WO2019238337A1 - Verfahren zum impedanzgesteuerten schnellladen, steuereinheit für ein ladesystem, energiespeicher und arbeitsvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum impedanzgesteuerten schnellladen, steuereinheit für ein ladesystem, energiespeicher und arbeitsvorrichtung Download PDF

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energy
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Simon Nuernberger
Christoph Bauer
Dave Andre
Jan Philipp Schmidt
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a method for impedance-controlled rapid charging of an electrical energy store of a working device, a control unit for a charging system, an energy store and a
  • Working device generally uses charging stations that are designed for pure quick charging of the energy store and, for example, in the form of charging stations for electric vehicles or hybrid vehicles.
  • the problem with such charging stations is their lack of being able to generate and output discharge pulses in order to derive characteristic quantities for an impedance or for an internal resistance of the energy store on the basis thereof and to set a charging current as a function of impedance.
  • a method for impedance-controlled rapid charging of an electrical energy store of a working device and in particular of a vehicle energy store of a vehicle is created, in which
  • a current charging current for charging the electrical energy store is set as a function of the variable characteristic of the impedance
  • the current charging current with a steep edge in particular of more than 20 A / s, preferably in the range from about 1 A / ms to about 50 A / ms, is temporarily reduced and
  • a voltage response of the energy store to the steep flank is recorded as a characteristic quantity for the impedance of the energy store and is used as a basis for setting the current charging current.
  • the method according to the invention is particularly advantageously replaceable if a heating device is used as the ohmic consumer and is connected to the energy store for operating the heating device in order to lower the current charging current.
  • the energy used to lower the current charging current can be converted profitably by generating a quantity of heat.
  • Energy storage own heating device and in particular a battery or cell heating device is used on or in the energy storage and in particular on or in a battery or cell, in particular in the manner of a heating sheet.
  • the heating device is located in close proximity to the energy store, so that the amount of heat generated is released to it. In this way, for example, a suitable operating temperature of the energy store can be reached or maintained.
  • the energy store can be charged locally and / or decentrally for the underlying energy store
  • the charging of the energy store is controlled or regulated centrally and together with the underlying energy store for a plurality of energy stores.
  • the charging of a plurality of energy stores is controlled or regulated, wherein
  • An evaluation and / or evaluation of voltage responses of a plurality of energy stores takes place centrally and / or
  • a common charging strategy for a plurality of energy storage devices is selected on the basis of an energy storage device with the lowest impedance among all energy storage devices.
  • a control unit for a charging system is also created, which is set up to execute, run and / or control a method according to the invention for impedance-controlled rapid charging of an electrical energy store in an underlying charging system.
  • the control unit is designed as a control chip and / or ASIC on or in an underlying energy store, in particular a battery cell, a module, a module housing or on or in an area of a battery cell, a module or a module housing.
  • control unit according to the invention can be central, decentralized, for one or more energy stores or for parts thereof, for one or more battery cells or for parts thereof, for one or more modules or parts thereof, for local or central measurement and / or for local or central assessment and / or taxes.
  • the present invention also provides a charging system for the impedance-controlled rapid charging of an electrical energy store of a working device and in particular of a vehicle energy store of a vehicle.
  • the charging system according to the invention is set up to be used or operated with or for a method for impedance-controlled rapid charging according to the present invention.
  • Control unit designed according to the present invention.
  • the energy store according to the invention has, for example, one
  • Ohmic consumer or a connection for controllably switchable connection to an ohmic consumer.
  • the energy store can have a control unit designed according to the invention
  • FIG. 1 shows, in the manner of a schematic block diagram, the structure of an embodiment of a charging system according to the invention with a working device designed according to the invention
  • Figure 2 shows a kind of a perspective exploded view
  • Embodiment of an energy store designed according to the invention in particular in the form of a cell
  • FIG. 3 uses a graph with a charging curve to illustrate one with a
  • FIG. 1 shows, in the manner of a schematic block diagram, the structure of an embodiment of a charging system 100 according to the invention with a working device 1 designed according to the invention
  • the charging system 100 has a working device 1, for example in the form of a vehicle G, which is designed with an electrical energy store 20, here in the form of a vehicle energy store 20 ', in order to supply units of the working device 1 with energy during operation. Furthermore, one for charging the energy store 20
  • Charging unit 80 is formed, which with the terminals 23 and 24 of the
  • Energy storage is controllably connectable.
  • a control unit 10 is provided for controlling the charging process, in particular in the manner provided according to the invention. This can be formed on or in the energy store 20 as a component, but in the case shown in FIG. 1 the control unit is separate from the
  • the control unit 10 is set up to cause, execute and / or control a method according to the invention for the impedance-controlled rapid charging of the energy store 20.
  • control unit 10 is able to temporarily connect an intended ohmic consumer 30 or a general consumer to the energy store 20 during a charging process in such a way that the charge current drops into the energy store 20 during the connection of the consumer 30 to the energy store 20, whereby the drop occurs with a comparatively steep flank of more than 20 A / s, so that this steep drop can be used for an impedance analysis or the like, namely by detecting a corresponding voltage response of the energy store 20, possibly with an evaluation
  • various loads 30 are indicated, namely a heating device 40 arranged in the immediate spatial vicinity of the energy store 20, for example in the form of a Schusheets, a further energy store 60, which can be electrically coupled to the underlying energy store 20 via a DC / DC coupling, and a generator 50, which can also function as a consumer 30 in active short-circuit operation.
  • a heating device 40 arranged in the immediate spatial vicinity of the energy store 20, for example in the form of a Schusheets
  • a further energy store 60 which can be electrically coupled to the underlying energy store 20 via a DC / DC coupling
  • a generator 50 which can also function as a consumer 30 in active short-circuit operation.
  • Figure 2 shows a kind of a perspective exploded view
  • Embodiment of an energy store 20 designed according to the invention in the manner of a vehicle energy store 20 ', in particular in the form of a cell.
  • Vehicle energy storage 20 ' is the heating device 40 as a heating sheet in the
  • control unit 10 is designed with corresponding switching units.
  • this arrangement is not mandatory, but is only mentioned as an example.
  • FIG. 3 uses a graph 90 with a charging curve 93 to illustrate a charging strategy that can be generated with an embodiment of the method according to the invention.
  • the time is plotted on the abscissa 91 of the graph 90, and the current charging current I (t) is plotted on the ordinate 92.
  • the charging curve 93 has an upload phase 91-1 with corresponding charging sections or charging pulses 93-1
  • Transition charging phase in which the value of the charging current l (t) - in particular, but not necessarily linear - is lowered over time in order to lead to a low-charging phase 93-3 with comparatively low and constant values of the charging current l (t).
  • Energy storage 20 characteristic size In the simplest case, it can be a size that corresponds to the corresponding one
  • Working device 1 - can be generated by the charging station - understood as a charging unit 80 - no such current changes, because such a charging station can only charge the energy store of a corresponding vehicle, but not discharge it.
  • a current ramp or current edge that can be generated with charging stations 80 is limited to a value of 20 A / s. This is for deriving one for that Impedance of an energy storage device 20 characterizing size is not sufficient.
  • Any switching elements used must be able to switch quickly enough, in particular in the range from a few tens of Hz or a few 100 Hz to the kHz range, for example with pulse widths in the range of a few milliseconds, for example 1 ms to 10 ms. Switching must also be possible as individually as possible for the cell, or it must be possible for each module or high-voltage battery.
  • the switching elements must also be designed with an appropriate current carrying capacity.
  • a measurement of the impedance for example via a chip or ASIC, is conceived as an inventive
  • Control unit 10 possible close to the cell or generally to the energy store 20.
  • the chip or ASIC can also control and / or contain or form the necessary switches as control unit 10.
  • Consumer 30 for cell resistance can be dimensioned such that with simultaneous charging and activation of the ohmic consumer 30 and In particular, the heating sheet 40 also discharges the cell as an energy store 20.
  • the regulation according to the impedance is superimposed by a thermal degradation of the current during rapid charging in order not to exceed a given temperature limit of the cells.
  • the value of a maximum or peak current is determined depending on the cell voltage.
  • a second energy store 80 can also be provided in the working device 1 or in the vehicle 1 'in order to generate discharge pulses.
  • the energy stores 20, 20 and 80 are connected to one another via a DC / DC coupling 70.
  • a heating sheet 40 serves as an ohmic consumer 30 inside or outside a cell to be charged as a consumer, in order to display high-frequency discharge pulses during charging, is also possible on a charging station and on all charging units 80 that cannot provide suitable discharge pulses, impedance-controlled quick charging possible.
  • the cell - understood as an energy store 20 - is also heated. This is conducive to quick charging and also improves the service life, reduces the lower risk of plating with regard to metallic lithium and reduces the resistance, in particular if the anode potential increases.
  • the impedance-controlled rapid charging according to the invention can be effectively regulated and operated in such a way that the current is reduced at high cell voltages or the anode potential never drops too low, so that plating is also avoided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum impedanzgesteuerten Schnellladen eines elektrischen Energiespeichers (20) einer Arbeitsvorrichtung (1) und insbesondere eines Fahrzeugenergiespeichers (20') eines Fahrzeugs (1'), bei welchem ein für eine Impedanz des Energiespeichers (20) charakteristische Größe erfasst wird, ein aktueller Ladestrom zum Laden des elektrischen Energiespeichers (20) in Abhängigkeit von der für die Impedanz charakteristischen Größe eingestellt wird, durch temporäres Zuschalten und Versorgen eines Ohmschen Verbrauchers (30) mit dem Energiespeicher (20) der aktuelle Ladestrom mit steiler Flanke temporär abgesenkt wird und eine Spannungsantwort des Energiespeichers (20) auf die steile Flanke als für die Impedanz des Energiespeichers (20) charakteristische Größe erfasst und dem Einstellen des aktuellen Ladestroms zu Grunde gelegt wird.

Description

Verfahren zum impedanzgesteuerten Schnellladen, Steuereinheit für ein Ladesystem, Energiespeicher und
Arbeitsvorrichtung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum impedanzgesteuerten Schnellladen eines elektrischen Energiespeichers einer Arbeitsvorrichtung, eine Steuereinheit für ein Ladesystem, einen Energiespeicher und eine
Arbeitsvorrichtung
Arbeitsvorrichtungen und insbesondere Fahrzeuge werden vermehrt mit elektrischen Energiespeichern betrieben, und zwar entweder ausschließlich, zum Beispiel im Sinne eines Elektroautos oder BEV, oder nach Art eines
Hybridsystems Dabei werden zum Laden des Energiespeichers der
Arbeitsvorrichtung im Allgemeinen Ladestationen verwendet, die für ein reines Schnellladen des Energiespeichers und zum Beispiel in Form von Ladesäulen für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge ausgelegt sind. Problematisch bei derartigen Ladestationen ist deren Mangel, Entladepulse erzeugen und ausgeben zu können, um auf deren Grundlage für eine Impedanz oder für einen Innenwiderstand des Energiespeichers charakteristische Größen abzuleiten und einen Ladestrom impedanzabhängig einzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum
impedanzgesteuerten Schnellladen eines elektrischen Energiespeichers anzugeben, eine Steuereinheit für ein Ladesystem, einen Energiespeicher und eine Arbeitsvorrichtung, insbesondere ein Fahrzeug, anzugeben, mit welchen unabhängig von den Unzulänglichkeiten einer zu Grunde liegenden Ladestation mit einfachen Mitteln ein impedanzgesteuertes Schnellladen eines zu Grunde liegenden elektrischen Energiespeichers möglich ist. Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum impedanzgesteuerten Schnellladen erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 , bei einer Steuereinheit erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 9, bei einem Ladesystem erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 10, bei einem Energiespeicher erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 1 und bei einer Arbeitsvorrichtung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum impedanzgesteuerten Schnellladen eines elektrischen Energiespeichers einer Arbeitsvorrichtung und insbesondere eines Fahrzeugenergiespeichers eines Fahrzeugs geschaffen, bei welchem
(i) eine für eine Impedanz des Energiespeichers charakteristische Größe
erfasst wird,
(ii) ein aktueller Ladestrom zum Laden des elektrischen Energiespeichers in Abhängigkeit von der für die Impedanz charakteristischen Größe eingestellt wird,
(iii) durch temporäres Zuschalten und Versorgen eines Ohmschen Verbrauchers mit dem Energiespeicher der aktuelle Ladestrom mit steiler Flanke, insbesondere von mehr als 20 A/s, vorzugsweise im Bereich von etwa 1 A/ms bis etwa 50 A/ms, temporär abgesenkt wird und
(iv) eine Spannungsantwort des Energiespeichers auf die steile Flanke als für die Impedanz des Energiespeichers charakteristische Größe erfasst und dem Einstellen des aktuellen Ladestroms zu Grunde gelegt wird.
Durch diese Maßnahmen ist es möglich, unabhängig von den Möglichkeiten einer Ladestation eine für die Impedanz des Energiespeichers charakteristische Größe zu erfassen, um dadurch den Ladevorgang impedanzabhängig zu steuern oder zu regeln. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren dann ersetzbar, wenn als Ohmscher Verbraucher eine Heizeinrichtung verwendet und zum Absenken des aktuellen Ladestroms mit dem Energiespeicher zum Betrieb der Heizeinrichtung verbunden wird. In diesem Fall kann die für das Absenken des aktuellen Ladestroms aufgewandte Energie gewinnbringend durch Erzeugung einer Wärmemenge umgesetzt werden.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn als Heizeinrichtung eine dem
Energiespeicher eigene Heizeinrichtung und insbesondere eine batterieeigene oder zelleigene Heizeinrichtung an oder im Energiespeicher und insbesondere an oder in einer Batterie oder Zelle verwendet wird, insbesondere nach Art eines Heizsheets. In diesem Fall befindet sich die Heizeinrichtung also in räumlicher Nähe zum Energiespeicher, so dass die erzeugte Wärmemenge an diesen abgegeben wird. Auf diese Art und Weise kann zum Beispiel eine geeignete Betriebstemperatur des Energiespeichers erreicht oder erhalten werden.
Grundsätzlich sind jedoch sämtliche Ohmschen Verbraucher oder auch andere Verbraucher einsetzbar, sofern sie ein temporäres Absenken des aktuellen Ladestroms zur Bestimmung einer für die Impedanz des Energiespeichers charakteristischen Größe ermöglichen.
Alternativ oder zusätzlich ist es also denkbar, dass als Ohmscher Verbraucher ein Generator oder eine E-Maschine der zu Grunde liegenden Arbeitsvorrichtung verwendet wird, insbesondere im Zustand eines aktiven Kurzschlusses.
Eine besonders elegante Vorgehensweise ergibt sich, wenn als Ohmscher Verbraucher ein weiterer zu ladender Energiespeicher verwendet wird, insbesondere in DC/DC-Kopplung mit dem zu Grunde liegenden
Energiespeicher.
Das Laden des Energiespeichers kann erfindungsgemäß lokal und/oder dezentral für den zu Grunde liegenden Energiespeicher erfolgen
Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass das Laden des Energiespeichers zentral und zusammen mit dem zu Grunde liegenden Energiespeicher für eine Mehrzahl von Energiespeichern gesteuert oder geregelt wird. Ein besonders hohes Maß an Flexibilität stellt sich ein, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das Laden einer Mehrzahl von Energiespeichern gesteuert oder geregelt wird, wobei
- ein Erfassen einer Spannungsantwort eines zu Grunde liegenden oder jeweiligen Energiespeichers lokal und/oder dezentral erfolgt,
- ein Auswerten und/oder Bewerten von Spannungsantworten einer Mehrzahl von Energiespeichern zentral erfolgt und/oder
- eine gemeinsame Ladestrategie für eine Mehrzahl von Energiespeichern auf der Grundlage eines Energiespeichers mit der geringsten Impedanz unter sämtlichen Energiespeichern ausgewählt wird.
Des Weiteren ist es denkbar, dass das temporäre Absenken des Ladestroms,
- insbesondere für Diagnosezwecke, mit einer Häufigkeit im Bereich von etwa 0,1 Hz bis etwa 10 Hz, vorzugsweise im Bereich von etwa 1 Hz, nach Art eines Entladepulses, mit einer Pulsdauer in einem niederfrequenten Anteil mit einer Länge von etwa 1 Sekunde, mit einem Entladen von 5 ms, mit einer Regelung auf einen verschwindenden Ladestrom von 995 ms und/oder mit einer Pulsdauer in einem hochfrequenten Anteil im Bereich von etwa 5 ms bis etwa 10 ms und/oder,
- insbesondere für eine homogenisierte Interkalation, mit einer Häufigkeit im Bereich von etwa 50 Hz bis etwa 200 Hz und/oder mit einer Abtastrate von 10
/o erfolgt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Steuereinheit für ein Ladesystem geschaffen, welche eingerichtet ist, in einem zu Grunde liegenden Ladesystem ein erfindungsgemäßes Verfahren zum impedanzgesteuerten Schnellladen eines elektrischen Energiespeichers auszuführen, ablaufen zu lassen und/oder zu steuern. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Steuereinheit ist diese als Steuerchip und/oder ASIC an oder in einem zu Grunde liegenden Energiespeicher, insbesondere einer Batteriezelle, einem Modul, einem Modulgehäuse oder an oder in einem Bereich einer Batteriezelle, eines Moduls oder eines Modulgehäuses ausgebildet.
Ferner kann die erfindungsgemäße Steuereinheit zentral, dezentral, für einen oder für mehrere Energiespeicher oder für Teile davon, für eine oder mehrere Batteriezellen oder für Teile davon, für ein oder mehrere Module oder Teile davon, zum lokalen oder zentralen Messen und/oder zum lokalen oder zentralen Bewerten und/oder Steuern ausgebildet sein.
Des Weiteren schafft die vorliegende Erfindung auch ein Ladesystem zum impedanzgesteuerten Schnellladen eines elektrischen Energiespeichers einer Arbeitsvorrichtung und insbesondere eines Fahrzeugenergiespeichers eines Fahrzeugs.
Das erfindungsgemäße Ladesystem ist dazu eingerichtet, mit oder zu einem Verfahren zum impedanzgesteuerten Schnellladen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, betrieben bzw. gesteuert zu werden.
In vorteilhafter Weise ist das erfindungsgemäße Ladesystem mit einer
Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Energiespeicher und insbesondere einen Fahrzeugenergiespeicher mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Steuereinheit oder mit einem Anschluss zu einer erfindungsgemäß ausgestalteten Steuereinheit bereitzustellen.
Dabei weist der erfindungsgemäße Energiespeicher zum Beispiel einen
Ohmschen Verbraucher oder einen Anschluss zur steuerbar schaltbaren Verbindung zu einem Ohmschen Verbraucher auf.
Gemäß einem anderen Gedanken der vorliegenden Erfindung wird eine
Arbeitsvorrichtung mit einem Energiespeicher und mit einer Steuereinheit vorgestellt. Die Steuereinheit und oder der Energiespeicher können erfindungsgemäß ausgestaltet sein.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Energiespeicher eine erfindungsgemäß ausgestaltete Steuereinheit aufweisen
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren
Figur 1 zeigt nach Art eines schematischen Blockdiagramms den Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladesystems mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Arbeitsvorrichtung
Figur 2 zeigt nach Art einer perspektivischen Explosionsdarstellung eine
Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgestalteten Energiespeichers, insbesondere in Form einer Zelle
Figur 3 illustriert anhand eines Graphen mit einer Ladekurve eine mit einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugbare Ladestrategie
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3
Ausführungsbeispiele und der technische Hintergrund der Erfindung im
Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die
Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten
wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in
beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen. Figur 1 zeigt nach Art eines schematischen Blockdiagramms den Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladesystems 100 mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Arbeitsvorrichtung 1
Das Ladesystem 100 gemäß Figur 1 weist eine Arbeitsvorrichtung 1 , zum Beispiel in Form eines Fahrzeugs G, auf welches mit einem elektrischen Energiespeicher 20, hier in Form eines Fahrzeugenergiespeichers 20‘, ausgebildet ist, um Aggregate der Arbeitsvorrichtung 1 im Betrieb mit Energie zu versorgen. Des Weiteren ist zum Laden des Energiespeichers 20 eine
Ladeeinheit 80 ausgebildet, welche mit den Anschlüssen 23 und 24 des
Energiespeichers steuerbar verbindbar ist.
Zum Steuern des Ladevorgangs, insbesondere in der erfindungsgemäß vorgesehenen Art und Weise, ist eine Steuereinheit 10 vorgesehen. Diese kann an oder in dem Energiespeicher 20 als Komponente ausgebildet sein, in dem in Figur 1 dargestellten Fall ist die Steuereinheit jedoch separat zum
Energiespeicher 20 angeordnet.
Die Steuereinheit 10 ist dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum impedanzgesteuerten Schnellladen des Energiespeichers 20 zu veranlassen, auszuführen und/oder zu steuern.
Dazu ist die Steuereinheit 10 in der Lage, während eines Ladevorgangs einen vorgesehenen Ohmschen Verbraucher 30 oder einen allgemeinen Verbraucher mit dem Energiespeicher 20 derart temporär zu verbinden, dass während der Verbindung des Verbrauchers 30 mit dem Energiespeicher 20 der Ladestrom in den Energiespeicher 20 absinkt, wobei das Absinken mit einer vergleichsweise steilen Flanke von mehr als 20 A/s erfolgt, so dass dieser steile Abfall für eine Impedanzanalyse oder dergleichen genutzt werden kann, nämlich durch Erfassen einer entsprechenden Spannungsantwort des Energiespeichers 20, gegebenenfalls mit Bewertung
In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind verschiedene Verbraucher 30 angedeutet, nämlich eine in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft zum Energiespeicher 20 angeordnete Heizeinrichtung 40, zum Beispiel in Form eines Heizsheets, ein weiterer Energiespeicher 60, der über eine DC/DC-Kopplung mit dem zu Grunde liegenden Energiespeicher 20 elektrisch koppelbar ist sowie ein Generator 50, welcher im aktiven Kurzschlussbetrieb ebenfalls als Verbraucher 30 fungieren kann.
Figur 2 zeigt nach Art einer perspektivischen Explosionsdarstellung eine
Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgestalteten Energiespeichers 20 nach Art eines Fahrzeugenergiespeichers 20‘, insbesondere in Form einer Zelle.
Bei dieser Ausführungsform des Energiespeichers 20 als
Fahrzeugenergiespeicher 20‘ ist die Heizeinrichtung 40 als Heizsheet im
Gehäuse 21 und zwischen den Elektrodenstapeln 22 angeordnet. Im Bereich der Anschlüsse 23 und 24 des Energiespeichers 20 ist die Steuereinheit 10 mit entsprechenden Schalteinheiten ausgebildet. Diese Anordnung ist jedoch nicht obligatorisch, sondern wird nur beispielhaft erwähnt.
Figur 3 illustriert anhand eines Graphen 90 mit einer Ladekurve 93 eine mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugbare Ladestrategie.
Auf der Abszisse 91 des Graphen 90 ist die Zeit, auf der Ordinate 92 der aktuelle Ladestrom l(t) aufgetragen.
Zu erkennen ist, dass die Ladekurve 93 eine Hochladephase 91 -1 mit entsprechenden Ladeabschnitten oder Ladepulsen 93-1 mit
vergleichsweise hohen und konstanten Werten des Ladestroms l(t)
aufweist. Es schließt sich eine Zwischenladephase 93-2 oder
Übergangsladephase an, in der der Wert des Ladestroms l(t) - insbesondere aber nicht zwingend linear - mit der Zeit abgesenkt wird, um in eine Niedriqladephase 93-3 zu münden mit vergleichsweise niedrigen und konstanten Werten des Ladestroms l(t).
Zwischen den einzelnen Ladeabschnitten 93-1 oder Ladepulsen liegen temporäre und im Vergleich zu den Ladeabschnitten 93-1 kurzzeitige
Entladepulse oder Entladeabschnitte 93-2 mit einer steilen abfallenden
Flanke für den Verlauf des Werts des Ladestroms l(t). Diese Entladepulse 93-2 mit steil abfallender Flanke können genutzt werden, um z.B eine sich daraus ergebende Spannungsantwort des Energiespeichers 20 zu erfassen und auszuwerten, nämlich zur Ableitung einer für die Impedanz des
Energiespeichers 20 charakteristischen Größe. Im einfachsten Fall kann es sich dabei um eine Größe handeln, die den entsprechenden
Spannungsabfall durch den Energiespeicher direkt beschreibt.
Der jeweilige Verlauf der Flanke kann vom Laderegime 92-1 der Ordinate 92 über den Wert Null hinaus ins Entladeregime 92-2 hineinreichen, dies ist jedoch nicht zwingend, vielmehr reicht ein Abfall, der innerhalb des
Laderegimes 92-1 verläuft, um das erfindungsgemäße Konzept zu
realisieren.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden
Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Das Schnellladen eines Energiespeichers mittels eines CCCV-Verfahrens (CCCV: constant current constant voltage) oder mittels eines Multistep- Verfahrens (MSCC: multi Step constant current) ist in mobilen Endgeräten mit nur einer Lithiumionenzelle in impedanzgesteuerter Art und Weise möglich. Um Änderungen der Impedanz zu ermitteln, werden dabei Stromänderungen - zum Beispiel im Bereich von einigen zig Hz oder einigen 100 Hz bis in den kHz- Bereich - zum Beispiel mit Pulsweiten im Bereich weniger Millisekunden, zum Beispiel 1 ms bis 10 ms - und/oder mit einem Wechsel von Laden zu Entladen aufgeprägt und die Spannungsantwort gemessen.
In einem Elektrofahrzeug 1‘ oder Hybridfahrzeug - aufgefasst als
Arbeitsvorrichtung 1 - können durch die Ladesäule - aufgefasst als Ladeeinheit 80 - keine derartigen Stromänderungen erzeugt werden, weil eine derartige Ladesäule den Energiespeicher eines entsprechenden Fahrzeugs nur laden, jedoch nicht entladen kann.
Zudem ist eine mit Ladesäulen 80 erzeugbare Stromrampe oder Stromflanke auf einen Wert von 20 A/s beschränkt. Dies ist für die Ableitung einer für die Impedanz eines Energiespeichers 20 charakterisierenden Größe nicht ausreichend.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung und insbesondere Integration eines oder mehrerer Heizsheets 40 oder allgemeiner Ohmscher Verbraucher 30 in eine Zelle eines Energiespeichers einer Arbeitsvorrichtung 1 insbesondere eines Fahrzeugs 1‘, kann während eines laufenden Schnellladevorgangs über ein Zuschalten der Verbraucher 30 über die Zelle auch ein Entladen erfolgen. Durch das Zuschalten Ohmscher Verbraucher 30 werden Entladeströme erzeugt und/oder es wird Strom im notwendigen Maße reduziert.
Etwaig verwendete Schaltelemente müssen schnell genug schalten können, insbesondere im Bereich von einigen zig Hz oder einigen 100 Hz bis in den kHz- Bereich, zum Beispiel mit Pulsweiten im Bereich weniger Millisekunden, zum Beispiel 1 ms bis 10 ms. Auch muss das Schalten möglichst zellindividuell erfolgen können oder je Modul oder je Hochvoltbatterie realisierbar sein. Die Schaltelemente müssen auch mit einer entsprechenden Stromtragfähigkeit ausgelegt sein.
Jedoch ist mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen eine Messung der Impedanz zum Beispiel über Chip oder ASIC - aufgefasst als erfindungsgemäße
Steuereinheit 10 - nahe an der Zelle oder allgemein am Energiespeicher 20 möglich.
Der Chip oder ASIC kann als Steuereinheit 10 auch die notwendigen Schalter steuern und/oder diese enthalten oder bilden.
Da die so genannten Entladepulse von nur kurzer Zeitdauer sind, ist der
Wärmeeintrag in den Ohmschen Verbrauchern 30 und insbesondere im
Heizsheet 40 vergleichsweise gering.
Die Auslegung des Werts des Ohmschen Widerstands des Ohmschen
Verbrauchers 30 zum Zellwiderstand kann so bemessen werden, dass bei gleichzeitigem Laden und bei Aktivierung des Ohmschen Verbrauchers 30 und insbesondere des Heizsheets 40 sich die Zelle als Energiespeicher 20 auch entlädt.
Der Regelung gemäß der Impedanz ist beim Schnellladen von einer thermischen Degradation des Stroms überlagert um ein gegebenes Temperaturlimit der Zellen nicht zu überschreiten. Zudem wird in Abhängigkeit von der Zellspannung der Wert eines maximalen oder Peakstroms festgelegt.
Als Verbraucher kann alternativ zu einem rein Ohmschen Verbraucher auch ein zweiter Energiespeicher 80 in der Arbeitsvorrichtung 1 oder im Fahrzeug 1‘ vorgesehen werden, um Entladepulse zu erzeugen. Die Energiespeicher 20, 20 und 80 werden in diesem Fall über eine DC/DC-Kopplung 70 miteinander verbunden.
Dadurch, dass zum Beispiel ein Heizsheet 40 als Ohmscher Verbraucher 30 im Inneren oder außerhalb einer zu ladenden Zelle als Verbraucher dient, um hochfrequente Entladepulse während des Ladens darzustellen, ist auch an einer Ladesäule und bei allen Ladeeinheiten 80, die keine geeigneten Entladepulse bereitstellen können, ein impedanzgesteuertes Schnellladen möglich.
Zudem ergeben sich durch die Entladepulse weitere Vorteile:
- Es kann die Aufladung einer Doppelschicht an Elektroden vermieden werden
- Es ergibt sich ein nicht durch Diffusion limitierter Bereich
- Ein geringerer effektiver Widerstand führt zu weniger Abwärme
- Das Anodenpotential kann auf einem höheren Niveau verbleiben
- Es ergibt sich erfindungsgemäß eine geringere Platinggefahr in Bezug auf metallisches Lithium
- Folglich stellt sich eine höhere Lebensdauer des Energiespeichers ein.
- Zusätzlich können kürzere Ladezeiten realisiert werden. Auch sind höhere Ladeleistungen möglich.
Durch den Stromfluss über das Heizsheet 40 oder allgemein über den Ohmschen Widerstand des Ohmschen Verbrauchers 30 wird die Zelle - aufgefasst als Energiespeicher 20 - zudem erwärmt. Dies ist dem Schnellladen förderlich und verbessert auch die Lebensdauer, verringert die geringere Platinggefahr in Bezug auf metallisches Lithium und reduziert den Widerstand, insbesondere bei einer Erhöhung des Anodenpotentials.
Das erfindungsgemäße impedanzgesteuerte Schnellladen kann effektiv so geregelt und betrieben werden, dass bei hohen Zellspannungen der Strom reduziert wird bzw das Anodenpotential nie zu tief sinkt, so dass auch darüber ein Plating vermieden wird.
Bezugszeichenliste:
1 Arbeitsvorrichtung
Fahrzeug
10 Steuereinheit
20 Energiespeicher, Speicher für elektrische Energie
20 Fahrzeugenergiespeicher
21 Gehäuse
22 Elektrodenanordnung/-stapel
23 Anschluss
24 Anschluss
30 Ohmscher Verbraucher
40 Heizeinrichtung
50 Generator
80 (weiterer) Energiespeicher
70 DC/DC-Kopplung
80 Ladeeinheit
90 Graph
91 Abszisse
91 -1 Hochladephase
91 -2 Obergangsladephase
91 -3 Niedrigladephase
92 Ordinate
92-1 Laderegime
92-2 Entladeregime
93 Spur
93-1 Ladeabschnitt, Ladepuls
93-1 Entladeabschnitt, Entladepuls
100 Ladesystem

Claims

Patentansprüche:
1 Verfahren zum impedanzgesteuerten Schnellladen eines elektrischen Energiespeichers (20) einer Arbeitsvorrichtung (1 ) und insbesondere eines Fahrzeugenergiespeichers (20‘) eines Fahrzeugs (1‘), bei welchem
- ein für eine Impedanz des Energiespeichers (20) charakteristische
Größe erfasst wird,
- ein aktueller Ladestrom zum Laden des elektrischen Energiespeichers (20) in Abhängigkeit von der für die Impedanz charakteristischen Größe eingestellt wird,
- durch temporäres Zuschalten und Versorgen eines Ohmschen
Verbrauchers (30) mit dem Energiespeicher (20) der aktuelle Ladestrom mit steiler Flanke temporär abgesenkt wird, insbesondere von mehr als 20 A/s, und
- eine Spannungsantwort des Energiespeichers (20) auf die steile Flanke als für die Impedanz des Energiespeichers (20) charakteristische Größe erfasst und dem Einstellen des aktuellen Ladestroms zu Grunde gelegt wird
2 Verfahren nach Anspruch 1 , bei welchem als Ohmscher Verbraucher (30) eine Heizeinrichtung (40) verwendet und zum Absenken des aktuellen Ladestroms mit dem Energiespeicher (20) zum Betrieb der Heizeinrichtung (40) verbunden wird
3 Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem als Heizeinrichtung (40) eine dem Energiespeicher (20) eigene Heizeinrichtung und insbesondere eine batterieeigene oder zelleigene Heizeinrichtung an oder im Energiespeicher (20) und insbesondere an oder in einer Batterie oder Zelle verwendet wird, insbesondere nach Art eines Heizsheets.
4 Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem als Ohmscher Verbraucher (30) ein Generator (50) oder eine E-Maschine der zu Grunde liegenden Arbeitsvorrichtung (1 ) verwendet wird, insbesondere im Zustand eines aktiven Kurzschlusses
5 Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem als Ohmscher Verbraucher (30) ein weiterer zu ladender Energiespeicher (60) verwendet wird, insbesondere in DC/DC-Kopplung mit dem zu Grunde liegenden Energiespeicher (20).
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das
Laden des Energiespeichers (20)
- lokal und/oder dezentral für den zu Grunde liegenden Energiespeicher (20) oder
- zentral und zusammen mit dem zu Grunde liegenden Energiespeicher (20) für eine Mehrzahl von Energiespeichern
gesteuert oder geregelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das
Laden einer Mehrzahl von Energiespeichern (20) gesteuert oder geregelt wird, wobei
- ein Erfassen einer Spannungsantwort eines zu Grunde liegenden oder jeweiligen Energiespeichers (20) lokal und/oder dezentral erfolgt,
- ein Auswerten und/oder Bewerten von Spannungsantworten einer
Mehrzahl von Energiespeichern (20) zentral erfolgt und/oder
- eine gemeinsame Ladestrategie für eine Mehrzahl von Energiespeichern (20) auf der Grundlage eines Energiespeichers (20) mit der geringsten Impedanz unter sämtlichen Energiespeichern (20) ausgewählt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das temporäre Absenken des Ladestroms,
- insbesondere für Diagnosezwecke, mit einer Häufigkeit im Bereich von etwa 0,1 Hz bis etwa 10 Hz, nach Art eines Entladepulses, mit einer Pulsdauer im niederfrequenten Anteil mit einer Länge von etwa 1 Sekunde, mit einem Entladen von 5 ms, mit einer Regelung auf einen verschwindenden Ladestrom von 995 ms und/oder mit einer Pulsdauer im hochfrequenten Anteil im Bereich von etwa 5 ms bis etwa 10 ms und/oder, - insbesondere für eine homogenisierte Interkalation, mit einer Häufigkeit im Bereich von etwa 50 Hz bis etwa 200 Hz und/oder mit einer
Äbtastrate von 10 %
erfolgt.
9. Steuereinheit (10) für ein Ladesystem (100), welche eingerichtet ist, in
einem zu Grunde liegenden Ladesystem (100) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen, ablaufen zu lassen und/oder zu steuern und welche insbesondere
- als Steuerchip und/oder ASIC an oder in einem zu Grunde liegenden Energiespeicher (20), insbesondere einer Batteriezelle, einem Modul, einem Modulgehäuse, oder an oder in einem Bereich einer Batteriezelle, eines Moduls oder eines Modulgehäuses,
- zentral,
- dezentral,
- für einen oder mehrere Energiespeicher (20), Batteriezellen oder Module
- zum lokalen oder zentralen Messen und/oder
- zum lokalen oder zentralen Bewerten und/oder Steuern
ausgebildet ist.
10. Ladesystem (100) zum impedanzgesteuerten Schnellladen eines
elektrischen Energiespeichers (20) einer Arbeitsvorrichtung (1 ) und insbesondere eines Fahrzeugenergiespeichers (20‘) eines Fahrzeugs (1‘), welches eingerichtet ist, mit oder zu einem Verfahren zum
impedanzgesteuerten Schnellladen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 verwendet, betrieben bzw. gesteuert zu werden und/oder welches insbesondere mit einer Steuereinheit (10) nach Anspruch 9 ausgebildet ist.
1 1. Energiespeicher (20) und insbesondere Fahrzeugenergiespeicher (20‘) mit einer Steuereinheit (10) nach Anspruch 9 oder einem Anschluss zu einer Steuereinheit (10) nach Anspruch 9 und insbesondere mit einem
Ohmschen Verbraucher (30) oder einem Anschluss zur steuerbar schaltbaren Verbindung zu einem Ohmschen Verbraucher (30). Arbeitsvorrichtung (1 ) mit einem Energiespeicher (20) und mit einer Steuereinheit (100) oder mit einem Energiespeicher (20), welcher eine Steuereinheit (10) aufweist,
- wobei der Energiespeicher (20) gemäß Anspruch 1 1 ausgebildet ist und/oder
- wobei eine jeweilige Steuereinheit (10) gemäß Anspruch 9 ausgebildet ist.
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