WO2009007157A1

WO2009007157A1 - Batterieladevorrichtung

Info

Publication number: WO2009007157A1
Application number: PCT/EP2008/055805
Authority: WO
Inventors: Alexander Osswald; Cornelius Liebenow; Rainer Glauning
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2009-01-15
Also published as: DE102007034605A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieladevorrichtung mit einer Ladestromerzeugungseinrichtung (2) und einer Ladestromsteuerungseinrichtung (1). Um eine Batterieladevorrichtung zu schaffen, die sowohl Lithium-Ionen-Batterien eines ersten Typs als auch Lithium-Ionen-Batterien eines zweiten Typs laden kann, ist die Ladestromsteuerungseinrichtung (1) eingerichtet, einen ersten Batterietyp eines erstes Batteriepakt (3) zu erkennen, der Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Übergangsmetalloxids aufweist, und einen zweiten Batterietyp eines zweites Batteriepakets (3) zu erkennen, der Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Metallphosphats aufweist.Gleichzeitig ist die Ladestromerzeugungseinrichtung (2) eingerichtet, ein erstes Ladeverfahren anzuwenden, das für das erste Batteriepaket (3) geeignet ist, und ein zweites Ladeverfahren anzuwenden, das für das zweite Batteriepaket (3) geeignet ist.

Description

Bes chreibung

Titel

BATTERIELADEVORRICHTUNG

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieladevorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Batterieladeverfahren nach dem Patentanspruch 5.

Solche Batterieladevorrichtungen mit einer Ladestromerzeugungsein- richtung und einer Ladestromsteuerungseinrichtung sind aus dem

Stand der Technik bekannt. Diese Ladestromsteuerungseinrichtungen können Batteriepakete aus NiCd-Zellen und NiMH-Zellen erkennen, und die Batterieladevorrichtungen können sowohl NiCd-Zellen als auch NiMH-Zellen laden.

Ein Nachteil liegt darin, daß solche Batterieladevorrichtungen nicht geeignet sind, Batteriepakete eines ersten Typs, der Lithium- Ionen-Zellen auf Basis eines Übergangsmetalloxids aufweist, oder Batteriepakete eines zweiten Typs, der Lithium-Ionen-Zellen auf Ba- sis eines Metallphosphats aufweist, zu laden. Außerdem sind solche Batterieladevorrichtungen erst recht nicht geeignet, sowohl Batterien des ersten Typs und als auch Batterien des zweiten Typs zu laden .

Offenbarung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterieladevorrichtung zu schaffen, die sowohl Lithium-Ionen-Batterien des ersten Typs als auch Lithium-Ionen-Batterien des zweiten Typs laden kann. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Batterieladevorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieladevorrichtung mit einer Ladestromerzeugungseinrichtung und einer Ladestromsteuerungseinrichtung, wobei die Ladestromsteuerungseinrichtung eingerichtet ist, einen ersten Batterietyp eines erstes Batteriepaktes zu erkennen, der Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Übergangsmetalloxids aufweist, und einen zweiten Batterietyp eines zweites Batteriepakets zu erkennen, der Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Metallphosphats aufweisen, und wobei die Ladestromerzeugungseinrichtung eingerichtet ist, ein erstes Ladeverfahren anzuwenden, das für das erste Batteriepaket geeignet ist, und ein zweites Ladeverfahren an- zuwenden, das für das zweite Batteriepaket geeignet ist.

Vorteilhafterweise können vielerlei neuartige Batterietechnologien mit nur einer Ladevorrichtung geladen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird für das erste Ladeverfahren ein Strom verwendet, dessen Wert angegeben in Ampere nicht größer als ein Wert ist, der einer Batteriepaketkapazität in Ah multipliziert mit einem Faktor 0,4 entspricht, und wird eine Spannung verwendet, die nicht größer als ein Wert ist, der einer Anzahl der in Serie geschalteten Batterien multipliziert mit 4,25 V entspricht .

Vorteilhafterweise wird eine zu starke Erwärmung des Batteriepakets vermieden .

In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform wird für das erste Ladeverfahren ein Strom verwendet, dessen Wert in Ampere nicht größer als ein Wert ist, der einer Batteriepaketkapazität in Ah multipliziert mit einem Faktor 4 entspricht, und wird eine Span- nung verwendet, die nicht größer als ein Wert ist, der einer Anzahl der in Serie geschalteten Zellen multipliziert mit 4,25 V entspricht . Vorteilhafterweise kann das Batteriepaket schnell aufgeladen werden, ohne daß es sich übermäßig erwärmt.

In noch einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ladestromsteuerungseinrichtung eingerichtet, einen dritten Batterietyp eines dritten Batteriepakets zu erkennen, und ist die Ladestromerzeugungseinrichtung eingerichtet, ein drittes Ladeverfahren anzuwenden, das für das dritte Batteriepaket geeignet ist.

Vorteilhafterweise können nicht nur Lithium-Ionen-Batterien sondern auch weitere Arten von Batterien geladen werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Batterieladeverfahren für eine Batterieladevorrichtung, die eine Ladestromerzeugungseinrichtung und eine Ladestromsteuerungseinrichtung aufweist, mit den folgenden Schritten: Erkennen eines ersten Batterietyps eines ersten Batteriepakets mittels der Ladestromsteuerungseinrichtung, wobei der erste Batterietyp Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Über- gangsmetalloxids aufweist; Laden des ersten Batteriepakets nach einem ersten Ladeverfahren mittels der Ladestromerzeugungseinrichtung, wobei das erste Ladeverfahren für den ersten Batterietyp geeignet ist; Erkennen eines zweiten Batterietyps eines zweiten Batteriepakets mittels der Ladestromsteuerungseinrichtung, wobei der zweite Batterietyp Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Metallphosphats aufweist; und Laden des zweiten Batteriepakets nach einem zweiten Ladeverfahren mittels der Ladestromerzeugungseinrichtung, wobei das zweite Ladeverfahren für den zweiten Batterietyp geeignet ist. Dabei ist es ohne Bedeutung, ob das erste Batteriepaket oder das zweite Batteriepaket zuerst geladen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

FIG. 1 eine schematische Darstellung einer Ladevorrichtung; FIG. 2 ein Flußdiagramm eines Ladeverfahrens;

FIG. 3A einen Spannungs- und Stromverlauf zum Laden von einem Batteriepaket, das Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Übergangsmetalloxids aufweist; FIG. 3B einen alternativen Spannungs- und Stromverlauf zum Laden von einem Batteriepaket, das Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Übergangsmetalloxids aufweist;

FIG. 4A einen Spannungs- und Stromverlauf zum Laden von einem Batteriepaket, das Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Me- tallphosphats aufweist; und

FIG. 4B einen alternativen Spannungs- und Stromverlauf zum Laden von einem Batteriepaket, das Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Metallphosphats aufweist.

Ausführungsformen der Erfindung

FIG. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladevorrichtung. Die Ladevorrichtung umfaßt eine Ladestromsteuerungseinrichtung 1 und eine Ladestromerzeugungseinrichtung 2. Die Batterieladevorrich- tung dient dazu, ein Batteriepaket 3 zu laden, welches vier in Reihe geschaltete Batteriezellen 9 und einen Codespeicher 8, der als ROM in Form eines digitalen Datenspeichers oder eines auslesbaren Widerstands mit definiertem Widerstandswert ausgebildet ist, umfaßt. Die Batteriezellen 9 sind allgemein irgendwelche Sekundärzel- len, die nach der Entladung wieder aufgeladen werden können und sind irgendwelche bekannte Zellen wie NiCd-Zellen, NiMH-Zellen, Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Übergangsmetalloxids oder von Übergangsmetalloxiden wie Kobalt-, Nickel-, Mangan-, Aluminiumoxid (erster Batterietyp) , oder Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Me- tallphosphats oder von Metallphosphaten wie Eisenphosphat, Manganphosphat (zweiter Batterietyp) . Das Batteriepaket 3 kann zusätzlich eine Temperaturmeßeinrichtung aufweisen, so daß ein Ladevorgang abhängig von der Temperatur des Batteriepakets 3 ausgeführt werden kann und unterbrochen werden kann, wenn die Temperatur des Batte- riepakets 3 eine bestimmte Temperatur überschreitet. Die Ladestromsteuerungseinrichtung 2 umfaßt eine Codespeicherleseeinrichtung 5, die als ROM-Leser ausgebildet ist, eine Ladeverfahrenaus- wahleinrichtung 4, einen Ladeverfahrenspeicher 7 und eine Lade- stromansteuerungseinrichtung 6.

FIG. 2 zeigt ein Flußdiagramm eines Ladeverfahrens, welches von der Ladevorrichtung aus FIG. 1 durchgeführt wird. Wenn das Batteriepaket 3 in der Ladevorrichtung eingesetzt ist, liest der ROM-Leser 5 einen Code des ROM-Speichers (Schritt Sl), der zumindest angibt, um welchen Batterietyp es sich handelt und wie viele Batteriezellen parallel und/oder in Serie geschaltet sind, und noch weitere Anga- ben enthalten kann, und übermittelt den gelesenen Code an die Ladeverfahrenauswahleinrichtung 4. Die Ladeverfahrenauswahleinrichtung 4 greift auf den Ladeverfahrenspeicher 7 zu, in dem gespeichert ist, welches Ladeverfahren zu welchem Code gehört, und weist dann abhängig vom Code und somit von dem Batterietyp die Ladestroman- Steuerungseinrichtung 6 an, die Ladestromerzeugungseinrichtung 2 auf eine gewisse Weise anzusteuern, so daß diese ein bestimmtes geeignetes Ladestromverfahren anwendet (Schritt S2). Die Ladestromerzeugungseinrichtung 2 erzeugt dann einen geeigneten Ladestrom oder eine geeignete Ladespannung zum Laden des Batteriepakets 3 (Schritt S3) . Diese Eignung hängt vom Batterietyp des eingesetzten Batteriepakets und somit von den Werkstoffen ab, auf denen die Batteriezellen basieren. Während eine Größe (Ladestrom oder Ladespannung) durch das Ladeverfahren festgelegt wird, wird die andere Größe gemessen und von der Ladestromerzeugungseinrichtung 2 der Lade- Stromsteuerungseinrichtung 1 mitgeteilt, die abhängig von dem anderen gemessenen Größe die festgelegte Größe verändert. Zum Laden eines weiteren Batteriepakets wird das eingesetzte Batteriepaket zunächst aus der Ladevorrichtung entfernt. Dann wird die weitere Batterie in die Ladevorrichtung eingesetzt und werden die Schritte Sl, S2 und S3 für das weitere Batteriepaket durchgeführt. Dabei kann das eingesetzte Batteriepaket vom ersten Batterietyp sein und kann das weitere Batteriepaket vom zweiten Batterietyp sein oder umgekehrt. Die Batteriepakete können auch einen anderen Batterietyp haben. Eine unbegrenzte Anzahl von Batteriepaketen können so nachein- ander geladen werden. Wenn die Ladevorrichtung in einem elektrischen Gerät fest eingebaut ist, kann auch nur immer das gleiche Batteriepaket geladen werden, denn die Ladevorrichtung muß nicht den Vorgang des Einsetzens selbst erkennen, sondern nur das eingesetzte Batteriepaket und kann den Ladevorgang, der mit dem Erkennen des Batterietyps beginnt, zum Beispiel immer dann initialisieren, wenn das eingesetzte Batteriepaket offensichtlich unzureichend ge- laden ist.

Im Folgenden werden Ladeverfahren für den ersten und den zweiten Batterietyp beschrieben. Zusätzlich kann die Ladevorrichtung auch eingerichtet sein, irgendwelche weiteren aus dem Stand der Technik bekannte Ladeverfahren für andere Batterietypen durchzuführen.

FIG. 3A zeigt einen Spannungs- und Stromverlauf zum Laden von einem Batteriepaket, das Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Übergangsmetalloxids aufweist (erster Batterietyp) . Das Batteriepaket wird zunächst mit einem konstanten vorgegebenen Strom I = Imax geladen, bis die Spannung einen vorgegebenen Wert U = Umax erreicht. Als I- max wird typischerweise ein Strom in Ampere verwendet, der sich durch Multiplikation der Batteriepaketkapazität in Ah mit dem Faktor 0,1 bis 0,4 ergibt. Bei einer Batteriepaketkapazität von 2Ah und einem Faktor von 0,4 ergibt sich ein Strom Imax von 0,8A. Die maximale Ladespannung Umax ergibt sich dabei aus der Anzahl der in Serie geschalteten Batteriezellen multipliziert mit einem Spannungswert zwischen 4,05 V und 4,25 V abhängig von der Art der verwendeten Li-Ionenzellen auf Basis von Übergangsmetalloxiden. Für vier in Serie geschaltete Batteriezellen gilt somit Umax = 16,20 - 17,00 V. Nachdem die Spannung den vorgegebenen Wert U = Umax erreicht hat, wird der Strom kontinuierlich verringert, so daß die Spannung bei dem vorgegebenen Wert U = Umax beibehalten wird. Sobald der Strom den Wert I = 0,2 Imax unterschreitet, wird der Lade- Vorgang beendet. Allgemein wird der Ladevorgang für einen Strom beendet, der im Bereich von 0,01 - 0,8 Imax liegt. Alternativ kann das Ladeverfahren auch nach einer Zeit beendet werden, die aus dem Produkt von einer Stunde und dem Quotienten aus Batteriepaketkapazität / Imax multipliziert mit einem Faktor 1,5 bis 3 ergibt.

FIG. 3B zeigt einen alternativen Spannungs- und Stromverlauf zum Laden von einem Batteriepaket, das Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Übergangsmetalloxids aufweist (erster Batterietyp) . Das alternative Ladeverfahren unterscheidet sich dadurch, daß das Batteriepaket zunächst mit dem konstanten vorgegebenen Strom I = Imax geladen wird, der dann kontinuierlich verringert wird, während die Spannung ansteigt. Wenn die Spannung den vorgegebenen Wert U = Umax erreicht, wird der Ladevorgang beendet.

FIG. 4A zeigt einen Spannungs- und Stromverlauf zum Laden von einem Batteriepaket, das Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Metallphos- phats aufweist (zweiter Batterietyp) . Das Batteriepaket wird zunächst mit einem konstanten vorgegebenen Strom I = Imax geladen, bis die Spannung einen vorgegebenen Wert U = Umax erreicht. Als I- max wird typischerweise ein Strom in Ampere verwendet, der sich durch Multiplikation der Batteriepaketkapazität in Ah mit dem Fak- tor 0,3 bis 5 ergibt. Die maximale Ladespannung Umax ergibt sich dabei aus der Anzahl der in Serie geschalteten Batteriezellen multipliziert mit einem Spannungswert zwischen 3, 6 V und 4,1 V abhängig von dem oder den verwendeten Metallphosphaten. Nachdem die Spannung den vorgegebenen Wert U = Umax erreicht hat, wird der La- devorgang beendet.

FIG. 4B zeigt einen alternativen Spannungs- und Stromverlauf zum Laden von einem Batteriepaket, das Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Metallphosphats aufweist (zweiter Batterietyp) . Das Batterie- paket wird zunächst mit einem konstanten vorgegebenen Strom I = I- max geladen, bis die Spannung einen vorgegebenen Wert U = Umax ereicht. Das alternative Ladeverfahren unterscheidet sich dadurch, daß, nachdem die Spannung den vorgegebenen Wert U = Umax erreicht hat, der Strom abrupt auf einen kleineren Wert verringert wird, der dann konstant beibehalten wird, bis die Spannung wieder den vorgegebenen Wert U = Umax erreicht. Nachdem die Spannung den vorgegebenen Wert U = Umax erreicht hat, wird der Strom wieder abrupt auf einen noch kleineren Wert verringert, der dann konstant beibehalten wird, bis die Spannung wieder den vorgegebenen Wert U = Umax er- reicht. So geht es weiter, bis schließlich der Strom einen Wert hat, der gerade noch über 1=0,2 Imax liegt und der konstant beibehalten wird, bis die Spannung den vorgegebenen Wert U = Umax er- reicht hat. Nachdem die Spannung den vorgegebenen Wert U = Umax erreicht hat, wird der Strom abrupt auf I = O verringert, und wird der Ladevorgang beendet.

Claims

Ansprüche

1. Batterieladevorrichtung mit einer Ladestromerzeugungseinrichtung (2) und einer Ladestromsteuerungseinrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Ladestromsteuerungseinrichtung (1) eingerichtet ist, einen ersten Batterietyp eines erstes Batteriepakt (3) zu erkennen, der Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Übergangsmetall- oxids aufweist, und einen zweiten Batterietyp eines zweites Batteriepakets (3) zu erkennen, der Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Metallphosphats aufweist, und daß die Ladestromerzeugungseinrichtung (2) eingerichtet ist, ein erstes Ladeverfahren anzuwenden, das für das erste Batteriepaket (3) geeignet ist, und ein zweites Lade- verfahren anzuwenden, das für das zweite Batteriepaket (3) geeignet ist.

2. Batterieladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das erste Ladeverfahren ein Strom verwendet wird, dessen Wert in Ampere nicht größer ist als der Wert, der einer Batteriepaketkapazität in Ah multipliziert mit einem Faktor 0,4 und eine Spannung verwendet wird, die nicht größer als ein Wert ist, der einer Anzahl in Serie geschalteter Batterien (7) multipliziert mit 4, 25 V entspricht.

3. Batterieladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das erste Ladeverfahren ein Strom verwendet wird, dessen Wert in Ampere nicht größer als ein Wert einer Batteriepaketkapazität in Ah multipliziert mit einem Faktor 4 und eine Spannung ver- wendet wird, die nicht größer als ein Wert ist, der einer Anzahl in Serie geschalteter Zellen (7) multipliziert mit 4,25 V entspricht.

4. Batterieladevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladestromsteuerungseinrichtung (1) eingerichtet ist, einen dritten Batterietyp eines dritten Batteriepakets (3) zu erkennen, und daß die Ladestromerzeugungseinrichtung (2) eingerichtet ist, ein drittes Ladeverfahren anzuwenden, das für das dritte Batteriepaket (3) geeignet ist.

5. Batterieladeverfahren für eine Batterieladevorrichtung, die eine Ladestromerzeugungseinrichtung (2) und eine Ladestromsteuerungseinrichtung (1) aufweist, mit den folgenden Schritten:

- Erkennen eines ersten Batterietyps eines ersten Batteriepakets

(3) mittels der Ladestromsteuerungseinrichtung (1), wobei der erste Batterietyp Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Übergangsmetall- oxids aufweist;

- Laden des ersten Batteriepakets (3) nach einem ersten Ladeverfahren mittels der Ladestromerzeugungseinrichtung (2), wobei das erste Ladeverfahren für den ersten Batterietyp geeignet ist;

- Erkennen eines zweiten Batterietyps eines zweiten Batteriepakets (3) mittels der Ladestromsteuerungseinrichtung (1), wobei der zweite Batterietyp Lithium-Ionen-Zellen auf Basis eines Metallphosphats aufweist; und

- Laden des zweiten Batteriepakets (3) nach einem zweiten Ladeverfahren mittels der Ladestromerzeugungseinrichtung (2), wobei das zweite Ladeverfahren für den zweiten Batterietyp geeignet ist.