WO2009026909A2 - Verfahren zum laden einer batterie - Google Patents

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WO2009026909A2
WO2009026909A2 PCT/DE2008/001418 DE2008001418W WO2009026909A2 WO 2009026909 A2 WO2009026909 A2 WO 2009026909A2 DE 2008001418 W DE2008001418 W DE 2008001418W WO 2009026909 A2 WO2009026909 A2 WO 2009026909A2
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battery
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pulse
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Manfred Gelbke
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Akkumulatorenfabrik Moll Gmbh + Co. Kg
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Audi Ag
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for charging a battery, wherein a charging current causing the charging of the battery is brought at least temporarily to a pulsating course and wherein the charging current during the pulsating course is defined by pulse strength, pulse length and pulse frequency.
  • batteries such as vehicle on-board systems
  • load peaks to be able to cover exploited.
  • the battery also serves to switch off the charging source - for example, in on-board networks of parked vehicles - as an energy source that supplies consumers in the electrical system.
  • the battery capacity is rapidly decreasing as the battery is incompletely charged with the existing circuitry.
  • the reason for this is that the battery forms a counter voltage during charging and thus limits the flowing charging current at a charging voltage fixedly determined by the charging system.
  • the structure of the reverse voltage depends on the battery condition, the flowing charging current and the temperature.
  • the choice of the limit value of the charging voltage in a charging circuit always represents a compromise between too high a charge of the battery and too low a charging voltage. Too much charge causes electrolyte decomposition, increased maintenance and corrosion of the electrodes, while too low a charging voltage, a deficiency charge and acid stratification pulls.
  • Classic charging circuits in electrical systems have a fixed charge voltage for the generator. Occasionally, a temperature dependence of the negative voltage of the battery is taken into account by the charging voltage is increased in dependence of the temperature (for example, in DE 40 13 619 A1).
  • a corresponding device should be specified.
  • the above object is achieved by the features of claim 1.
  • the method in question is characterized in that the state of the battery is determined by determining state variables that, depending on the state variables, parameters of the charging state. be set, wherein the parameters include the pulse width of the charging current, and that inhibited by the charging current during the pulsating process, a buildup of acid stratification and / or an acid stratification is reduced.
  • the device for charging a battery using the method according to the invention is equipped with a first control unit for determining state variables, a second control unit for determining parameters of the charging process and a current source for generating a charging current for the battery, wherein the first control unit for transmitting State variables is connected to the second control unit and wherein the second control unit is connected to the transmission of control signals to the power source.
  • a pulsating charging current is particularly effective for inhibiting the build-up of acid stratification, for preventing or for reducing an already existing acid stratification.
  • the charging current with period lengths is preferably increased in the minute range.
  • the pulse current should only be selected as high as necessary. It is therefore necessary according to the invention to be able to reliably set parameters of the charging process and, in particular, the pulse strength in this case.
  • the setting of parameters of the charging process can be carried out particularly reliably when the state of the battery is at least partially known and is used when setting the parameters. Therefore, the state of the battery is first determined by determining state quantities.
  • a determination of state variables can take place on the one hand by a direct measurement of the state variables. Here, for example, the terminal voltage or the charging current to call.
  • state variables from measurable variables and / or their temporal Course can be calculated or estimated. This is necessary in particular for internal state variables such as, for example, the degree of acid stratification, since this can not be measured externally without great effort.
  • Which method is used to determine the state variables will generally depend on the respective state variable, the accuracy with which the state variable is to be determined, and further boundary conditions.
  • one or more parameters of the charging process are set in such a way that a structure of acid stratification is inhibited, prevented or already existing acid stratification is reduced.
  • the effect of the pulses is due to the exceeding of the gassing voltage.
  • a generation of gas bubbles in the lower part of the cell, which cause an increase and mixing of the electrolyte, is the cause of the stratification.
  • a minimum voltage is required to achieve a sufficient rate of gas formation.
  • condition sizes will change as charging progresses. For example, the temperature of the battery will change significantly after a cold start of a vehicle during operation. Even if the battery is charged by a charger outside the vehicle, individual state variables can change unexpectedly. Therefore, preferably, the state variables are continuously updated.
  • the frequency with which a renewed determination of state variables is triggered will depend on various boundary conditions. Thus, with individual state variables a faster change is to be expected, which will be reflected in a more frequent update of the state variable. Other slowly changing state variables need to be updated less frequently. Different update rates can be used for different state variables. With changing state variables, the parameters of the charging process could also be continuously corrected. With the presence of new state variables, it can be decided again and again to what extent parameters of the charging process are corrected. Thus, it is possible, for example, that acid stratification is already degraded relatively strongly and therefore the pulse strength of the charging current could be reduced.
  • the pulse length and the pulse frequency could additionally be predetermined by the charging method.
  • the simplest way to have a pulse is a rectangular path.
  • the pulse length t then designates the period of time during which the charging current is raised accordingly.
  • the pulse length is in the range of one minute to eight minutes. Depending on the battery used or other boundary conditions, pulse lengths outside this range may also make sense.
  • Pulse rate is the frequency with which a new pulse is started. The pulse frequency is thus the reciprocal of the time between rising edges of two successive pulses, hereinafter referred to as the pulse duration.
  • the pulses can also assume any courses, such as, for example, periodically repeating, staircase-like courses.
  • the choice of curves could also be controlled as a parameter of the charging process.
  • Another parameter of the charging process could be the beginning of the pulse operation and the end of the pulse operation. For example, these parameters could be changed depending on the presence of acid stratification. If the acid stratification exceeds a specified limit value, pulsed operation could be started. However, if acid stratification is largely eliminated, pulsed operation could be terminated. However, the parameters can also be specified according to fixed time specifications or based on other state variables, such as the state of charge of the battery.
  • the battery is charged in a current or power controlled main charge phase (I-phase) followed by a voltage-limited phase (U-phase).
  • I-phase current or power controlled main charge phase
  • U-phase voltage-limited phase
  • a pulse operation can take place.
  • pulse operation in the I phase reliably prevents or at least inhibits the buildup of acid stratification and that pulse operation in the U phase leads to effective degradation of acid stratification.
  • the intensity of the charging current in the I-phase can be set. High charging currents increase the acid stratification, while low charging currents significantly increase the charging time. To achieve efficient charging of the battery, therefore, the magnitude of the charging current in the I-phase can be specified.
  • the limit voltage can be used, on which the clamping voltage is kept in the U-phase.
  • Another parameter of the charging process could be formed by a terminal voltage, when it is reached from the I-phase to the U-phase is changed. This increases the amount of charge charged in the I-phase, which accelerates the charging process. However, the increased stress leads to increased formation of acid stratification and increased stress on the battery.
  • the degree of acid stratification could be used.
  • the magnitude of a charging voltage and / or the magnitude of the charging current in the main charging phase could be used as a state variable.
  • High charging currents in the main charging phase reduce the amount of current charged to the voltage limit and increase the acid stratification. In this case, a disproportionate relationship between the increase of the charging current and the reduction of the time to reach the voltage limit can be seen.
  • Low charging voltages increase acid stratification.
  • the state quantity could be the depth of the previous discharge of the battery. With increasing degree of discharge, the amount of current charged until the voltage limitation is reached and the acid stratification that builds up are greater. The higher the depth of discharge, the stronger the structure of the acid coating in the I-phase of the charge.
  • Another state variable, depending on which parameters of the charging process can be set, could be the temperature of the battery.
  • the temperature is particularly reflected in the effect that the effectiveness of the acid stratification measures depends on the temperature.
  • the operating temperature of the battery is lowered, the current limitation is achieved even at lower charge levels. The lower the temperature, the more effectively the acid stratification can be counteracted by means of pulses.
  • the aging state of the battery could be used as a state variable.
  • the current state of charge of the battery could be used as a state magnifier. This is of particular interest when an already started charging process has been aborted. This may occur, for example, during a charging during ongoing operation of a vehicle when the vehicle is parked before reaching the maximum charge. The state of charge is reflected in the acid stratification and other state variables.
  • a consumption of water in the battery could be used to control the parameters of the charging process. If the amount of the electrolyte is reduced, current should be avoided as far as possible, which causes increased water consumption. In this respect, depending on a water consumption, the maximum strength of the charging current can be specified.
  • the entire charging process is operated so that an optimization between the charging time and the amount of charged into the battery charge on the one hand and wear of the battery on the other hand is achieved. For example, high charging currents reduce the charging time within certain limits, but also increase the wear on the battery. In particular, the consumption of water and corrosion of the electrodes should be mentioned here. On the other hand, particularly gentle charging operations can be achieved with very little wear only at the expense of a high charging time. Both can not be accepted for cost and efficiency reasons. Therefore, an optimization is preferably performed in this regard.
  • a device for charging a battery comprises a first control unit with which the determination of the state variables is carried out.
  • Various state-of-the-art methods can be used to determine the state variables.
  • the first control unit data could be provided by sensors, in particular data on the terminal voltage, the current in the lines to the battery and the temperature of the battery.
  • the first control unit could additionally have memory in which the temporal course of the measured data of the sensors is stored in order to use this in the determination of state variables.
  • the first control unit has a digital computing unit that performs necessary calculations.
  • the first control unit is connected to a second control unit. Via this connection, the first control unit sends the determined state variables to the second control unit. The second control unit then determines the parameters of the charging process with the aid of the individual state variables, which lead to the most effective possible charging of the battery with simultaneously low acid stratification.
  • the second control unit in turn generates control signals to a power source, which finally provides the charging current for the battery.
  • the current source could be formed by a generator, but can also be realized by other controllable current sources, such as DC / DC converters.
  • a control device can be arranged, which regulates the charging current supplied by the power source, which impresses the battery becomes.
  • a further device could be provided which prevents impairment of the electrical system of the vehicle by the pulses of the charging current.
  • the load on the battery and the degree of power reduction as well as the formation of acid stratification are monitored by a battery monitoring system.
  • the state determination generates via an algorithm that operates in a control unit, switching signals that are transmitted to a second control unit or the generator and thus lead to a pulse of the charging current.
  • There are known a number of circuits which allow this with limited influence on the consumers in the electrical system for example AT 502496).
  • pulse height and duration are not fixed, but are specified by the battery stress and the state evaluating control unit.
  • the control unit monitors the water consumption of the battery during battery monitoring and optimizes between stratification regeneration / elimination and electrolyte consumption.
  • the degree of acid stratification for example according to DE 10 2005 062 150 A1
  • the battery condition for example according to DE 10 2005 062 148 A1
  • the success of the loading treatment can be controlled by demand-controlled pulse charges.
  • 1 is a diagram with an exemplary course of a charging current over time
  • FIG. 2 shows a diagram with a profile of the terminal voltage of a battery, the charging current and the charge quantity charged into the battery, the charging current being pulsed in the U phase,
  • FIG. 3 shows a diagram with curves of the acid density SD in a charging curve according to FIG. 2 as a function of the time and the immersion depth in the cell, FIG.
  • FIG. 4 is a diagram similar to FIG. 2, wherein the charging current and the pulse strength are increased compared to FIG. 2, FIG.
  • FIG. 5 shows a diagram with curves of the acid density SD in a charging process according to FIG. 4 as a function of the time and the immersion depth, FIG.
  • Fig. 6 is a diagram similar to Figures 2 or 4, wherein the charging current is pulsed in both the I-phase and the U-phase, and 7 shows a diagram with curves of the acid density SD in a charging process according to FIG. 6 as a function of the time and the immersion depth.
  • a first constant charging current I 0 flows until the time t b for charging in the battery.
  • the charging current I 0 can assume any value not equal to 0, but in principle also equal to 0.
  • pulse operation begins, in which a periodic rectangular pulse is added to the current intensity I 0 .
  • a section of the periodically repeating pulses is shown in the middle of the diagram. The rising edges of the pulses repeat themselves after a pulse duration T p .
  • the pulses have a pulse length of t ,, followed by a pause with current I 0 .
  • the time t ⁇ ends the pulse operation and it is again the constant charging current I 0 in the battery.
  • the pulse duration T p , the pulse length t "of the pulse start t b , the pulse end t e , the pulse strength I p and the current intensity I 0 can now serve as parameters of the charging process, the latter also being able to be changed in the different charging phases.
  • Fig. 2 is a graph showing the waveform of the voltage, the charging current and the charged charge amount.
  • the battery is charged with a constant charging current of 33 A.
  • the I-phase ends and it is switched to the U-phase.
  • the pulse operation is started, with a pulse strength of 5 A is used.
  • Fig. 3 shows the course of the acid density in different heights of the battery.
  • the uppermost curve marked by a rhombus shows the course of the acid density at the cell bottom (100% depth), while the lowest, marked with a square curve reflects the curve at the upper edge of the electrolyte (0% depth).
  • a constant acid density is observed across the entire battery. This varies only in the range of 1.05 to 1.057 kg / l.
  • the pulse charge reduces the acid density difference from 0.232 kg / l to 0.177 kg / l.
  • a reduction of acid stratification is possible only to a small extent.
  • Fig. 4 shows another charging process in which a higher charging current and a higher pulse strength are used.
  • the top curve shown in FIG. 4, in the lower time range, represents the charging current. This is kept constant at 66 A in the I-phase of the charge. Thereafter, it is changed to the U phase, in which the charging current drops continuously. After about 1.75 h, the pulse charge begins with a pulse strength of likewise 66 A and a pulse length of 2 min. The current is then reduced to 15 A for 2 min and to 3 A for a further 2 min. Thus, the charging current in the pulse phase shows no rectangular shape, but is staircase-like reduced to a minimum charging current of 3 A. The pulse duration is thus 6 min.
  • the terminal voltage increases continuously until the changeover time between I and U phase and is initially kept constant in the U phase. In the pulse phase, the voltage also assumes a pulsating course.
  • the third curve shown in FIG. 4 shows the course of the charge amount charged into the battery. As can be clearly seen, the higher charge current reduces the amount of charge invited in the I-phase considerably. At the switchover time just under 50% of the charge quantity is loaded into the battery. However, the entire charging time is considerably reduced. After less than 3 hours, the full capacity of the battery is reached.
  • Fig. 5 shows the course of the acid density as a function of the height in the battery.
  • the initially more or less constant acid density along the height widens in the course of the charge considerably.
  • a significant acid stratification has set and at least a density difference of 0.213 kg / l formed.
  • this difference is reduced very rapidly and is almost completely eliminated after just a few pulses.
  • FIG. 6 and 7 show a further charging process in which the charging current assumes a pulsating course both in the I-phase and in the U-phase of the charge.
  • the middle curve to be recognized in the lower time range in FIG. 6 shows the terminal voltage of the battery, which starts at approx. 12 V and assumes a pulsating course similar to the current in the I-phase.
  • the voltage After switching to the U phase, the voltage initially assumes a constant value of 14 V and then begins to pulse at the beginning of the renewed pulsed operation.
  • the voltage for each pulse briefly increases to up to 17.5 V at the end of the charging time. In the pauses between pulses, a voltage of 14 V is assumed.
  • the third curve shown in FIG. 6 shows the course of the charge amount charged into the battery. This increases in a staircase shape between 0 and 1, 6 h and finally increases in the U phase to just over 100 Ah.
  • FIG. 7 again shows a family of curves of the acid densities at different heights in the battery.
  • the initially more or less constant acid density across the battery expands during the I phase to a difference of 0.170 kg / l.
  • the fanning has been reduced.
  • a pulse in the U-phase acts much more effectively on the acid stratification.
  • the acid stratification has increased to a difference of 0.201 kg / l. ßert.
  • the acid stratification is reduced slowly but steadily and has essentially reduced until the end of the charging process after 9 hours.

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Abstract

Ein Verfahren zum Laden einer Batterie, wobei ein das Laden der Batterie bewirkender Ladestrom zumindest zeitweise auf einen pulsierenden Verlauf gebracht wird und wobei der Ladestrom während des pulsierenden Verlaufs durch Pulsstärke, Pulslänge und Pulsfrequenz definiert wird, ist im Hinblick auf einen möglichst effektiven Ladevorgang, bei dem sich Säureschichtung nur in geringem Maße ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand der Batterie durch Bestimmung von Zustandsgrößen ermittelt wird, dass in Abhängigkeit der Zustandsgrößen Parameter des Ladevorgangs eingestellt werden, wobei die Parameter die Pulsstärke des Ladestroms umfassen, und dass durch den Ladestrom während des pulsierenden Verlaufs ein Aufbau einer Säureschichtung gehemmt und/oder eine Säureschichtung abgebaut wird. Eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie unter Nutzung des Verfahrens ist angegeben.

Description

VERFAHREN ZUM LADEN EINER BATTERIE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie, wobei ein das Laden der Batterie bewirkender Ladestrom zumindest zeitweise auf einen pulsierenden Verlauf gebracht wird und wobei der Ladestrom während des pulsierenden Verlaufs durch Pulsstärke, Pulslänge und Pulsfrequenz definiert wird.
In vielen Anwendungen werden Batterien, wie beispielsweise in Bordnetzen von Fahrzeugen, im Puffer- oder Bereitschaftsparallelbetrieb parallel zu Lasten betrieben. Oft wird dabei die Eigenschaft der Batterie, Lastspitzen abdecken zu können, ausgenutzt. Vielfach dient die Batterie aber auch bei Abschaltung der Ladequelle - beispielsweise in Bordnetzen von abgestellten Fahrzeugen - als Energiequelle, die Verbraucher im Bordnetz versorgt.
Wegen der Parallelschaltung von Verbrauchern und Batterie werden Batterien in Netzen häufig nach Kennlinien geladen, bei denen einem Stromstärke- oder leistungsgeregelten Teil der Kennlinie (I-Phase) ein spannungsbegrenzter Teil (U- Phase) folgt. In der U-Phase fällt der Ladestrom, der für die Batterie zur Verfügung steht, mit der Zeit kontinuierlich.
In Anwendungen, bei denen die Batterie als Energiequelle genutzt wird (zyklische Nutzung der Batterie), ist zu beobachten, dass die Batteriekapazität rasch abnimmt, da die Batterie mit der vorhandenen Schaltung unvollständig geladen wird. Die Ursache hierfür liegt darin, dass die Batterie bei der Ladung eine Gegenspannung ausbildet und so bei einer vom Ladesystem fest vorgegebenen Ladespannung den fließenden Ladestrom begrenzt. Der Aufbau der Gegenspannung ist vom Batteriezustand, vom fließenden Ladestrom und von der Temperatur abhängig.
Die Wahl des Grenzwerts der Ladespannung in einer Ladeschaltung stellt stets einen Kompromiss zwischen einer zu starken Ladung der Batterie und einer zu geringen Ladespannung dar. Eine zu starke Ladung bewirkt Elektrolytzersetzung, erhöhten Wartungsbedarf und Korrosion der Elektroden, während eine zu geringe Ladespannung eine Mangelladung und Säureschichtung nach sich zieht. Klassische Ladeschaltungen in Bordnetzen haben eine für den Generator fest vorgegebene Ladespannung. Gelegentlich wird eine Temperaturabhängigkeit der Gegenspannung der Batterie berücksichtigt, indem die Ladespannung in Abhängigkeit der Temperatur angehoben wird (beispielsweise in der DE 40 13 619 A1). Bekannt ist ferner die Ansteuerung des Generators über eine Datenschnittstelle, über welche die Ladespannung vorgegeben werden kann (DE 100 17 693 A1), oder eine Änderung der Erregerspannung des Generators in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie (DE 196 39 826 A1). Bekannt ist ein Pulsen der Spannung durch spezielle Schaltungen zur Verbesserungen der Vollladung von Batterien (DE 32 36 607 A1) in einem Bordnetz mit zwei Batterien.
In modernen Bordnetzen mit stärkerer zyklischer Belastung der Batterien stellt sich meist eine Leistungsreduzierung durch Säureschichtung ein. Säureschichtung verstärkt die Gegenspannung der Batterie und wirkt der Stromaufnahme entgegen.
Von Antriebsbatterien, die beispielsweise in Gabelstaplern im Lade-/Entladebetrieb genutzt werden, ist bekannt, dass Pulsladung Säureschichtung aufheben kann (DE 198 33 096 A1 und DE 198 07 707 A1). Hierbei kommen jedoch Batteriebauarten zum Einsatz, bei denen eine regelmäßige Wartung der Batterien in Form des Nachfüllens verbrauchten Elektrolyts üblich ist. Dies scheidet beim Einsatz in Fahrzeugen weitestgehend aus. Die DE 102 29 306 A1 offenbart ein Laden von Batterien in Elektroautos, bei denen in einem externen Ladegerät Pulsströme mit fest vorgegebener Pulsrate angewendet werden. Problematisch bei den bekannten Verfahren ist stets, dass auf das Entstehen von Säureschichtung nur ungenügend eingegangen werden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ladeverfahren anzugeben, bei dem eine Batterie möglichst effektiv und auf möglichst hohe Kapazität geladen werden kann, wobei sich Säureschichtung in möglichst geringem Ausmaß ausbilden soll. Eine entsprechende Vorrichtung soll angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist das in Rede stehende Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand der Batterie durch Bestimmung von Zustandsgrößen ermittelt wird, dass in Abhängigkeit der Zustandsgrößen Parameter des Ladevor- gangs eingestellt werden, wobei die Parameter die Pulsstärke des Ladestroms umfassen, und dass durch den Ladestrom während des pulsierenden Verlaufs ein Aufbau einer Säureschichtung gehemmt und/oder eine Säureschichtung abgebaut wird.
Bezüglich einer Vorrichtung zum Laden der Batterie ist die zuvor genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 15 gelöst. Danach ist die Vorrichtung zum Laden einer Batterie unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestattet mit einer ersten Steuereinheit zum Bestimmen von Zustandsgrößen, einer zweiten Steuereinheit zum Bestimmen von Parametern des Ladevorgangs und einer Stromquelle zum Erzeugen eines Ladestroms für die Batterie, wobei die erste Steuereinheit zum Übermitteln von Zustandsgrößen mit der zweiten Steuereinheit verbunden ist und wobei die zweite Steuereinheit zur Übertragung von Steuersignalen mit der Stromquelle verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass ein pulsierender Ladestrom besonders effektiv dazu geeignet ist, den Aufbau von Säureschichtung zu hemmen, zu verhindern oder eine bereits vorhandene Säureschichtung abzubauen. Dazu wird der Ladestrom mit Periodenlängen vorzugsweise im Minutenbereich angehoben. Erfindungsgemäß ist dabei besonders erheblich, mit welcher Pulsstärke, d. h. welcher maximalen Stromstärke, der Ladestrom pulsiert wird. Da zu hohe Ladeströme zu einem Verbrauch des Elektrolyts und zu Korrosion der Elektroden führen, sollten hohe Ladeströme über lange Zeit hinweg vermieden werden. Um dennoch Säureschichtung effektiv hemmen, verhindern oder abbauen zu können, sollte daher der Pulsstrom nur so hoch wie nötig gewählt werden. Daher ist es erfindungsgemäß notwendig, Parameter des Ladevorgangs und hierbei insbesondere die Pulsstärke zuverlässig einstellen zu können.
Erfindungsgemäß ist weiter erkannt worden, dass das Einstellen von Parametern des Ladevorgangs dann besonders zuverlässig durchgeführt werden kann, wenn der Zustand der Batterie zumindest teilweise bekannt ist und beim Einstellen der Parameter herangezogen wird. Daher wird zunächst der Zustand der Batterie ermittelt, indem Zustandsgrößen bestimmt werden. Eine Bestimmung von Zustandsgrößen kann zum einen durch eine direkte Messung der Zustandsgrößen erfolgen. Hier ist beispielsweise die Klemmenspannung oder der Ladestrom zu nennen. Zum anderen können Zustandsgrößen aus messbaren Größen und/oder deren zeitlichen Verlauf berechnet oder abgeschätzt werden. Dies ist insbesondere bei internen Zu- standsgrößen wie beispielsweise dem Grad der Säureschichtung notwendig, da diese nicht ohne großen Aufwand von außen gemessen werden kann. Welches Verfahren zur Bestimmung der Zustandsgrößen genutzt wird, wird im Allgemeinen von der jeweiligen Zustandsgröße, der Genauigkeit, mit der die Zustandsgröße bestimmt werden soll, und weiteren Randbedingungen abhängen.
Nach der Bestimmung der Zustandsgrößen kann entschieden werden, in welchem Maße Gegenmaßnahmen zum Hemmen oder Verhindern eines Säureschichtungs- aufbaus oder eines Abbaus bereits vorhandener Säureschichtung notwendig sein wird. Daher werden basierend auf den bestimmten Zustandsgrößen ein oder mehrere Parameter des Ladevorgangs derart eingestellt, dass ein Aufbau von Säureschichtung gehemmt, verhindert oder bereits vorhandene Säureschichtung abgebaut wird.
Die Wirkung der Pulse ist auf die Überschreitung der Gasungsspannung zurückzuführen. Eine Erzeugung von Gasblasen im unteren Teil der Zelle, die ein Aufsteigen und Durchmischen des Elektrolyten hervorrufen, ist Ursache für den Schichtungsabbau. Eine Mindestspannung ist erforderlich, um eine ausreichende Gasbildungsgeschwindigkeit zu erzielen.
Da Ladevorgänge in einer Batterie längere Zeit in Anspruch nehmen, werden sich Zustandgrößen im Laufe des Ladevorgangs verändern. So wird sich beispielsweise die Temperatur der Batterie nach einem Kaltstart eines Fahrzeugs im Laufe des Betriebs erheblich verändern. Auch wenn die Batterie durch ein Ladegerät außerhalb des Fahrzeugs geladen wird, können sich einzelne Zustandsgrößen unerwartet verändern. Daher werden vorzugsweise die Zustandsgrößen fortlaufend aktualisiert.
Die Frequenz, mit der eine erneute Bestimmung von Zustandsgrößen ausgelöst wird, wird von verschiedenen Randbedingungen abhängen. So ist bei einzelnen Zustandsgrößen eine schnellere Veränderung zu erwarten, was sich in einer häufigeren Aktualisierung der Zustandsgröße niederschlagen wird. Andere langsam veränderliche Zustandsgrößen müssen weniger häufig aktualisiert werden. Dabei können für unterschiedliche Zustandsgrößen unterschiedliche Aktualisierungsfrequenzen verwendet werden. Mit sich verändernden Zustandsgrößen könnten auch die Parameter des Ladevorgangs fortlaufend korrigiert werden. Mit dem Vorliegen neuer Zustandsgrößen kann immer wieder neu entschieden werden, in welchem Ausmaß Parameter des Ladevorgangs korrigiert werden. So ist es beispielsweise möglich, dass Säureschichtung bereits relativ stark abgebaut ist und daher die Pulsstärke des Ladestroms reduziert werden könnte.
Hinsichtlich einer gesteigerten Flexibilität könnten neben der Pulsstärke des Ladestroms zusätzlich die Pulslänge und die Pulsfrequenz durch das Ladeverfahren vorgegeben werden. Am einfachsten hat ein Puls rechteckförmigen Verlauf. Die Pulslänge t| bezeichnet dann die Zeitdauer, während der der Ladestrom entsprechend angehoben wird. Die Pulslänge liegt im Bereich von einer Minute bis acht Minuten. Je nach eingesetzter Batterie oder weiteren Randbedingungen können auch Pulslängen außerhalb dieses Bereichs sinnvoll sein. Unter Pulsfrequenz wird die Häufigkeit verstanden, mit der ein neuer Puls gestartet wird. Die Pulsfrequenz ist somit der Kehrwert der Zeit zwischen steigenden Flanken zweier aufeinanderfolgender Pulse, im weiteren Verlauf als Pulsdauer bezeichnet.
Neben einem rechteckförmigen Verlauf können die Pulse auch beliebige Verläufe annehmen, wie beispielsweise sich periodisch wiederholende, treppenartige Verläufe. Die Wahl der Verläufe ließe sich ebenso als Parameter des Ladevorgangs steuern.
Ein weiterer Parameter des Ladevorgangs könnte der Beginn des Pulsbetriebs und das Ende des Pulsbetriebs darstellen. Diese Parameter könnten beispielsweise in Abhängigkeit des Vorliegens von Säureschichtung verändert werden. Überschreitet die Säureschichtung einen vorgegebenen Grenzwert, so könnte der Pulsbetrieb gestartet werden. Ist Säureschichtung hingegen weitestgehend aufgehoben, könnte der Pulsbetrieb beendet werden. Allerdings können die Parameter auch nach festen Zeitvorgaben oder basierend auf andere Zustandsgrößen, wie dem Ladezustand der Batterie, vorgegeben werden.
Vorzugsweise wird die Batterie in einer Stromstärken- oder leistungsgeregelten Hauptladephase (I-Phase) geladen, der eine spannungsbegrenzte Phase (U-Phase) folgt. In beiden Phasen des Ladevorgangs kann ein Pulsbetrieb stattfinden. Unter- suchungen haben gezeigt, dass ein Pulsbetrieb in der I-Phase zuverlässig den Aufbau einer Säureschichtung verhindert oder zumindest hemmt und ein Pulsbetrieb in der U-Phase zu einem wirkungsvollen Abbau von Säureschichtung führt.
Des Weiteren kann als Parameter des Ladevorgangs die Stärke des Ladestroms in der I-Phase eingestellt werden. Hohe Ladeströme verursachen eine Vergrößerung der Säureschichtung, während niedrige Ladeströme die Ladezeit erheblich verlängern. Zum Erzielen einer effizienten Ladung der Batterie kann daher die Stärke des Ladestroms in der I-Phase vorgegeben werden.
Als weiterer Parameter des Ladevorgangs kann die Grenzspannung dienen, auf die die Klemmspannung in der U-Phase gehalten wird.
Ein weiterer Parameter des Ladevorgangs könnte durch eine Klemmenspannung gebildet sein, bei deren Erreichen von der I-Phase zu der U-Phase gewechselt wird. Damit erhöht sich die in der I-Phase eingeladene Ladungsmenge, wodurch sich der Ladevorgang beschleunigt. Allerdings führt die erhöhte Spannung zu einer gesteigerten Ausbildung von Säureschichtung und einer stärkeren Beanspruchung der Batterie.
Als Zustandsgröße, in deren Abhängigkeit Parameter des Ladevorgangs eingestellt werden, könnte der Grad der Säureschichtung herangezogen werden. Je stärker Säureschichtung ausgeprägt ist, desto wichtiger ist der gezielte Abbau der Säureschichtung, um Alterung der Elektroden zu verhindern und eine möglichst hohe eingeladene Strommenge zu gewährleisten.
Des Weiteren könnte als Zustandsgröße die Höhe einer Ladespannung und/oder die Höhe des Ladestroms in der Hauptladephase genutzt werden. Hohe Ladeströme in der Hauptladephase verringern die bis zur Spannungsbegrenzung eingeladene Strommenge und vergrößern die Säureschichtung. Dabei ist ein überproportionaler Zusammenhang zwischen der Erhöhung des Ladestroms und der Reduzierung der Zeit bis zum Erreichen des Spannungsgrenzwertes zu erkennen. Niedrige Ladespannungen verstärken die Säureschichtung. Ferner könnte als Zustandsgröße die Tiefe der vorherigen Entladung der Batterie herangezogen werden. Mit zunehmenden Entladegrad sind die bis zum Erreichen der Spannungsbegrenzung eingeladene Strommenge und die sich aufbauende Säureschichtung größer. Je höher die Entladetiefe, desto stärker der Aufbau der Säureschichtung in der I-Phase der Ladung.
Eine weitere Zustandsgröße, in deren Abhängigkeit Parameter des Ladevorgangs eingestellt werden können, könnte die Temperatur der Batterie sein. Die Temperatur schlägt sich insbesondere dahingehend nieder, dass die Effektivität der Maßnahmen gegen Säureschichtung von der Temperatur abhängig ist. Bei Verringerung der Betriebstemperatur der Batterie wird die Strombegrenzung bereits bei geringeren Ladegraden erreicht. Je niedriger die Temperatur, desto effektiver kann der Säureschichtung mittels Pulsen entgegengewirkt werden.
Zusätzlich könnte als Zustandgröße der Alterungszustand der Batterie herangezogen werden. Je stärker die Alterung der Batterie vorangeschritten ist, desto mehr reduziert sich die prinzipiell erreichbare Kapazität der Batterie. Dementsprechend werden auch diejenigen Parameter des Ladevorgangs, die von der Kapazität der Batterie abhängen, von der Alterung beeinflusst.
Ferner könnte der aktuelle Ladezustand der Batterie als Zustandsgrößer herangezogen werden. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn ein bereits einmal gestarteter Ladevorgang abgebrochen worden ist. Dies kann beispielsweise bei einem Laden in laufendem Betrieb eines Fahrzeugs vorkommen, wenn das Fahrzeug vor Erreichen der maximalen Ladung abgestellt wird. Der Ladezustand schlägt sich in der Säureschichtung und anderen Zustandsgrößen nieder.
Als weitere Zustandsgröße könnte ein Verbrauch von Wasser in der Batterie zur Steuerung der Parameter des Ladevorgangs herangezogen werde. Reduziert sich die Menge des Elektrolyts, so sollte auf Stromstärken weitestgehend verzichtet werden, die einen verstärkten Wasserverbrauch hervorrufen. Insofern kann in Abhängigkeit eines Wasserverbrauchs die maximale Stärke des Ladestroms vorgegeben werden. Vorzugsweise wird das gesamte Ladeverfahren derart betrieben, dass eine Optimierung zwischen der Ladedauer und der Menge der in die Batterie eingeladenen Ladung einerseits und einem Verschleiß der Batterie andererseits erreicht wird. So reduzieren beispielsweise hohe Ladeströme in gewissen Grenzen die Ladedauer, erhöhen jedoch auch den Verschleiß der Batterie. Hier ist insbesondere der Verbrauch von Wasser und Korrosion der Elektroden zu nennen. Andererseits können besonders schonende Ladevorgänge mit sehr geringem Verschleiß nur auf Kosten einer hohen Ladedauer erreicht werden. Beides kann aus Kosten- und Effizienzgründen nicht hingenommen werden. Daher wird vorzugsweise eine Optimierung diesbezüglich durchgeführt.
Zur Durchführung des Verfahrens kommt vorzugsweise eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie zum Einsatz. Diese Vorrichtung umfasst eine erste Steuereinheit, mit dem die Bestimmung der Zustandsgrößen durchgeführt wird. Zur Bestimmung der Zustandsgrößen können verschiedenste aus der Praxis bekannte Verfahren eingesetzt werden. Hierzu könnten der ersten Steuereinheit Daten von Sensoren zur Verfügung gestellt werden, insbesondere Daten über die Klemmenspannung, den Strom in den Leitungen zur Batterie und die Temperatur der Batterie. Die erste Steuereinheit könnte zusätzlich über Speicher verfügen, in der der zeitliche Verlauf der Messdaten der Sensoren abgelegt wird, um diese bei der Bestimmung von Zustandsgrößen heranziehen zu können. Vorzugsweise verfügt die erste Steuereinheit über eine digitale Recheneinheit, die notwendige Berechungen durchführt.
Die erste Steuereinheit ist mit einer zweiten Steuereinheit verbunden. Über diese Verbindung sendet die erste Steuereinheit die bestimmten Zustandsgrößen an die zweite Steuereinheit. Die zweite Steuereinheit ermittelt dann mit Hilfe der einzelnen Zustandsgrößen die Parameter des Ladevorgangs, die zu einer möglichst effektiven Ladung der Batterie bei gleichzeitig geringer Säureschichtung führen.
Die zweite Steuereinheit erzeugt wiederum Steuersignale an eine Stromquelle, die schlussendlich den Ladestrom für die Batterie zur Verfügung stellt. Die Stromquelle könnte dabei durch einen Generator gebildet sein, kann jedoch auch durch andere regelbare Stromquellen, wie DC/DC-Wandler, realisiert sein. Zwischen der zweiten Steuereinheit und der Stromquelle kann eine Regeleinrichtung angeordnet sein, die den von der Stromquelle gelieferten Ladestrom regelt, der der Batterie aufgeprägt wird. Zusätzlich könnte ein weiteres Gerät vorgesehen sein, das eine Beeinträchtigung des Bordnetzes des Fahrzeugs durch das Pulsen des Ladestroms verhindert.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass Säureschichtung und die dadurch bedingte Alterung und Leistungsminderung von Fahrzeugbatterien schonend aufgehoben werden kann, wenn in der U-Phase der Ladung in Abhängigkeit des Grades der Schichtung, der vorherigen Entladetiefe, der Temperatur, des Ladestroms der Hauptladephase und/oder des Lade- und Alterungszustands mit variablen Strompulsen durch Veränderung der an der Batterie anliegenden Spannung geladen wird (bedarfsgesteuerte Pulsladung).
Dazu wird die Beanspruchung der Batterie und der Grad der Leistungsreduzierung sowie die Ausbildung der Säureschichtung durch ein Batterie-Monitoring-System überwacht. Die Zustandsbestimmung generiert über einen Algorithmus, der in einer Steuereinheit arbeitet, Schaltsignale, die an eine zweite Steuereinheit oder den Generator übertragen werden und so zu einem Pulsen des Ladestromes führen. Es sind eine Reihe von Schaltungen bekannt, die dies mit begrenzter Beeinflussung der Verbraucher im Bordnetz gestatten (z.B. AT 502496).
Wesentlich ist, dass Pulshöhe und Dauer nicht fest vorgegeben sind, sondern von der die Batteriebeanspruchung und den -zustand auswertenden Steuereinheit vorgegeben werden. Gleichzeitig überwacht die Steuereinheit im Batterie-Monitoring den Wasserverbrauch der Batterie und optimiert zwischen Regeneration/Aufheben der Schichtung und Elektrolytverbrauch. Über die Bestimmung des Grades der Säureschichtung, beispielsweise nach DE 10 2005 062 150 A1 , und des Batteriezustandes, beispielsweise nach DE 10 2005 062 148 A1 , kann der Erfolg der Ladebehandlung durch bedarfsgesteuerte Pulsladungen kontrolliert werden.
Durch Pulsen in der U-Phase kann Säureschichtung wirkungsvoll aufgehoben werden. Dabei spielen die Stromstärke des Pulses und der Zeitpunkt des Beginns des Pulsens im Ladeverlauf eine wichtige Rolle. Je höher die Stromstärke, desto schneller erfolgt der Abbau der Schichtung. Pulsen in der U-Phase kann weiteren Schichtungsaufbau in dieser Phase verhindern. Weiter kann Pulsstärke und Pulsdauer so gewählt werden, dass auch die in der I-Phase aufgebaute Schichtung auf- gehoben werden. Kurze Pulse mit hoher Stromstärke (I-Ladestrom) heben die Schichtung bereits in wenigen Pulsen auf.
Die Kombination von Pulsen in der I-Phase der Ladung mit Pulsen in der U-Phase führt zum schnelleren Abbau der Schichtung, weil die bis zum Erreichen des Spannungsgrenzwertes eingeladene Strommenge durch das Pulsen in der Hochstromphase reduziert wird.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 ein Diagramm mit einem exemplarischen Verlauf eines Ladestroms über der Zeit,
Fig. 2 ein Diagramm mit einem Verlauf der Klemmenspannung einer Batterie, des Ladestroms und der in die Batterie eingeladenen Ladungsmenge, wobei der Ladestrom in der U-Phase pulsiert wird,
Fig. 3 ein Diagramm mit Verläufen der Säuredichte SD bei einem Ladeverlauf gemäß Fig. 2 in Abhängigkeit der Zeit und der Eintauchtiefe in der Zelle,
Fig. 4 ein Diagramm ähnlich Fig. 2, wobei der Ladestrom und die Pulsstärke gegenüber Fig. 2 erhöht sind,
Fig. 5 ein Diagramm mit Verläufen der Säuredichte SD bei einem Ladeverlauf gemäß Fig. 4 in Abhängigkeit der Zeit und der Eintauchtiefe,
Fig. 6 ein Diagramm ähnlich den Fig. 2 oder 4, wobei der Ladestrom sowohl in der I-Phase als auch der U-Phase pulsiert wird, und Fig. 7 ein Diagramm mit Verläufen der Säuredichte SD bei einem Ladeverlauf gemäß Fig. 6 in Abhängigkeit der Zeit und der Eintauchtiefe.
Fig. 1 zeigt einen exemplarischen Verlauf eines Ladestroms I über der Zeit t. Ein zunächst konstanter Ladestrom I0 fließt bis zum Zeitpunkt tb zum Laden in die Batterie. Der Ladestrom I0 kann einen beliebigen Wert ungleich 0 annehmen, prinzipiell aber auch gleich 0 sein. Zum Zeitpunkt tb beginnt der Pulsbetrieb, bei dem ein periodischer Rechteckimpuls zu der Stromstärke I0 hinzuaddiert wird. Ein Ausschnitt der sich periodisch wiederholenden Pulse ist in der Mitte des Diagramms dargestellt. Die steigenden Flanken der Pulse wiederholen sich nach einer Pulsdauer Tp. Die Pulse haben eine Pulslänge von t,, gefolgt von einer Pause mit Stromstärke I0. Zum Zeitpunkt tθ endet der Pulsbetrieb und es liegt wieder der konstante Ladestrom I0 in die Batterie. Als Parameter des Ladevorgangs können nun die Pulsdauer Tp, die Pulslänge t„ der Pulsbeginn tb, das Pulsende te, die Pulsstärke IP und die Stromstärke I0 dienen, wobei letztere auch in den verschiedenen Ladephasen geändert werden kann.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das den Verlauf der Spannung, des Ladestroms und der eingeladenen Ladungsmenge wiedergibt. Im Zeitraum zwischen 0 und 2 h wird die Batterie mit einem konstanten Ladestrom von 33 A geladen. Nach 2 h endet die I- Phase und es wird auf die U-Phase umgeschaltet. Danach nimmt der Ladestrom bis zum Zeitpunkt t = 7 h kontinuierlich ab. Nach 7 h wird der Pulsbetrieb gestartet, wobei eine Pulsstärke von 5 A Verwendung findet. Die Spannungskurve startet im Bereich zwischen 12 V und 13 V, steigt bis t = 2 h kontinuierlich an und wird ab t = 2 h auf dem konstanten Wert U = 14 V gehalten. Mit Start des Pulsbetriebs zum Zeitpunkt tb pulsiert auch die Klemmenspannung an der Batterie. Die dritte, in Fig. 2 eingezeichnete Kurve zeigt die in die Batterie eingeladene Ladungsmenge und beginnt zum Zeitpunkt t = 0 bei 0 Ah. Mit zunehmender Ladezeit steigt die Kurve kontinuierlich an und endet nahe 100 Ah.
Wie Fig. 2 deutlich zu entnehmen ist, ist in der I-Phase ein deutliche Anstieg der eingeladenen Ladungsmenge zu verzeichnen, während die eingeladene Ladungsmenge zwischen t = 2 h und 9 h lediglich um ca. 33 % zunimmt. Fig. 3 zeigt den Verlauf der Säuredichte in verschiedenen Höhen der Batterie. Die oberste mit einer Raute gekennzeichnete Kurve zeigt den Verlauf der Säuredichte am Zellenboden (100 % Tiefe), während die unterste, mit einem Quadrat gekennzeichnete Kurve den Verlauf an der Oberkante des Elektrolyts wiedergibt (0 % Tiefe). Zum Ladebeginn ist eine über die gesamte Batterie konstante Säuredichte zu verzeichnen. Diese variiert lediglich im Bereich von 1 ,05 bis 1 ,057 kg/l. Während der I-Phase der Ladung weitet sich dieser Bereich auf, was sich bis zum Zeitpunkt t = 7 h fortsetzt. Danach setzt die Pulsladung ein. Durch die Pulsladung reduziert sich die Differenz der Säuredichte von 0,232 kg/l auf 0,177 kg/l. Somit ist eine Reduzierung der Säureschichtung lediglich in geringem Maße möglich.
Fig. 4 zeigt einen anderen Ladevorgang, bei dem ein höherer Ladestrom und eine höhere Pulsstärke verwendet werden. Die in Fig. 4 gezeigte, im unteren Zeitbereich oberste Kurve gibt den Ladestrom wieder. Dieser wird in der I-Phase der Ladung auf 66 A konstant gehalten. Danach wird auf die U-Phase gewechselt, in der der Ladestrom kontinuierlich abfällt. Nach ca. 1 ,75 h beginnt die Pulsladung mit einer Pulsstärke von ebenfalls 66 A und einer Pulslänge von 2 min. Danach wird die Stromstärke für 2 min auf 15 A und für weitere 2 min auf 3 A reduziert. Somit zeigt der Ladestrom in der Pulsphase keinen rechteckförmigen Verlauf, sondern wird treppenartig auf einen minimalen Ladestrom von 3 A reduziert. Die Pulsdauer beträgt somit 6 min.
Die in Fig. 4 zum Zeitpunkt t = 0 angezeichnete mittlere Kurve gibt die Spannung an der Batterie wieder. Die Klemmenspannung steigt bis zum Umschaltezeitpunkt zwischen I- und U-Phase kontinuierlich an und wird in der U-Phase zunächst konstant gehalten. In der Pulsphase nimmt die Spannung ebenfalls einen pulsierenden Verlauf an. Die dritte in Fig. 4 wiedergegebene Kurve zeigt den Verlauf der in die Batterie eingeladenen Ladungsmenge. Wie deutlich zu sehen ist, reduziert sich durch den höheren Ladestrom die Ladungsmenge, die in der I-Phase eingeladen wird, erheblich. Zum Umschaltezeitpunkt sind gerade mal knapp 50 % der Ladungsmenge in die Batterie eingeladen. Allerdings ist die gesamte Ladedauer erheblich reduziert. Bereits nach weniger als 3 h ist die volle Kapazität der Batterie erreicht.
Fig. 5 zeigt den Verlauf der Säuredichte in Abhängigkeit der Höhe in der Batterie. Die anfangs mehr oder weniger konstante Säuredichte entlang der Höhe weitet sich im Verlauf der Ladung erheblich auf. Zum Zeitpunkt t = 1 ,5 h hat sich eine erhebliche Säureschichtung eingestellt und immerhin eine Dichtedifferenz von 0,213 kg/l ausgebildet. Mit Beginn des Pulsens reduziert sich diese Differenz jedoch sehr rasch und ist bereits nach weinigen Pulsen fast vollständig aufgehoben.
Fig. 6 und 7 zeigen einen weiteren Ladevorgang, bei dem sowohl in der I-Phase als auch in der U-Phase der Ladung der Ladestrom einen pulsierenden Verlauf annimmt. Fig. 6 zeigt zwischen t = 0 und t = 1 ,6 h einen pulsierenden Stromverlauf, bei dem der Strom für 2 min auf 66 A gehalten wird und anschließend für 4 min einen Strom von 5 A annimmt. Nach Umschaltung auf die U-Phase sinkt der Ladestrom kontinuierlich ab. Zum Zeitpunkt t = 2,8 h wird auf Pulsbetrieb umgeschaltet, bei dem für 2 min eine Stromstärke von 10 A eingestellt wird. Danach wird in den „Pausen" auf die „gewöhnliche" spannungsbegrenzte Regelung zurückgeschaltet. Zwischen den Puls- und Pausephasen fällt die Stromstärke kurz auf 0 A ab.
Die in Fig. 6 im unteren Zeitbereich zu erkennende mittlere Kurve (später die obere pulsierende Kurve) zeigt die Klemmenspannung der Batterie, die bei ca. 12 V startet und ähnlich dem Strom in der I-Phase einen pulsierenden Verlauf annimmt. Nach Umschalten auf die U-Phase nimmt die Spannung zunächst einen konstanten Wert von 14 V an und beginnt danach mit Beginn des erneuten Pulsbetriebs zu pulsieren. Zu den Zeitpunkten mit konstantem Ladestrom von 10 A überhöht sich die Spannung bei jedem Puls kurzzeitig auf bis zu 17,5 V am Ende der Ladezeit. In den Pulspausen wird eine Spannung von 14 V angenommen.
Wiederum zeigt die dritte in Fig. 6 dargestellte Kurve den Verlauf der in die Batterie eingeladenen Ladungsmenge. Diese steigt zwischen 0 und 1 ,6 h treppenförmig an und steigt schließlich in der U-Phase bis knapp über 100 Ah hinaus an.
Fig. 7 zeigt wiederum eine Kurvenschar der Säuredichten in verschiedenen Höhen in der Batterie. Die anfänglich mehr oder weniger konstante Säuredichte über die Batterie hinweg weitet sich im Laufe der I-Phase auf eine Differenz vom 0,170 kg/l aus. Im Vergleich zu dem Ladevorgang aus Fig. 4 und 5 hat sich damit jedoch die Auffächerung reduziert. Allerdings ist auch deutlich zu sehen, dass ein Pulsen in der U-Phase deutlich effektiver auf die Säureschichtung einwirkt. Bis zum Erreichen des Pulsbetriebs hat sich die Säureschichtung auf eine Differenz von 0,201 kg/l vergrö- ßert. Mit einsetzendem Pulsbetrieb reduziert sich die Säureschichtung langsam aber stetig und hat sich bis zum Ende des Ladevorgangs nach 9 h im Wesentlichen abgebaut.
Im Ergebnis ist zu erkennen, dass die Verwendung von unterschiedlich starken Pulsen sich in erheblichem Maße auf die Säureschichtung auswirkt. Ein Pulsen in der U-Phase der Ladung wirkt der Säureschichtung in stärkerem Maße entgegen als in der I-Phase der Ladung. Allerdings vermag ein Pulsen in der I-Phase den Aufbau von Säureschichtung lediglich zu hemmen.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Laden einer Batterie, wobei ein das Laden der Batterie bewirkender Ladestrom zumindest zeitweise auf einen pulsierenden Verlauf gebracht wird und wobei der Ladestrom während des pulsierenden Verlaufs durch Pulsstärke, Pulslänge und Pulsfrequenz definiert wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Zustand der Batterie durch Bestimmung von Zustandsgrößen ermittelt wird, dass in Abhängigkeit der Zustandsgrößen Parameter des Ladevorgangs eingestellt werden, wobei die Parameter die Pulsstärke des Ladestroms umfassen, und dass durch den Ladestrom während des pulsierenden Verlaufs ein Aufbau einer Säureschichtung gehemmt und/oder eine Säureschichtung abgebaut wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgrößen fortlaufend bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Ladevorgangs fortlaufend korrigiert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter des Ladevorgangs zusätzlich die Pulslänge und Pulsfrequenz vorgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie in einer Stromstärke- oder leistungsgeregelten Hauptladephase (I- Phase) und einer spannungsbegrenzten Phase (U-Phase) geladen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter des Ladevorgangs die Stärke des Ladestroms in der I-Phase, eine Grenzspannung zur Spannungsbegrenzung in der U-Phase und/oder eine Klemmenspannung, bei deren Erreichen von der I-Phase zu der U-Phase gewechselt wird, vorgegeben wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Ladevorgangs in Abhängigkeit des Grads der Säureschichtung vorgegeben werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Ladevorgangs in Abhängigkeit der Höhe einer Ladespannung und/oder der Höhe des Ladestroms in der Hauptladephase vorgegeben werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Ladevorgangs in Abhängigkeit der Tiefe der vorherigen Entladung der Batterie vorgegeben werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Ladevorgangs in Abhängigkeit der Temperatur der Batterie vorgegeben werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Ladevorgangs in Abhängigkeit des Alterungszustands der Batterie vorgegeben werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Ladevorgangs in Abhängigkeit des Ladezustands der Batterie vorgegeben werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Ladevorgangs in Abhängigkeit eines Wasserverbrauchs in der Batterie vorgegeben werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Optimierung zwischen Ladedauer und Lademenge einerseits und Verschleiß der Batterie andererseits durchgeführt wird.
15. Vorrichtung zum Laden einer Batterie unter Nutzung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit einer ersten Steuereinheit zum Bestimmen von Zustandsgrößen, einer zweiten Steuereinheit zum Bestimmen von Parametern des Ladevorgangs und einer Stromquelle zum Erzeugen eines Ladestroms für die Batterie, wobei die erste Steuereinheit zum Übermitteln von Zustandsgrößen mit der zweiten Steuereinheit verbunden ist und wobei die zweite Steuereinheit zur Übertragung von Steuersignalen mit der Stromquelle verbunden ist.
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