DE112018008069T5

DE112018008069T5 - Desulfatierung von bleisäurebatterien unter verwendung einer elektrolytbewegungseinrichtung

Info

Publication number: DE112018008069T5
Application number: DE112018008069.2T
Authority: DE
Inventors: YiChun Yan; Dave G. Rich; Saad Hasan; Lyall K. Winger; Varsha K. Sadekar
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2021-07-15
Also published as: CN113016098A; WO2020093359A1; US20210399354A1

Abstract

Ein Batteriewartungssystem enthält ein Gehäuse, das eine Mehrzahl von Wänden enthält. Eine Mehrzahl von Batteriezellen befindet sich in dem Gehäuse und sind von einem Elektrolyten umgeben. Eine Elektrolytbewegungseinrichtung wie etwa eine piezoelektrische Vorrichtung ist an wenigstens an einer der Wände des Gehäuses befestigt und ist dafür konfiguriert, den Elektrolyten wahlweise zu bewegen.

Description

EINLEITUNG
Die in diesem Abschnitt gegebenen Informationen dienen zur allgemeinen Darstellung des Kontexts der Offenbarung. Arbeit der genannten Erfinder in dem Umfang, in dem sie in diesem Abschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die nicht auf andere Weise als Stand der Technik zum Zeitpunkt der Einreichung berechtigen können, sind weder explizit noch implizit als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung anerkannt.
Die vorliegende Offenbarung betrifft Batteriesysteme und insbesondere Systeme und Verfahren zum Bewegen eines Elektrolyten in einem Batteriegehäuse.
Bleisäurebatterien (PbA-Batterien) werden in einer Vielzahl von Anwendungen einschließlich der Bereitstellung von Leistung in Fahrzeugen verwendet. Üblicherweise enthält die Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen, die in einen Elektrolyten getaucht sind. Wenn die Batterie in einem entladenen Zustand ist, werden die positiven und negativen Platten der Zelle zu Blei-(II-)Sulfat (PbSO₄) und wird der Elektrolyt zu verdünnter Schwefelsäure (H₂SO₄). Der Entladungsprozess wird durch die Leitung von Elektronen von der negativen Platte zurück in die Zelle bei der positiven Platte über eine Last angesteuert.
Die Reaktion der negativen Platte ist Pb(s) + HSO₄(aq) → PbSO₄(s) + H + (aq) + 2e^-. Leitende Elektronen, die erzeugt werden, laden eine der Platten auf eine negative Nettoladung. Während sich Elektronen ansammeln, wird ein elektrisches Feld erzeugt, das Wasserstoffionen anzieht und Sulfationen abstößt. Dies führt zu einer Doppelschicht in der Nähe der negativen Platte. Die Wasserstoffionen schirmen die negative Platte von der Lösung ab, was weitere Reaktionen, sofern keine Ladung fließengelassen wird, begrenzt.
Die Reaktion der positiven Platte ist PbO₂(s) + HSO₄(aq) + 3H⁺(aq) + 2e^- → PbSO₄(s) + 2H₂O(I). Die Gesamtreaktion kann als Pb(s) + PbO2(s) + 2H₂SO₄(aq) → 2PbSO₄(s) + 2H₂O(I) geschrieben werden. In einem vollständig geladenen Zustand ist die negative Platte Blei (Pb), ist die positive Platte Bleidioxid (PbO₂) und ist der Elektrolyt konzentrierte Schwefelsäure.
Wenn die Batterie wegen Sulfatierung zu lange entladen ist, verliert die Batterie die Fähigkeit, Ladung aufzunehmen. Die Sulfatierung umfasst die Kristallisation von Bleisulfat. Blei und Bleidioxid, die aktiven Materialien an den Platten der Batterie, reagieren mit Schwefelsäure in dem Elektrolyten, um Bleisulfat zu bilden. Anfangs bildet sich das Bleisulfat in einem fein verteilten amorphen Zustand und kehrt leicht zu Blei, Bleidioxid und Schwefelsäure zurück, wenn sich die Batterie neu lädt. Nach mehreren Lade-/Entladezyklen wird etwas Bleisulfat nicht in dem Elektrolyten rekombiniert und langsam in eine stabile kristalline Form umgewandelt, die während des Neuladens nicht zurückkehrt. Im Ergebnis wird weniger als das gesamte Blei zu den Batterieplatten zurückgeführt und nimmt die Menge des nutzbaren aktiven Materials zum Herstellen einer Elektrizitätserzeugung ab.
Außer der Sulfatierung kann auch eine Schichtung auftreten. Die Schichtung bezieht sich auf Änderungen der Zusammensetzung des Elektrolyten von einem oberen Abschnitt des Elektrolyten zu einem unteren Abschnitt des Elektrolyten. Ein Elektrolyt wie etwa Schwefelsäure weist eine höhere Dichte als Wasser auf. Die während des Ladens an den Platten gebildete Batteriesäure strömt nach unten und sammelt sich am Boden des Batteriegehäuses. Im Zeitverlauf erhält der Elektrolyt durch Diffusion wieder eine gleichförmige Zusammensetzung. Allerdings erhöhen die wiederholten Zyklen einer teilweisen Ladung und Entladung die Schichtung des Elektrolyten. Da eine verringerte Säurekonzentration die Plattenaktivierung verringert, verringert die Schichtung die Kapazität und die Leistungsfähigkeit der Batterie. Außerdem fördert die Schichtung an einem oberen Abschnitt der Platten die Korrosion und an einem unteren Abschnitt der Platten die Sulfatierung.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Batteriewartungssystem enthält ein Gehäuse, das eine Mehrzahl von Wänden enthält. Eine Mehrzahl von Batteriezellen befindet sich in dem Gehäuse und sind von einem Elektrolyten umgeben. Eine Elektrolytbewegungseinrichtung, die wenigstens an einer der Wände des Gehäuses befestigt ist, ist dafür konfiguriert, den Elektrolyten wahlweise zu bewegen.
In anderen Merkmalen enthalten die Mehrzahl von Batteriezellen Bleisäurebatteriezellen und enthält der Elektrolyt Schwefelsäure. Die Elektrolytbewegungseinrichtung befindet sich an einer Außenoberfläche wenigstens einer der Mehrzahl von Wänden des Gehäuses. Die Elektrolytbewegungseinrichtung befindet sich an einer Innenoberfläche wenigstens einer der Mehrzahl von Wänden des Gehäuses und in direktem Kontakt mit dem Elektrolyten. Die Elektrolytbewegungseinrichtung enthält eine piezoelektrische Vorrichtung. Die Elektrolytbewegungseinrichtung enthält einen piezoelektrischen Cantilever.
In anderen Merkmalen befindet sich die Elektrolytbewegungseinrichtung an einer Außenoberfläche wenigstens einer der Mehrzahl von Wänden des Gehäuses. Zwischen der Elektrolytbewegungseinrichtung und dem Elektrolyten befindet sich ein Energiedispersionsmaterial.
In anderen Merkmalen ist an dem Gehäuse eine Rückkopplungsvorrichtung befestigt. Ein Controller ist dafür konfiguriert, die Elektrolytbewegungseinrichtung in Ansprechen auf Rückkopplung von der Rückkopplungsvorrichtung zu regeln. Die Elektrolytbewegungseinrichtung enthält eine erste piezoelektrische Vorrichtung und die Rückkopplungsvorrichtung enthält eine zweite piezoelektrische Vorrichtung.
In anderen Merkmalen ist die Elektrolytbewegungseinrichtung wenigstens in einer der Mehrzahl von Wänden, die sich zwischen benachbarten der Mehrzahl von Batteriezellen befinden, angeordnet. Eine Flyback-Schaltung stellt wahlweise Leistung für die Elektrolytbewegungseinrichtung bereit.
Ein Fahrzeugbatteriesystem umfasst das Batteriewartungssystem. Ein Controller ist dafür konfiguriert zu bestimmen, wann ein Fahrzeug für eine vorgegebene Zeitdauer nicht in Betrieb gewesen ist, und zu veranlassen, dass die Elektrolytbewegungseinrichtung den Elektrolyten nach der vorgegebenen Zeitdauer bewegt.
In anderen Merkmalen ist der Controller ferner dafür konfiguriert zu veranlassen, dass an die Batterie Spannungsimpulse angelegt werden, während das Fahrzeug nicht in Betrieb ist. Der Controller ist dafür konfiguriert zu verhindern, dass die Elektrolytbewegungseinrichtung den Elektrolyten nach der vorgegebenen Zeitdauer bewegt, falls ein Batterieladezustand niedriger als ein vorgegebener Ladezustand ist. Der Controller ist dafür konfiguriert zu veranlassen, dass die Elektrolytbewegungseinrichtung den Elektrolyten innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer vor dem Starten des Fahrzeugs bewegt.
Ein Fahrzeugbatteriesystem enthält ein Gehäuse, das eine Mehrzahl von Wänden enthält, und eine Mehrzahl von Batteriezellen, die sich in dem Gehäuse befinden und die den Elektrolyten umgeben. Eine Elektrolytbewegungseinrichtung, die wenigstens an einer der Wände des Gehäuses befestigt ist, ist dafür konfiguriert, den Elektrolyten wahlweise zu bewegen. Eine Ansteuerschaltung ist dafür konfiguriert, die Elektrolytbewegungseinrichtung wahlweise anzusteuern. Ein Controller ist dafür konfiguriert zu bestimmen, wann das Fahrzeug für eine vorgegebene Zeitdauer nicht in Betrieb gewesen ist, und wahlweise zu veranlassen, dass die Ansteuerschaltung die Elektrolytbewegungseinrichtung nach der vorgegebenen Zeitdauer ansteuert.
In anderen Merkmalen ist der Controller dafür konfiguriert zu verhindern, dass die Elektrolytbewegungseinrichtung den Elektrolyten nach der vorgegebenen Zeitdauer bewegt, falls ein Batterieladezustand niedriger als ein vorgegebener Ladezustand ist. Der Controller ist dafür konfiguriert zu veranlassen, dass die Elektrolytbewegungseinrichtung den Elektrolyten innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer vor dem Starten des Fahrzeugs bewegt.
Ein Batteriewartungssystem enthält ein Gehäuse, das eine Mehrzahl von Wänden und eine Mehrzahl von Batteriezellen, die sich in dem Gehäuse befinden und die von einem Elektrolyten umgeben sind, enthält. Eine piezoelektrische Vorrichtung, die wenigstens an einer der Wände des Gehäuses befestigt ist, ist dafür konfiguriert, den Elektrolyten wahlweise zu bewegen. Eine Flyback-Schaltung ist dafür konfiguriert, die piezoelektrische Vorrichtung wahlweise anzusteuern. Ein Controller ist dafür konfiguriert, wahlweise zu veranlassen, dass die Flyback-Schaltung Leistung an die piezoelektrische Vorrichtung ausgibt.
In anderen Merkmalen enthalten die Mehrzahl von Batteriezellen Bleisäurebatteriezellen. Der Elektrolyt enthält Schwefelsäure. Die piezoelektrische Vorrichtung enthält einen piezoelektrischen Cantilever.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Offenbarung gehen aus der ausführlichen Beschreibung, aus den Ansprüchen und aus den Zeichnungen hervor. Die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele sind nur zu Veranschaulichungszwecken bestimmt und sollen den Schutzumfang der Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird umfassender verständlich aus der ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen; es zeigen:

1 eine Draufsicht einer Batterie, die mehrere Batteriezellen enthält;
2 und 3 die Reihen- bzw. Parallelschaltung der Batteriezellen;
4A einen Funktionsblockschaltplan eines Beispiels einer Batterie, die eine an einem Batteriegehäuse befestigte Elektrolytbewegungseinrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält;
4B einen Ablaufplan eines Beispiels eines Verfahrens zum Bewegen des Elektrolyten gemäß der vorliegenden Offenbarung;
5A einen Funktionsblockschaltplan eines Beispiels einer Batterie, die mehrere an Außenoberflächen der Batteriegehäusewände befestigte Elektrolytbewegungseinrichtungen gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält;
5B einen Funktionsblockschaltplan eines Beispiels einer Batterie, die eine Elektrolytbewegungseinrichtung und eine Rückkopplungsvorrichtung, die an Außenoberflächen der Batteriegehäusewände befestigt sind, gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält;
6A einen Funktionsblockschaltplan eines Beispiels einer Batterie, die eine an einer Außenoberfläche der Batteriegehäusewände befestigte Elektrolytbewegungseinrichtung (die sich über zwei oder mehr benachbarte Batteriezellen erstreckt) gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält;
6B einen Funktionsblockschaltplan eines Beispiels einer Batterie, die eine Elektrolytbewegungseinrichtung, die zu dem Elektrolyten freiliegt und die sich über zwei oder mehr benachbarte Zellen erstreckt, gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält;
7 einen Funktionsblockschaltplan eines Beispiels einer Batterie, die eine Elektrolytbewegungseinrichtung, die an einer Innenoberfläche einer Batteriegehäusewand der Batteriezelle angeordnet ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält;
8 einen Funktionsblockschaltplan eines Beispiels einer Batterie, die eine Elektrolytbewegungseinrichtung, die in einer Batteriegehäusewand der Batteriezelle zwischen zwei benachbarten Batteriezellen angeordnet ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält;
9 einen Funktionsblockschaltplan eines Beispiels einer Energiedispersionsvorrichtung, bei der eine Elektrolytbewegungseinrichtung und eine Batterie angeordnet sind, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
10 ein Prinzipschaltbild eines Beispiels einer Ansteuerschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
11 einen Graphen eines Beispiels von Spannungs- und Stromsignalformen für die Ansteuerschaltung aus 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung.

In den Zeichnungen können Bezugszeichen zur Bezeichnung ähnlicher und/oder gleicher Elemente erneut verwendet werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Obwohl die hier beschriebenen Systeme und Verfahren in dem Kontext eines Batteriesystems für ein Fahrzeug dargestellt sind, können die hier beschriebenen Systeme und Verfahren in einer Anzahl anderer Fahrzeug- und/oder Nicht-Fahrzeug-Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel können die hier beschriebenen Systeme und Verfahren für Batteriesysteme in Reserveleistungsanwendungen und dergleichen verwendet werden.
Die Desulfatierung der Batterie kann durch Erzeugen von Bedingungen, die die Löslichkeit von Sulfaten in der Elektrolytlösung erhöhen, beschleunigt werden. Zum Beispiel kann die Desulfatierung durch Anlegen einer Hochspannung über die Anschlüsse der Batterie beschleunigt werden. Systeme, die sich allein auf das Spannungspulsieren stützen, brauchen allgemein zu lange, um während typischer Antriebszyklusdauern nützlich zu sein. Außerdem können Spannungspulsationssysteme Spannungen und Frequenzen verwenden, die mit anderen Fahrzeugelektriksystemen inkompatibel sind. Außerdem beschleunigen Spannungspulsationssysteme andere Qualitätsminderungsmechanismen wie etwa die Gasentwicklung und Korrosion, was ihre Nutzung beschränkt.
Außerdem kann die Desulfatierung durch Erhöhen der Temperatur der Batterie beschleunigt werden. Wie oben beschrieben wurde, tritt die Sulfatierung der Batterie auf, wenn das Fahrzeug für lange Dauern geparkt ist. Allerdings erfordert die Desulfatierung durch Erwärmen der Batterie viel Leistung, was die Batterie weiter entleert, es sei denn, dass eine Zusatzleistungsquelle verfügbar ist. Außerdem sind Systeme, die sich allein auf die Batterieerwärmung stützen, nicht effizient.
Außerdem kann die Desulfatierung durch Mischen oder Erhöhen der Umwälzung des Elektrolyten ausgeführt werden. Es kann eine periodische Überladung ausgeführt werden, um an den Batterieplatten gasförmige Reaktionsprodukte zu erzeugen und Konvektionsströme zu veranlassen, die den Elektrolyten mischen, um die Schichtung zu verringern. Das mechanische Rühren des Elektrolyten bietet eine ähnliche Wirkung. Batterien in bewegten Fahrzeugen unterliegen ebenfalls dem Schwappen und Spritzen in den Zellen, während das Fahrzeug beschleunigt, bremst und die Fahrtrichtung ändert. Allerdings tritt die meiste Sulfatierung auf, wenn das Fahrzeug während längerer Zeitdauern geparkt ist.
Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung erzeugen ein gezieltes Bewegen des Elektrolyten unter Verwendung einer Elektrolytbewegungseinrichtung, um die Batterie zu desulfatieren und die Schichtung zu entfernen. Gemäß einigen Beispielen erzeugt die Elektrolytbewegungseinrichtung niederfrequente Schallwellen, um den Elektrolyten über den Batterieplatten zyklisch aufzufrischen, um das Sulfatwachstum zu entfernen. Die Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung können ausgeführt werden, wenn das Fahrzeug in Betrieb ist oder wenn das Fahrzeug geparkt ist.
Gemäß einigen Beispielen wird die gezielte mechanische Bewegung des Elektrolyten mit Hochspannungsimpulsen an die Batterie und/oder mit dem Erwärmen der Batterie kombiniert. Die Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung desulfatieren Batterien schnell und effektiv und verringern die Schichtung, ohne die Kraftstoffwirtschaftlichkeit nachteilig zu beeinflussen oder die Batterielebensdauer zu verschlechtern.
Gemäß einigen Beispielen führen die hier beschriebenen Systeme und Verfahren automatisch eine Elektrolytbewegung aus, nachdem das Fahrzeug für eine vorgegebene Zeitdauer geparkt gewesen ist. Danach kann die Elektrolytbewegung periodisch, bis das Fahrzeug betrieben wird, (oder auf einer Ereignisgrundlage) wiederholt werden. Gemäß einigen Beispielen wird die Elektrolytbewegung ausgesetzt, wenn das Fahrzeug über eine längere Dauer geparkt bleibt und ein Batterieladezustand (SOC) unter einen vorgegebenen SOC fällt (um zu verhindern, dass sich die Batterie zu tief entlädt).
Die Elektrolytbewegung kann den Kaltanlassstrom (CCA) der Batterie verbessern, falls sie an der Batterie innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer 1 vor dem Startereignis ausgeführt wird. Während sich die vorstehende Beschreibung auf Bleisäurebatterietechnologien bezieht, verbessern die Systeme und Verfahren ebenfalls den Wert künftiger kohlenstoffverstärkter Bleisäuretechnologien, die wegen sulfatierungsanfälliger Platten mit hohem Flächeninhalt eine erheblich höhere Ladungsaufnahme bieten. Außerdem können die Systeme und Verfahren für Batterien auf Lithium- (Li-) Ionen-, Li-Metall- und/oder Zinkgrundlage (wie etwa Nickel (Ni), Silber (Ag) usw.) verwendet werden, um das Dendritwachstum zu verringern.
In 1 enthält eine Batteriezelle 10 ein Gehäuse 12 mit Wänden 13 und mit einer Abdeckung (nicht gezeigt). Gemäß einigen Beispielen sind die Wände 13 des Gehäuses aus Polycarbonat oder aus einem anderen geeigneten nichtleitenden Material hergestellt. Ferner enthält die Batteriezelle 10 eine erste Mehrzahl von Platten 14-1, 14-2, ... und 14-N (zusammen erste Mehrzahl von Platten 14), die miteinander verbunden und zwischen einer zweiten Mehrzahl von Platten (16-1, 16-2, ... und 16-N) (zusammen zweite Mehrzahl von Platten 16) (wobei N eine ganze Zahl größer als null ist) angeordnet sind. Die erste und die zweite Mehrzahl von Platten 14 und 16 sind in eine Elektrolytlösung 20 getaucht. Die erste Mehrzahl von Platten 14 sind mit einem ersten Anschluss 28 verbunden und die zweite Mehrzahl von Platten 16 sind mit einem zweiten Anschluss 26 verbunden. Obwohl eine spezifische Anordnung von Platten und Batterieanschlüssen gezeigt ist, können andere Anordnungen verwendet werden.
In 2 und 3 enthält eine Batterie 40 üblicherweise eine Mehrzahl von Batteriezellen 10-1, 10-2, ... und 10-C (zusammen Batteriezellen 10) (wobei C eine ganze Zahl größer als eins ist), die miteinander verbunden sind. Zum Beispiel enthält eine 12-V-Fahrzeugbatterie üblicherweise 6 Batteriezellen, die in Reihe geschaltet sind, und weist sie eine Batteriespeicherung von etwa 800 Wattstunden (W · h) (etwa 300 - 400 nutzbare W . h) auf. Die Batteriezellen 10 können durch Verbinder 42 zu Hauptbatterieanschlüssen 40 und 46 (wie in 2 gezeigt ist) parallelgeschaltet sein, (wie in 3 gezeigt ist) in Reihe geschaltet sein oder Kombinationen davon.
In 4A enthält ein Desulfatierungssystem 110 gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Batterie 100 und eine Elektrolytbewegungseinrichtung 112, die an einer oder mehreren der Wände 13 des Gehäuses 12 befestigt ist. Gemäß einigen Beispielen ist die Elektrolytbewegungseinrichtung 112 an einer Außenoberfläche der Wand 13 befestigt und erzeugt sie durch die Wand 13 Wellen in dem Elektrolyten. Gemäß einigen Beispielen enthält die Elektrolytbewegungseinrichtung 112 eine piezoelektrische Vorrichtung wie etwa einen piezoelektrischen Cantilever. Gemäß anderen Beispielen enthält die Elektrolytbewegungseinrichtung 112 eine elektromagnetische Vorrichtung, eine magnetorestriktive Vorrichtung und/oder einen Motor, die bzw. der Wellen in dem Elektrolyten erzeugt. Gemäß einigen Beispielen enthält der Motor eine Exzenterwelle, um Schwingung zu verursachen.
Ein Controller 116 ist mit einer Treiberschaltung 118 verbunden. Der Controller 116 betätigt die Treiberschaltung 118 wahlweise, während das Fahrzeug fährt oder geparkt ist, um zu veranlassen, dass die Elektrolytbewegungseinrichtung 112 mit einer vorgegebenen Frequenz schwingt oder in Resonanz ist. Zum Beispiel betätigt der Controller 116 die Elektrolytbewegungseinrichtung 112 wahlweise, nachdem eine vorgegebene Zeitdauer ohne Betrieb des Fahrzeugs verstrichen ist. Gemäß einigen Beispielen wiederholt der Controller 116 den Prozess danach periodisch.
Gemäß einigen Beispielen enthält eine Leistungsquelle 120 die Batterie 100, die das Desulfatierungssystem 110 mit Leistung versorgt. Gemäß anderen Beispielen kann eine getrennte Leistungsquelle 120 wie etwa eine andere Batterie oder eine Steckdose in Verbindung mit einer öffentlichen Infrastruktureinrichtung verwendet werden, um den Controller 116 und die Treiberschaltung 118 mit Leistung zu versorgen. Alternativ kann die Erwärmung ausgeführt werden, während das Fahrzeug unter Verwendung der Batterie fährt. Gemäß einigen Beispielen ist der Controller 116 durch einen vorhandenen Fahrzeugcontroller implementiert. Gemäß einigen Beispielen sind der Controller 116 und der Treiber 118 kombiniert.
In 4B ist ein Beispiel eines Verfahrens zum Bewegen eines Elektrolyten in einer Bleisäurebatterie zum Desulfatieren der Batterie gezeigt. Bei 122 bestimmt das Verfahren, ob das Fahrzeug von eingeschaltet auf ausgeschaltet übergehen. Falls 122 falsch ist, kehrt das Verfahren zu 122 zurück. Falls 122 wahr ist, setzt das Verfahren den ersten und den zweiten Zeitgeber bei 124 zurück und startet sie. Bei 126 bestimmt das Verfahren, ob das Fahrzeug in einem ausgeschalteten Zustand ist. Bei 127 bestimmt das Verfahren, ob ein Batterie-SOC größer als ein SOC-Schwellenwert (SOC_TH) ist. Bei 128 bestimmt das Verfahren, ob der erste Zeitgeber bei 128 größer oder gleich einer ersten vorgegebenen Zeitdauer ist. Falls 128 falsch ist, wird das Verfahren bei dem im Folgenden beschriebenen 134 fortgesetzt.
Falls 128 wahr ist, steuert das Verfahren bei 130 über die Anschlüsse der Batterie eine Spannung (höher als die Batteriespannung) an, um optional ein Spannungspulsieren auszuführen. Bei 132 setzt das Verfahren den ersten Zeitgeber zurück. Bei 134 bestimmt das Verfahren, ob der zweite Zeitgeber größer oder gleich einer zweiten vorgegebenen Zeitdauer ist. Falls 134 falsch ist, kehrt das Verfahren zu 126 zurück. Falls 134 wahr ist, steuert das Verfahren bei 136 die Elektrolytbewegungseinrichtung an und setzt es bei 138 den zweiten Zeitgeber zurück.
Gemäß einigen Beispielen wird das Spannungspulsieren nicht ausgeführt und wird in periodischen Intervallen eine Erwärmung ausgeführt. In nochmals anderen Beispielen werden das Spannungspulsieren und das Erwärmen zusätzlich zu der Elektrolytbewegung ausgeführt. Gemäß anderen Beispielen werden das Spannungspulsieren und/oder das Erwärmen während der Elektrolytbewegung gleichzeitig ausgeführt und ist das Verfahren dementsprechend vereinfacht.
In 5A enthält ein Desulfatierungssystem 140 die Elektrolytbewegungseinrichtung 112 und eine oder mehrere zusätzliche Elektrolytbewegungseinrichtungen 144, die an den Wänden 13 des Gehäuses 12 befestigt sind. Gemäß einigen Beispielen sind die Elektrolytbewegungseinrichtungen 112 und 144 an Außenoberflächen der Wände 13 befestigt, obwohl andere Orte denkbar sind. In diesem Beispiel ist der Treiber 118 mit dem Controller 116 kombiniert.
In 5B enthält ein Desulfatierungssystem 150 einen oder mehrere der Elektrolytbewegungseinrichtungen 112 und einen oder mehrere Rückkopplungsdetektoren 152, die an den Wänden 13 des Gehäuses 12 befestigt sind. Gemäß einigen Beispielen sind die eine bzw. die mehreren Elektrolytbewegungseinrichtungen 112 an Außenoberflächen der Wände 13 befestigt, obwohl andere Orte denkbar sind. Gemäß einigen Beispielen enthalten der eine oder die mehreren Rückkopplungsdetektoren 152 piezoelektrische Vorrichtungen, die verwendet werden, um ein Rückkopplungssignal zu erzeugen. Der Controller 116 empfängt das Rückkopplungssignal von den einen oder mehreren Rückkopplungsdetektoren 152 und stellt den Betrieb der einen oder mehreren Elektrolytbewegungseinrichtungen 112 auf dessen Grundlage ein. Gemäß einigen Beispielen stellt der Controller 116 eine Ansteuersignalfrequenz, den Zeitpunkt und/oder die Amplitude ein, um Schwingungseigenschaften oder die Resonanzfrequenz der einen oder mehreren Elektrolytbewegungseinrichtungen 112 zu ändern.
Wie gewürdigt werden kann, können die Elektrolytbewegungseinrichtungen an anderen Orten der Batterie angeordnet sein. In 6A und 6B sind Elektrolytbewegungseinrichtungen an Außenwänden benachbarter Batteriezellen 160-1 bzw. 160-2 an einem Ort, der sich über benachbarte Batteriezellen 160-1 und 160-2 erstreckt, befestigt gezeigt. In 6A ist eine Elektrolytbewegungseinrichtung 158 außerhalb des Gehäuses 12 an der Wand 13 befestigt. In 6B ist eine Elektrolytbewegungseinrichtung 210 vollständig oder teilweise innerhalb des Gehäuses 12 an der Wand 13 befestigt. Gemäß einigen Beispielen steht wenigstens ein Abschnitt eines Gehäuses der Elektrolytbewegungseinrichtung 210 in direktem Kontakt mit dem Elektrolyten.
In 7-9 sind nochmals andere Beispiele von Anordnungsorten für die Elektrolytbewegungseinrichtung gezeigt. In 7 ist eine Elektrolytbewegungseinrichtung 250 an einer Innenoberfläche der Wand 13 des Gehäuses 12 innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet. Gemäß einigen Beispielen ist wenigstens ein Abschnitt eines Gehäuses der Elektrolytbewegungseinrichtung 250 mit dem Elektrolyten in direktem Kontakt.
In 8 ist eine Elektrolytbewegungseinrichtung 280 in eine Wand 281, die benachbarte Batteriezellen 270-1 und 270-2 trennt, eingebettet. Gemäß einigen Beispielen ist die Elektrolytbewegungseinrichtung 280 durch einen isolierten Leiter 282 (durch einen Durchlass 284 in der Wand 281) mit dem Controller 116 und/oder mit der Ansteuerschaltung 118 verbunden.
In 9 sind eine oder mehrere Elektrolytbewegungseinrichtungen 320 an der Wand 13 des Gehäuses 12 angeordnet. In oder an der Wand 13 ist eine Energiedispersionsvorrichtung 322 angeordnet, um Schwingungsenergie von der einen oder den mehreren Elektrolytbewegungseinrichtungen 320 aufzunehmen und um die Schwingungsenergie in der Wand 13 und/oder in dem Elektrolyten gleichförmig zu verteilen.
In 10 und 11 kann eine Treiberschaltung 400 durch eine Flyback-Schaltung implementiert sein, um Spannungen über der Batteriespannung bereitzustellen. Zum Beispiel kann die Flyback-Schaltung verwendet werden, um von einem 12-V-Batteriesystem 14 V bis 16 V (oder höher) zuzuführen. Die Treiberschaltung 400 enthält eine Leistungsquelle 410 wie etwa eine Batterie. Ferner enthält die Ansteuerschaltung 400 ein induktives Bauelement L und einen Schalter SW. Zwischen dem induktiven Bauelement L und dem Schalter SW ist eine Anode einer Diode D verbunden. Eine Katode der Diode D ist mit einem Kondensator C und über Schalter SW2 bzw. SW3 mit einer oder mehreren Elektrolytbewegungseinrichtungen 414 und mit einer Batterie 418 verbunden. Eine Heizeinrichtung 422 kann verwendet werden, um die Batterie und den Elektrolyten zu heizen, wobei sie wahlweise mit einer Zusatzleistungsquelle 424 wie etwa einem Netzkabel mit einer öffentlichen Infrastruktureinrichtung oder mit einer anderen Batterie verbunden wird.
Während des Betriebs des Fahrzeugs wird das induktive Bauelement L durch die Leistungsquelle 410 geladen, wenn der Schalter SW geschlossen ist. Nachdem die Fahrzeuge für eine vorgegebene Zeitdauer geparkt gewesen sind, kann der Schalter SW geöffnet werden, um zu ermöglichen, dass sich das induktive Bauelement in den Kondensator C entlädt und/oder lädt. Die Schalter SW2 und/oder SW3 können geschlossen und/oder eingeschaltet/ausgeschaltet moduliert werden, um der Elektrolytbewegungseinrichtung 414 und/oder der Batterie 418 Leistung zuzuführen. Das induktive Bauelement L kann ein- oder mehrmals nachgeladen werden und der Entladungsprozess kann wiederholt werden. Nachdem der Elektrolyt für eine vorgegebene Zeitdauer oder Anzahl von Zyklen bewegt worden ist, hält das Fahrzeug das Bewegen des Elektrolyten an und wartet es eine weitere vorgegebene Zeitdauer (ohne Fahrzeugbetrieb), bevor es den Prozess des Bewegens des Elektrolyten wiederholt. In 11 sind Spannungs- und Stromsignalformen für die Ansteuerschaltung aus 10 gezeigt.
Die vorstehende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich veranschaulichend und soll die Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können gemäß einer Vielzahl von Formen implementiert werden. Obwohl diese Offenbarung bestimmte Beispiele enthält, soll der wahre Schutzumfang der Offenbarung somit nicht darauf beschränkt sein, da andere Änderungen beim Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche hervorgehen. Selbstverständlich können ein oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in einer anderen Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Obwohl jede der Ausführungsformen oben als mit bestimmten Merkmalen beschrieben worden ist, können ferner eines oder mehrere dieser in Bezug auf irgendeine Ausführungsform der Offenbarung beschriebenen Merkmale in irgendeiner und/oder zusammen mit Merkmalen irgendeiner der anderen Ausführungsformen implementiert werden, selbst wenn diese Kombination nicht explizit beschrieben ist. Mit anderen Worten, die beschriebenen Ausführungsformen schließen sich nicht gegenseitig aus und Vertauschungen einer oder mehrerer Ausführungsformen durch eine andere bleiben im Schutzumfang der Offenbarung.
Räumliche und funktionale Beziehungen zwischen Elementen (z. B. zwischen Modulen, Schaltungselementen, Halbleiterschichten usw.) sind unter Verwendung verschiedener Begriffe einschließlich „verbunden“, „in Eingriff“, „gekoppelt“, „benachbart“, „neben“, „auf“, „über“, „unter“ und „angeordnet“ beschrieben. Wenn eine Beziehung zwischen einem ersten und einem zweiten Element in der obigen Offenbarung nicht explizit als „direkt“ beschrieben ist, kann diese Beziehung eine direkte Beziehung sein, bei der zwischen dem ersten und dem zweiten Element keine anderen dazwischenliegenden Elemente vorhanden sind, kann sie aber ebenfalls eine indirekte Beziehung sein, bei der zwischen dem ersten und dem zweiten Element ein oder mehrere (entweder räumlich oder funktional) dazwischenliegende Elemente vorhanden sind. Wie die Formulierung wenigstens eines von A, B und C hier verwendet ist, soll sie ein logisches (A ODER B ODER C) unter Verwendung eines nicht ausschließenden logischen ODER bedeuten und ist sie nicht in der Bedeutung „wenigstens eines von A, wenigstens eines von B und wenigstens eines von C“ zu verstehen.
In den Figuren veranschaulicht die Richtung eines Pfeils, wie sie durch die Pfeilspitze angegeben ist, allgemein den Informationsfluss (wie etwa von Daten oder Anweisungen), der für die Darstellung von Interesse ist. Wenn z. B. ein Element A und ein Element B eine Vielzahl von Informationen austauschen, für die Darstellung aber von dem Element A zu dem Element B übertragene Informationen relevant sind, kann der Pfeil von dem Element A zu dem Element B weisen. Dieser einfachgerichtete Pfeil bedeutet nicht, dass keine anderen Informationen von dem Element B zu dem Element A übertragen werden. Ferner kann für von dem Element A zu dem Element B gesendete Informationen das Element B Anforderungen für die Informationen an das Element A senden oder deren Quittierungen empfangen.
In dieser Anmeldung einschließlich in den folgenden Definitionen kann der Begriff „Modul“ oder der Begriff „Controller“ durch den Begriff „Schaltung“ ersetzt werden. Der Begriff „Modul“ kann sich auf: eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC); eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale diskrete Schaltung; eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale integrierte Schaltung; eine Kombinationslogikschaltung; eine frei programmierbare logische Anordnung (FPGA); eine Prozessorschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die Code ausführt; eine Speicherschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die durch die Prozessorschaltung ausgeführten Code speichert; andere geeignete Hardwarekomponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination einiger oder aller der Obigen wie etwa in einem Ein-Chip-System beziehen, ein Teil davon sein oder sie enthalten.
Das Modul kann eine oder mehrere Schnittstellenschaltungen enthalten. Gemäß einigen Beispielen können die Schnittstellenschaltungen verdrahtete oder drahtlose Schnittstellen enthalten, die mit einem lokalen Netz (LAN), mit dem Internet, mit einem Weitverkehrsnetz (WAN) oder mit Kombinationen davon verbunden sind. Die Funktionalität irgendeines gegebenen Moduls der vorliegenden Offenbarung kann auf mehrere Module, die über Schnittstellenschaltungen verbunden sind, verteilt sein. Zum Beispiel können mehrere Module einen Lastausgleich ermöglichen. Gemäß einem weiteren Beispiel kann ein Servermodul (auch als entferntes Modul oder Cloud-Modul bekannt) einige Funktionalität im Auftrag eines Client-Moduls ausführen.
Der Begriff Code, wie er oben verwendet ist, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode enthalten und kann sich auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen, Datenstrukturen und/oder Objekte beziehen. Der Begriff gemeinsam genutzte Prozessorschaltung umfasst eine einzelne Prozessorschaltung, die einen Teil des Codes oder allen Code von mehreren Modulen ausführt. Der Begriff Gruppenprozessorschaltung umfasst eine Prozessorschaltung, die einen Teil oder allen Code von einem oder von mehreren Modulen zusammen mit zusätzlichen Prozessorschaltungen ausführt. Bezugnahmen auf mehrere Prozessorschaltungen umfassen mehrere Prozessorschaltungen auf diskreten Chipplättchen, mehrere Prozessorschaltungen auf einem einzelnen Chipplättchen, mehrere Kerne einer einzelnen Prozessorschaltung, mehrere Threads einer einzelnen Prozessorschaltung oder eine Kombination der Obigen. Der Begriff gemeinsam genutzte Speicherschaltung umfasst eine einzelne Speicherschaltung, die einen Teil oder allen Code von mehreren Modulen speichert. Der Begriff Gruppenspeicherschaltung umfasst eine Speicherschaltung, die einen Teil oder allen Code von einem oder mehreren Modulen zusammen mit zusätzlichen Speichern speichert.
Der Begriff Speicherschaltung ist eine Teilmenge des Begriffs computerlesbares Medium. Der Begriff computerlesbares Medium, wie er hier verwendet ist, umfasst keine transitorischen elektrischen oder elektromagnetischen Signale, die sich (wie etwa in einer Trägerwelle) durch ein Medium ausbreiten; somit kann der Begriff computerlesbares Medium als konkret und nichttransitorisch angesehen werden. Nicht einschränkende Beispiele eines nichttransitorischen, konkreten computerlesbaren Mediums sind nichtflüchtige Speicherschaltungen (wie etwa eine Flash-Speicherschaltung, eine löschbare, programmierbarere Nur-Lese-Speicherschaltung oder eine Masken-Nur-Lese-Speicherschaltung), flüchtige Speicherschaltungen (wie etwa eine statische Schreib-Lese-Speicherschaltung oder eine dynamische Schreib-Lese-Speicherschaltung), magnetische Ablagespeichermedien (wie etwa ein analoges oder digitales Magnetband oder ein Festplattenlaufwerk) und optische Ablagespeichermedien (wie etwa eine CD, eine DVD oder eine Blu-Ray-Disc).
Die in dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können teilweise oder vollständig durch einen durch Konfigurieren eines Universalcomputers zum Ausführen einer oder mehrerer bestimmter Funktionen, die in Computerprogrammen verkörpert sind, erzeugten Spezialcomputer implementiert werden. Die Funktionsblöcke, Ablaufplankomponenten und anderen Elemente, die oben beschrieben sind, dienen als Softwarespezifikationen, die durch die Routinearbeit eines erfahrenen Technikers oder Programmierers in die Computerprogramme übersetzt werden können.
Die Computerprogramme enthalten durch einen Prozessor ausführbare Anweisungen, die in wenigstens einem nichttransitorischen, konkreten computerlesbaren Medium gespeichert sind. Außerdem können die Computerprogramme gespeicherte Daten enthalten oder sich auf sie stützen. Die Computerprogramme können ein Basis-Eingabe/Ausgabe-System (BIOS), das mit Hardware des Spezialcomputers zusammenwirkt, Vorrichtungstreiber, die mit bestimmten Vorrichtungen des Spezialcomputers zusammenwirken, ein oder mehrere Betriebssysteme, Benutzeranwendungen, Hintergrunddienste, Hintergrundanwendungen usw. umfassen.
Die Computerprogramme können enthalten: (i) beschreibenden Text, der zu parsen ist, wie etwa HTML (Hypertext Markup Language), XML (Extensible Markup Language) oder JSON (JavaScript Object Notation), (ii) Assemblercode, (iii) Objektcode, der durch einen Compiler aus Quellcode erzeugt wird, (iv) Quellcode zur Ausführung durch einen Interpreter, (v) Quellcode zur Compilierung und Ausführung durch einen Just-in-time-Compiler usw. Nur als Beispiele kann Quellcode unter Verwendung einer Syntax aus Sprachen einschließlich C, C++, C#, Objective-C, Swift, Haskell, Go, SQL, R, Lisp, Java®, Fortran, Perl, Pascal, Curl, OCaml, Javascript®, HTML5 (Hypertext Markup Language, 5. Revision), Ada, ASP (Active Server Pages), PHP (PHP: Hypertext-Präprozessor), Scala, Eiffel, Smalltalk, Erlang, Ruby, Flash®, Visual Basic®, Lua, MATLAB, SIMULINK und Python® geschrieben sein.

Claims

Batteriewartungssystem, das umfasst: ein Gehäuse, das eine Mehrzahl von Wänden enthält; eine Mehrzahl von Batteriezellen, die sich in dem Gehäuse befinden und die von einem Elektrolyten umgeben sind; und eine Elektrolytbewegungseinrichtung, die wenigstens an einer der Wände des Gehäuses befestigt ist, die dafür konfiguriert ist, den Elektrolyten wahlweise zu bewegen.
Batteriewartungssystem nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Batteriezellen Bleisäurebatteriezellen enthalten und wobei der Elektrolyt Schwefelsäure enthält.
Batteriewartungssystem nach Anspruch 1, wobei sich die Elektrolytbewegungseinrichtung an einer Außenoberfläche wenigstens einer der Mehrzahl von Wänden des Gehäuses befindet.
Batteriewartungssystem nach Anspruch 1, wobei sich die Elektrolytbewegungseinrichtung an einer Innenoberfläche wenigstens einer der Mehrzahl von Wänden des Gehäuses und in direktem Kontakt mit dem Elektrolyten befindet.
Batteriewartungssystem nach Anspruch 1, wobei die Elektrolytbewegungseinrichtung eine piezoelektrische Vorrichtung enthält.
Batteriewartungssystem nach Anspruch 1, wobei die Elektrolytbewegungseinrichtung einen piezoelektrischen Cantilever enthält.
Batteriewartungssystem nach Anspruch 1, wobei sich die Elektrolytbewegungseinrichtung an einer Außenoberfläche wenigstens einer der Mehrzahl von Wänden des Gehäuses befindet und ferner ein Energiedispersionsmaterial umfasst, das sich zwischen der Elektrolytbewegungseinrichtung und dem Elektrolyten befindet.
Batteriewartungssystem nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine Rückkopplungsvorrichtung, die an dem Gehäuse befestigt ist; und einen Controller, der dafür konfiguriert ist, die Elektrolytbewegungseinrichtung in Ansprechen auf die Rückkopplung von der Rückkopplungsvorrichtung zu regeln.
Batteriewartungssystem nach Anspruch 8, wobei die Elektrolytbewegungseinrichtung eine erste piezoelektrische Vorrichtung enthält und wobei die Rückkopplungsvorrichtung eine zweite piezoelektrische Vorrichtung enthält.
Batteriewartungssystem nach Anspruch 1, wobei die Elektrolytbewegungseinrichtung wenigstens in einer der Mehrzahl von Wänden, die sich zwischen benachbarten der Mehrzahl von Batteriezellen befinden, angeordnet ist.
Batteriewartungssystem nach Anspruch 1, das ferner eine Flyback-Schaltung umfasst, um für die Elektrolytbewegungseinrichtung wahlweise Leistung bereitzustellen.
Fahrzeugbatteriesystem, das umfasst: das Batteriewartungssystem nach Anspruch 1; und einen Controller, der dafür konfiguriert ist zu bestimmen, wann ein Fahrzeug für eine vorgegebene Zeitdauer nicht in Betrieb gewesen ist, und zu veranlassen, dass die Elektrolytbewegungseinrichtung den Elektrolyten nach der vorgegebenen Zeitdauer bewegt.
Fahrzeugbatteriesystem nach Anspruch 12, wobei der Controller ferner dafür konfiguriert ist zu veranlassen, dass an die Batterie Spannungsimpulse angelegt werden, während das Fahrzeug nicht in Betrieb ist.
Fahrzeugbatteriesystem nach Anspruch 12, wobei der Controller dafür konfiguriert ist zu verhindern, dass die Elektrolytbewegungseinrichtung den Elektrolyten nach der vorgegebenen Zeitdauer bewegt, falls ein Batterieladezustand niedriger als ein vorgegebener Ladezustand ist.
Fahrzeugbatteriesystem nach Anspruch 12, wobei der Controller dafür konfiguriert ist zu veranlassen, dass die Elektrolytbewegungseinrichtung den Elektrolyten innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer vor dem Starten des Fahrzeugs bewegt.
Fahrzeugbatteriesystem, das umfasst: ein Gehäuse, das eine Mehrzahl von Wänden enthält; eine Mehrzahl von Batteriezellen, die sich in dem Gehäuse befinden und die von einem Elektrolyten umgeben sind; eine Elektrolytbewegungseinrichtung, die wenigstens an einer der Wände des Gehäuses befestigt ist, die dafür konfiguriert ist, den Elektrolyten wahlweise zu bewegen; eine Ansteuerschaltung, die dafür konfiguriert ist, die Elektrolytbewegungseinrichtung wahlweise anzusteuern; und einen Controller, der dafür konfiguriert ist zu bestimmen, wann das Fahrzeug für eine vorgegebene Zeitdauer nicht betrieben worden ist, und wahlweise zu veranlassen, dass die Ansteuerschaltung die Elektrolytbewegungseinrichtung nach der vorgegebenen Zeitdauer ansteuert.
Fahrzeugbatteriesystem nach Anspruch 16, wobei der Controller dafür konfiguriert ist zu verhindern, dass die Elektrolytbewegungseinrichtung den Elektrolyten nach der vorgegebenen Zeitdauer bewegt, falls ein Batterieladezustand niedriger als ein vorgegebener Ladezustand ist.
Fahrzeugbatteriesystem nach Anspruch 16, wobei der Controller dafür konfiguriert ist zu veranlassen, dass die Elektrolytbewegungseinrichtung den Elektrolyten innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer vor dem Starten des Fahrzeugs bewegt.
Batteriewartungssystem, das umfasst: ein Gehäuse, das eine Mehrzahl von Wänden enthält; eine Mehrzahl von Batteriezellen, die sich in dem Gehäuse befinden und die von einem Elektrolyten umgeben sind; eine piezoelektrische Vorrichtung, die wenigstens an einer der Wände des Gehäuses befestigt ist, die dafür konfiguriert ist, den Elektrolyten wahlweise zu bewegen; eine Flyback-Schaltung, die dafür konfiguriert ist, die piezoelektrische Vorrichtung wahlweise anzusteuern; und einen Controller, der dafür konfiguriert ist, wahlweise zu veranlassen, dass die Flyback-Schaltung Leistung an die piezoelektrische Vorrichtung ausgibt.
Batteriewartungssystem nach Anspruch 19, wobei: die Mehrzahl von Batteriezellen Bleisäurebatteriezellen enthalten; der Elektrolyt Schwefelsäure enthält; und die piezoelektrische Vorrichtung einen piezoelektrischen Cantilever enthält.