritt 332 solange Energie entzogen, bis das Speicherverhalten der Batterieeinheit 110 nicht mehr feststellbar ist. Dabei wird die innere Struktur der Batterieeinheit 110 so verändert, dass Ladungsträger in den Strukturen der Elektroden nicht mehr gespeichert werden können. Das kann zur Änderung des Vorzeichens der an den Anschlüssen der Batterieeinheit 110 gemessenen Spannung 220 führen. Die gemessene Spannung 220 (Ubat) als Differenz zwischen der Spannung 240 (U0) und der Spannung 250 (UR) bedeutet insbesondere nicht, dass die Hauptkapazität 211 (C0) umgepolt wurde. Nachdem die innere Struktur der Batterieeinheit 110 die Speicherfunktion verloren hat, ist die Batterieeinheit 110 elektrochemisch inaktiv. In diesem Fall ist die Hauptkapazität 211 (C0) kaum mehr vorhanden.
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Wenn die vorgegebene Ladungsmenge entnommen wurde, entspricht dies dem Eintreten des vorgegebenen Ereignisses und dem Verlust der Eigenschaft der Batterieeinheit 110, Ladung zu speichern. Der Entladevorgang wird dann in Schritt 333 beendet. Die Batterieeinheit 110 kann nun wieder von der Schaltungsanordnung 120 getrennt und beispielsweise einem Recyclingprozess zugeführt werden.
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Alternativ, insbesondere wenn in Schritt 321 festgestellt wird, dass die (Nenn-) Kapazität und der aktuelle Ladezustand der zu entladenden Batterieeinheit 110 nicht bekannt sind, erfolgt in Schritt 341 ein Entladen der Batterieeinheit 110 mit einem vorgegebenen, insbesondere konstanten Entladestrom bis ein Spannungsverlauf der Batterieeinheit 110 ein vorgegebenes Merkmal aufweist. Es sei betont, dass diese Variant selbstverständlich auch bei bekannter Kapazität durchgeführt werden kann.
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Beispielsweise wird in Schritt 341 überprüft, ob der Spannungsverlauf als das vorgegebene Merkmal einen konstanten oder zumindest im Wesentlichen konstanten, negativen Sättigungsspannungswert erreicht und sich die Batterieeinheit 110 somit beispielsweise wie ein konstanter, elektrischer Widerstand verhält. Besonders zweckmäßig wird in Schritt 341 überprüft, ob der Spannungsverlauf als das vorgegebene Merkmal zunächst bis auf einen insbesondere negativen Minimalwert absinkt und anschließend von diesem Minimalwert aus ansteigt, bis der Spannungsverlauf den Sättigungsspannungswert erreicht.
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Wenn der Spannungsverlauf das vorgegebene Merkmal aufweist, entspricht dies dem Eintreten des vorgegebenen Ereignisses und dem Verlust der Eigenschaft der Batterieeinheit 110, Ladung zu speichern. Der Entladevorgang wird dann in Schritt 342 beendet und die Batterieeinheit 110 wird von der Schaltungsanordnung 120 getrennt. Die Batterieeinheit 110 wird nun beispielsweise einem Recyclingprozess zugeführt.
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In Schritt 341 erfolgt das Entladen so lange, bis sich das elektrische Verhalten der Batterieeinheit 110 verändert und sich die Batterieeinheit 110 z.B. wie ein konstanter Widerstand verhält. Wenn die Batterieeinheit 110 ein Ersatzmodel gemäß 2 besitzt, kann dies dazu führen, dass die Spannung der Batterieeinheit 110 das Vorzeichen ohne Änderung der Stromrichtung ändert. Die Spannung kann in den negativen Bereich sinken und steigt dann wieder an und geht in eine Sättigung, bleibt aber negativ. Die Spannung bleibt anschließend bei konstantem Strom nahezu konstant, sofern insbesondere die Temperatur konstant ist. In diesem Bereich wird die Entladung in Schritt 342 gestoppt bzw. abgeschaltet, z.B. bei einem definierten Gradienten des Verlaufs der Spannung über der Zeit.
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4 zeigt schematisch ein Diagramm 400 der Spannung Ubat der Batterieeinheit 110 aufgetragen gegen die Zeit. Kurve 410 entspricht dem zeitlichen Spannungsverlauf, wie er in Schritt 341 beispielsweise bestimmt werden kann, wenn das Entladen mit einem konstanten Entladestrom erfolgt. Wie in dem Diagramm 400 ersichtlich ist, sinkt die Batteriespannung von einem Ausgangswert 411 von beispielsweise 3,5V bis auf einen negativen Minimalwert 412 von beispielsweise -0,6V ab und steigt anschließend wieder an, bis die Spannung einen Sättigungsspannungswert 413 von beispielsweise -0,25V erreicht.
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5 zeigt schematisch ein weiteres Diagramm 500 der Spannung Ubat der Batterieeinheit 110 aufgetragen gegen die Zeit. Kurve 510 zeigt beispielhaft den zeitlichen Spannungsverlauf, wie er in Schritt 341 bei einem Entladen mit einem gepulsten Entladestrom bestimmt werden kann. Kurve 520 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines entsprechenden gepulsten Entladestroms und Kurve 530 einen zeitlichen Verlauf einer Temperatur der Batterieeinheit 110. Auch in Diagramm 500 ist ersichtlich, dass die Batteriespannung zunächst von einem Ausgangswert 511, z.B. 3,5V, bis auf einen negativen Minimalwert 512, z.B. -0,6V, absinkt und anschließend ansteigt, bis ein Sättigungsspannungswert 513, z.B. -0,25V, erreicht ist.
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Die vorliegende Erfindung ermöglich es somit, Batterieeinheiten komplett zu entleeren und dabei die in den Batterieeinheiten vorhandene Restenergie nutzbar zu machen. Ferner können die Batterieeinheiten im Zuge dessen in einen elektrochemisch inaktiven Zustand überführt werden und das Speichervermögen der Batterieeinheiten kann zerstört werden, so dass die Batterieeinheiten auf sichere Weise einem Recyclingprozess zugeführt werden können.
