WO2020224842A1 - Vorrichtung mit wenigstens einer wiederaufladbaren batterie - Google Patents

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WO2020224842A1
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rechargeable
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Definitions

  • the invention relates to a device with at least one rechargeable battery.
  • At least one rechargeable battery is connected to a higher-level system via an electrical converter, which can be formed, for example, by a DC / DC converter or DC / AC converter.
  • an electrical converter With the electrical converter, electrical energy can be taken from the rechargeable battery or supplied to it.
  • such a device can also include a plurality of rechargeable batteries, with each rechargeable battery then being assigned an electrical converter connected to the higher-level system.
  • Rechargeable batteries are becoming increasingly important in the carbon-reduced and carbon-free energy supply. This applies to both mobile and stationary applications.
  • the mobile applications range from classic automobiles to various types of commercial vehicles to mobile work machines and ships.
  • the stationary applications relate primarily to the generation of electrical power as an island network or for feeding into public networks.
  • An essential aspect for the economical use of rechargeable batteries are the usage costs per operating hour and the associated service life of a rechargeable battery.
  • the invention is based on the object of providing a device of the type mentioned at the outset, which has a high level of functionality with little structural effort.
  • the invention relates to a device with at least one rechargeable battery and an electrical converter assigned to it, which is connected to a higher-level system.
  • the electrical converter is designed to take electrical energy from the rechargeable battery or feed it into it.
  • parameters of the rechargeable battery are determined during its operation.
  • means are provided for influencing the mode of operation of the rechargeable battery.
  • the function of the device according to the invention is increased by the fact that the electrical converter (s) are not only used to draw energy from the rechargeable batteries or to feed them into them and thereby ensure that the rechargeable battery is coupled to a higher-level system.
  • characteristic variables of the rechargeable battery are recorded with the electrical converter or converters, this recording taking place in situ, that is to say directly on the device, and advantageously continuously and also time-resolved.
  • information is obtained about the current operating status of the rechargeable battery, which enables comprehensive control of the rechargeable battery.
  • control processes which are adapted to the current operating status of the rechargeable battery or can also optimize the operating status of the rechargeable battery, are carried out as a function of the recorded parameters.
  • the aging condition of the or each rechargeable battery is advantageously determined by means of the parameters.
  • aging-relevant operating modes of the or each rechargeable battery are determined by means of the parameters.
  • the mode of operation of the or each rechargeable battery is influenced in such a way that its service life is increased.
  • the device according to the invention can only have one rechargeable battery to which an electrical converter is assigned.
  • the device according to the invention particularly advantageously has a multiple arrangement of rechargeable batteries.
  • Each rechargeable battery is connected to the higher-level system via an electrical converter.
  • Such a multiple arrangement of rechargeable batteries, each with an associated electrical converter, is particularly suitable for controlling the operating modes of the rechargeable battery.
  • the mode of operation of this rechargeable battery can advantageously be modified in a targeted manner in such a way that an operating state is achieved for it in which the service life, that is to say the service life of this rechargeable battery, is increased.
  • the other rechargeable batteries are then controlled in such a way that they compensate for the modification of the operating mode of the first rechargeable battery, so that for the entire system, and in particular, in particular the higher-level system whose required properties are met at all times.
  • the control can particularly advantageously take place in such a way that some rechargeable batteries of the multiple arrangement are operated alternately or even simultaneously in an operating mode that increases this service life.
  • the or each electrical converter can form a control means for influencing the mode of operation of the or each rechargeable battery.
  • a control unit connected to the or each electrical converter can be provided for influencing the mode of operation of the or each rechargeable battery.
  • the or each electrical converter is formed by a DC / DC converter.
  • the DC / DC converter or converters can be connected to a DC voltage network, this forming the higher-level system.
  • the or each electrical converter is formed by a DC / AC converter.
  • systems with motors can be provided as a higher-level system.
  • the DC / AC converters can be connected to a motor, with the DC / AC converters feeding different sub-windings of the motor.
  • each DC / AC converter can each be connected to a motor, the motors being connected via a summing gear.
  • sensors are provided for measuring parameters which are integrated in an electrical converter or assigned to it.
  • the current and voltage of a rechargeable battery are advantageously recorded as parameters.
  • the charging and / or discharging current of a rechargeable battery can be modified by means of an electrical converter in order to record parameters.
  • the voltage is determined as a function of the current.
  • the aging condition of a rechargeable battery can be analyzed particularly well, in particular if it is recorded as a function of time.
  • the charging and / or discharging current is modified in that an alternating current with variable frequency and amplitude is superimposed on a direct current by means of an electrical converter.
  • the alternating current is preferably sinusoidal.
  • the complex alternating current resistance of the rechargeable battery is determined as the parameter.
  • this in-situ operation corresponds to the method of electrochemical impedance spectroscopy.
  • a multiple implementation with variation of frequency and amplitude leads to characteristic curves, which are assigned to temperature and state of charge to the state of aging various components of the battery can provide information.
  • the battery supplies information on temperature and state of charge via its BMS (Battery eManagementSy stem).
  • Measurement data determined in the or each electrical converter can advantageously be evaluated in the control unit.
  • measurement data recorded in the or each electrical converter can be read out to an external computer unit, the computer unit being designed to evaluate the measurement data.
  • the computer unit can be part of a cloud.
  • the coupling to the computer unit can take place with a contactless data transmission link, with radio signals in particular being used for data transmission.
  • the measurement data can be transmitted continuously or only during maintenance processes.
  • the measurement data advantageously contain an individual identifier for the respective rechargeable battery.
  • the measurement data are clearly assigned to the rechargeable battery for which they were recorded.
  • the measurement data can thus be used specifically for checking the aging status of this rechargeable battery.
  • the measurement data are also advantageously transmitted in encrypted form. This means that only authorized persons can have access to the measurement data.
  • guidelines or recommendations for action for the operation of rechargeable batteries to increase their service life can be created on the basis of the measurement data.
  • Information for the further development of rechargeable batteries can also advantageously be derived from the measurement data.
  • This cyclical operation is carried out in such a way that each battery transfers energy once to the other batteries within each cycle. This operation is maintained for a specified time in order to efficiently heat cold batteries. Batteries heated in this way can be used better for charging and discharging than batteries that are too cold.
  • This operating mode makes use of the fact that, in the cold state of a battery, the technically permitted discharge current is considerably higher than the charging current.
  • This operating mode works particularly well when at least three batteries are provided.
  • Figure 1 First embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 2 Second embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 3 Third embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 4 Representation of the course of the complex resistance of a rechargeable battery as a function of the modulation frequency of a superimposed alternating current.
  • FIGS. 1 to 3 show three exemplary embodiments of the device F according to the invention.
  • the devices 1 according to FIGS. 1 to 3 each have a multiple arrangement of rechargeable batteries 2 which, for example, can be designed as lithium-ion batteries.
  • the rechargeable batteries 2 of a multiple arrangement are designed identically in the present case, but this is not mandatory.
  • a device 1 can also have only one rechargeable battery 2.
  • the device 1 can also have more than two rechargeable batteries 2.
  • each rechargeable battery 2 is assigned an electrical converter for coupling to a higher-level system.
  • the rechargeable batteries 2 are operated with the respectively assigned electrical converter so that the rechargeable battery 2 can be charged with a charging current or energy can be taken from the rechargeable battery 2 with a discharging current in order to feed it to the higher-level system.
  • each rechargeable battery 2 is assigned an electrical converter in the form of a DC / DC converter 3.
  • the above- orderly system is formed in this case in the form of a DC voltage network 4 from. This can then drive motors via DC / AC converters or form an island network or feed energy into a public power grid.
  • each rechargeable battery 2 is assigned an electrical converter in the form of a DC / AC converter 5.
  • the superordinate system is formed by a motor 6 in the present case. Energy is fed into separate windings of the motor 6 via the DC / AC converter 5.
  • each rechargeable battery 2 is assigned an electrical converter in the form of a DC / AC converter 5.
  • the higher-level system is formed by two motors 6a, 6b, which are coupled via a 7 sum transmission.
  • a motor 6a, 6b is controlled with each DC / AC converter 5.
  • characteristic variables are recorded with the electrical converters, on the basis of which information about the operating state of the associated rechargeable battery 2 is determined.
  • the state of aging of the or each rechargeable battery 2 is determined by means of the parameters.
  • aging-relevant operating modes of the or each rechargeable battery 2 are determined by means of the parameters.
  • sensors are provided for measuring parameters that are integrated in an electrical converter or assigned to it.
  • the operating mode of the rechargeable battery 2 is also influenced, in particular as a function of the determined parameters.
  • the mode of operation of the or each rechargeable battery 2 is influenced in such a way that its service life is increased.
  • Suitable control means are provided for influencing the mode of operation of the rechargeable battery 2. These can generally be formed by the electrical converters themselves.
  • control unit 8 is provided as the control means, which is connected to the electrical converter, as FIGS. 1 to 3 show.
  • the operating mode of the rechargeable battery 2 is modified in a targeted manner with the control means in such a way that its service life or service life is increased.
  • the control can advantageously take place as a function of the determined parameters.
  • the operation of one of the rechargeable batteries 2 is controlled so that its service life is increased, the further rechargeable battery 2 is controlled in such a way that the required properties of the overall system remain unaffected.
  • the control unit 8 can also be used to evaluate measurement data generated with the electrical transducers.
  • a computer unit 9 is provided for this purpose, which is connected to the electrical converters via a bidirectional data transmission path 10 (FIGS. 1 to 3).
  • the data transmission path 10 can be wired.
  • the data transmission link 10 works without contact, where this data is advantageously transmitted in the form of radio signals.
  • the computer unit 9 can be a cloud computer in a cloud.
  • the measurement data for a rechargeable battery 2 are advantageously provided with an identifier uniquely identifying this rechargeable battery 2, so that the measurement data can be clearly assigned to the rechargeable battery 2 during the evaluation.
  • the measurement data are also advantageously transmitted in encrypted form via the data transmission link 10, so that only authorized persons have access to the measurement data.
  • the measurement data can generally be continuously transmitted from the electrical converters to the computer unit 9. Alternatively, the measurement data can only be transmitted within discrete time intervals, for example during maintenance processes.
  • the current and voltage of a rechargeable battery 2 are recorded as parameters.
  • the charging and / or discharging current of a rechargeable battery 2 can be modified by means of an electrical converter in order to detect parameters.
  • the voltage is true depending on the current.
  • the charging and / or discharging current can be modified in that an alternating current with variable frequency and amplitude is superimposed on a direct current by means of an electrical converter.
  • the complex alternating current resistance of the rechargeable battery 2 is determined as a parameter.
  • FIG. 4 shows the course of the determined complex resistance R in mOhm over the modulation frequency f in Hz of a superimposed alternating current.
  • the frequency-dependent curve of the alternating current for an old rechargeable battery 2, in which the aging process has already progressed differs significantly from the curve for a new rechargeable battery 2.
  • Such analyzes preferably as a function of the state of charge and the temperature of the rechargeable battery 2, can provide information about the aging of individual components of the rechargeable battery 2.
  • this also includes the chemical decomposition of the electrolytes of the rechargeable battery 2. This also includes the aging of separators, which leads to an increase in the passage resistance for the ions of the rechargeable battery 2. Finally, aging of passive components such as binders can also be recorded.
  • the determined parameters can be evaluated in the computing unit 9 for different purposes.
  • guidelines or recommendations for action for the operation of rechargeable batteries 2 to increase their service life can be created using the measurement data.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) mit wenigstens einer wiederaufladbaren Batterie (2) und einem dieser zugeordneten elektrischen Wandler, welcher an ein übergeordnetes System angeschlossen ist. Der elektrische Wandler ist ausgebildet elektrische Energie aus der wiederaufladbaren Batterie (2) zu entnehmen oder in diese einzuspeisen. Mittels des elektrischen Wandlers werden Kenngrößen der wiederaufladbaren Batterie während deren Betriebs ermittelt. Alternativ oder zusätzlich sind Mittel zur Beeinflussung der Betriebsweise der wiederaufladbaren Batterie (2) vorgesehen.

Description

Vorrichtung mit wenigstens einer wiederaufladbaren Batterie
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit wenigstens einer wiederaufladbaren Batterie.
Bei einer derartigen Vorrichtung ist wenigstens eine wiederaufladbare Batterie über einen elektrischen Wandler, der beispielsweise von einem DC/DC-Wandler oder DC/AC -Wandler gebildet sein kann, an ein übergeordnetes System ange schlossen. Mit dem elektrischen Wandler kann elektrische Energie der wieder aufladbaren Batterie entnommen oder dieser zugeführt werden. Typischerweise kann eine derartige Vorrichtung auch mehrere wiederaufladbare Batterien um fassen, wobei dann jeder wiederaufladbaren Batterie ein an das übergeordnete System angeschlossener elektrischer Wandler zugeordnet ist.
Wiederaufladbare Batterien erlangen in der carbonreduzierten und carbonfreien Energieversorgung eine steigende Bedeutung. Dies gilt sowohl für mobile An wendungen als auch für stationäre Anwendungen. Die mobilen Anwendungen reichen vom klassischen Automobil über verschiedene Arten von Nutzfahrzeu- gen bis zu mobilen Arbeitsmaschinen und Schiffen. Die stationären Anwendun gen betreffen vor allem die Erzeugung von elektrischem Strom als Inselnetz oder zur Einspeisung in öffentliche Netze.
Ein wesentlicher Aspekt für eine wirtschaftliche Nutzung von wiederaufladba ren Batterien sind die Gebrauchskosten je Betriebsstunde und damit verbunden die Lebensdauer einer wiederaufladbaren Batterie. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge nannten Art bereitzustellen, welcher bei geringem konstruktivem Aufwand eine hohe Funktionalität aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin dung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit wenigstens einer wiederaufladbaren Batterie und einem dieser zugeordneten elektrischen Wandler, welcher an ein übergeordnetes System angeschlossen ist. Der elektrische Wandler ist ausgebil det elektrische Energie aus der wiederaufladbaren Batterie zu entnehmen oder in diese einzuspeisen. Mittels des elektrischen Wandlers werden Kenngrößen der wiederaufladbaren Batterie während deren Betriebs ermittelt. Alternativ oder zu sätzlich sind Mittel zur Beeinflussung der Betriebsweise der wiederaufladbaren Batterie vorgesehen.
Die Funktion der erfmdungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch erhöht, dass der oder die elektrischen Wandler nicht nur dazu genutzt werden, um Energie aus den wiederaufladbaren Batterien zu entnehmen oder in diese einzuspeisen und dabei für eine Ankopplung der wiederaufladbaren Batterie an ein übergeordnetes System zu sorgen.
Vielmehr werden erfmdungsgemäß mit dem oder den elektrischen Wandlern Kenngrößen der wiederaufladbaren Batterie erfasst, wobei diese Erfassung in- situ, das heißt direkt an der Vorrichtung, und vorteilhaft fortlaufend und auch zeitaufgelöst erfolgt. Durch die Erfassung dieser Kenngrößen werden Informa tionen über die aktuellen Betriebszustände der wiederaufladbaren Batterie ge wonnen, wodurch eine umfassende Kontrolle der wiederaufladbaren Batterie er möglicht wird. Erfmdungsgemäß ist nicht nur eine Kontrolle im Sinne eines Mo nitorings der wiederaufladbaren Batterie möglich. Vielmehr können, insbeson- dere abhängig von den erfassten Kenngrößen, Steuervorgänge durchgeführt wer den, die an den aktuellen Betriebszustand der wiederaufladbaren Batterie ange passt sind oder auch die Betriebszustände der wiederaufladbaren Batterie opti mieren können. Dabei wird vorteilhaft mittels der Kenngrößen der Alterungszustand der oder jeder wiederaufladbaren Batterie bestimmt.
Weiterhin werden mittels der Kenngrößen alterungsrelevante Betriebsweisen der oder jeder wiederaufladbaren Batterie bestimmt.
Schließlich ist die Betriebsweise der oder jeder wiederaufladbaren Batterie der- art beeinflusst, dass deren Gebrauchsdauer erhöht wird.
Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nur eine wiederaufladbare Batterie aufweisen, der ein elektrischer Wandler zugeordnet ist.
Besonders vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Mehrfach anordnung von wiederaufladbaren Batterien auf. Jede wiederaufladbare Batterie ist über einen elektrischen Wandler an das übergeordnete System angeschlossen.
Eine derartige Mehrfachanordnung von wiederaufladbaren Batterien mit jeweils einem zugeordneten elektrischen Wandler eignet sich besonders gut für die Steu erung der Betriebsweisen der wiederaufladbaren Batterie.
Vorteilhaft kann dazu die Betriebsweise dieser wiederaufladbaren Batterie ge- zielt derart modifiziert werden, dass für diese ein Betriebszustand erzielt wird, bei welchem die Gebrauchs-, das heißt Lebensdauer dieser wiederaufladbaren Batterie erhöht wird. Die anderen wiederaufladbaren Batterien werden dann so gesteuert, dass mit diesen die Modifikation der Betriebsweise der ersten wieder aufladbaren Batterie kompensiert wird, so dass für das Gesamtsystem, und ins- besondere das übergeordnete System zu jedem Zeitpunkt deren geforderte Ei genschaften erfüllt sind. Bei einer wechselnden vorzugsweise periodischen Mo difikation von Betriebsweisen von wiederaufladbaren Batterien kann die Steue rung besonders vorteilhaft derart erfolgen, dass im Wechsel oder sogar gleich zeitig einige wiederaufladbaren Batterien der Mehrfachanordnung in einer dieser Lebensdauer erhöhenden Betriebsweise betrieben werden.
Für eine derartige Steuerung kann der oder jeder elektrische Wandler ein Steu ermittel zur Beeinflussung der Betriebsweise der oder jeder wiederaufladbaren Batterie bilden.
Alternativ oder zusätzlich kann eine an dem oder jeden elektrischen Wandler angeschlossene Steuereinheit zur Beeinflussung der Betriebsweise der oder je der wiederaufladbaren Batterie vorgesehen sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der oder jeder elektrische Wandler von einem DC/DC-Wandler gebildet.
In diesem Fall können der oder die DC/DC-Wandler an ein Gleichspannungsnetz angeschlossen sein, wobei dieses das übergeordnete System bildet.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist der oder jeder elektrische Wandler von einem DC/AC -Wandler gebildet.
In diesem Fall können als übergeordnetes System Systeme mit Motoren vorge sehen sein. Gemäß einer ersten Variante können die DC/AC -Wandler an einen Motor angeschlossen werden, wobei die DC/AC -Wandler unterschiedliche Teil wicklungen des Motors speisen.
Gemäß einer zweiten Variante kannjeder DC/AC -Wandler jeweils an einen Mo tor angeschlossen sein, wobei die Motoren über ein Summiergetriebe verbunden sind. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind zur Messung von Kenngrößen Sensoren vorgesehen, die in einem elektrischen Wandler integriert oder diesem zugeordnet sind.
Vorteilhaft werden als Kenngrößen Strom und Spannung einer wiederaufladba- ren Batterie erfasst.
Hierzu kann zur Erfassung von Kenngrößen einer wiederaufladbaren Batterie deren Lade- und/oder Entladestrom mittels eines elektrischen Wandlers modifi ziert werden.
Dabei wird durch die Modifikation des Lade- und/oder Entladestroms für die wiederaufladbare Batterie die Spannung in Abhängigkeit des Stroms bestimmt.
Anhand dieser Strom-Spannungs-Kennlinie kann der Alterungszustand einer wiederaufladbaren Batterie besonders gut analysiert werden, insbesondere wenn diese zeitabhängig erfasst wird.
Gemäß einer weiteren Variante ist der Lade- und/oder Entladestrom dadurch modifiziert, dass mittels eines elektrischen Wandlers einem Gleichstrom ein Wechselstrom mit variabler Frequenz und Amplitude überlagert ist. Der Wech selstrom ist vorzugsweise sinusförmig.
In diesem Fall wird als Kenngröße der komplexe Wechselstromwiderstand der wiederaufladbaren Batterie bestimmt. Durch Variation der Frequenz des überlagerten Wechselstroms mit simultaner Messung von Strom und Spannung entspricht dieser in-situ-Betrieb dem Verfah ren einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie. Eine mehrfache Durchfüh rung mit Variation von Frequenz und Amplitude führt zu charakteristischen Kur ven, welche zugeordnet zu Temperatur und Ladezustand zum Alterungszustand verschiedener Komponenten der Batterie Informationen liefern können. Die In formationen zu Temperatur und Ladezustand liefert die Batterie über ihr BMS (B atteri eManagementSy stem) .
Vorteilhaft können in dem oder jedem elektrischen Wandler ermittelte Messda- ten in der Steuereinheit ausgewertet werden.
Alternativ oder zusätzlich können in dem oder jedem elektrischen Wandler er fasste Messdaten an eine externe Rechnereinheit auslesbar sein, wobei die Rech nereinheit zur Auswertung der Messdaten ausgebildet ist.
Insbesondere kann die Rechnereinheit Bestandteil einer Cloud sein. Die Ankopplung an die Rechnereinheit kann mit einer berührungslos arbeiten den Datenübertragungsstrecke erfolgen, wobei insbesondere Funksignale zur Datenübertragung verwendet werden.
Damit ist eine flexible, räumlich von der Vorrichtung völlig entkoppelte Aus wertung der Daten der wiederaufladbaren Batterie möglich. Dabei können die Messdaten fortlaufend oder nur während Wartungsvorgängen übertragen werden.
Vorteilhaft enthalten die Messdaten eine individuelle Kennung für die jeweilige wiederaufladbare Batterie.
Dadurch sind die Messdaten eindeutig der wiederaufladbaren Batterie zugeord net, für welche diese aufgenommen wurden. Die Messdaten können somit spe zifisch für eine Kontrolle des Alterungszustands dieser wiederaufladbaren Bat terie verwendet werden.
Weiter vorteilhaft werden die Messdaten chiffriert übertragen. Damit können nur autorisierte Personen Zugang zu den Messdaten erhalten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind anhand der Messdaten Leitlinien oder Handlungsempfehlungen für den Betrieb von wiederaufladbaren Batterien zur Erhöhung deren Gebrauchsdauer erstellbar. Weiter vorteilhaft sind aus den Messdaten Informationen für die Weiterentwick lung von wiederaufladbaren Batterien ableitbar.
Damit können Entwicklungsprozesse bei der Entwicklung von wiederaufladba ren Batterien erheblich effizienter gestaltet werden.
Besonders vorteilhaft wird bei einer Mehrfachanordnung von wiederaufladbaren Batterien in einem zyklischen Betrieb jeweils Energie von einer Batterie den je weils anderen Batterien zugeführt, wodurch diese anderen Batterien erwärmt werden.
Dieser zyklische Betrieb wird so durchgeführt, dass innerhalb jedes Zyklus jede Batterie einmal Energie an die jeweils anderen Batterien überträgt. Dieser Be- trieb wird für eine vorgegebene Zeit aufrechterhalten, um so kalte Batterien ef fizient zu erwärmen. Die so erwärmten Batterien sind besser für Lade- und Ent ladevorgänge einsetzbar, als zu kalte Batterien.
Bei diesem Betriebsmodus wird der Umstand ausgenutzt, dass bei einer Batterie im kalten Zustand der technisch erlaubte Entladestrom erheblich höher als der Ladestrom ist.
Dieser Betriebsmodus funktioniert besonders gut, wenn wenigstens drei Batte rien vorgesehen sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand den Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : Erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Figur 2: Zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 3 : Drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 4: Darstellung des Verlaufs des komplexen Widerstands einer wieder aufladbaren Batterie in Abhängigkeit der Modulationsfrequenz eines überlagerten Wechselstroms.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung F Die Vorrichtungen 1 gemäß den Figuren 1 bis 3 weisen jeweils eine Mehrfachanordnung von wiederaufladbaren Batterien 2 auf, die beispiels weise als Lithium-Ionen-Batterien ausgebildet sein können. Die wiederauflad- baren Batterien 2 einer Mehrfachanordnung sind im vorliegenden Fall identisch ausgebildet, was jedoch nicht zwingend ist.
Generell kann eine Vorrichtung 1 auch nur eine wiederaufladbare Batterie 2 auf- weisen. Ebenso kann die Vorrichtung 1 mehr als zwei wiederaufladbare Batte rien 2 aufweisen. Bei allen Ausführungsbeispielen ist jeder wiederaufladbaren Batterie 2 ein elektrischer Wandler zur Ankopplung an ein übergeordnetes System zugeordnet.
Die wiederaufladbaren Batterien 2 werden mit dem jeweils zugeordneten elektri schen Wandler so betrieben, dass die wiederaufladbare Batterie 2 mit einem La destrom geladen werden kann oder mit einem Entladestrom Energie aus der wie- deraufladbaren Batterie 2 entnommen werden kann um diese dem übergeordne ten System zuzuführen.
Bei der Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 ist jeder wiederaufladbaren Batterie 2 ein elektrischer Wandler in Form eines DC/DC-Wandlers 3 zugeordnet. Das über- geordnete System ist in diesem Fall in Form eines Gleichspannungsnetzes 4 aus gebildet. Dieses kann dann über DC/AC -Wandler Motoren antreiben oder ein Inselnetz bilden oder in ein öffentliches Stromnetz Energie einspeisen.
Bei der Vorrichtung 1 gemäß Figur 2 ist jeder wiederaufladbaren Batterie 2 ein elektrischer Wandler in Form eines DC/AC -Wandlers 5 zugeordnet. Das über geordnete System ist im vorliegenden Fall von einem Motor 6 gebildet. Über die DC/AC -Wandler 5 wird Energie in getrennte Teil Wicklungen des Motors 6 ein gespeist.
Auch bei der Vorrichtung 1 gemäß Figur 3 ist jeder wiederaufladbaren Batterie 2 ein elektrischer Wandler in Form eines DC/AC -Wandlers 5 zugeordnet. Das übergeordnete System ist von zwei Motoren 6a, 6b gebildet, die über ein Sum miergetriebe 7 gekoppelt sind. Mit jedem DC/AC -Wandler 5 wird ein Motor 6a, 6b angesteuert.
Erfindungsgemäß werden mit den elektrischen Wandlern Kenngrößen erfasst, anhand derer Informationen über den Betriebszustand der zugeordneten wieder aufladbaren Batterie 2 ermittelt werden.
Dabei wird mittels den Kenngrößen der Alterungszustand der oder jeder wieder aufladbaren Batterie 2 bestimmt.
Weiterhin werden mittels den Kenngrößen alterungsrelevante Betriebsweisen der oder jeder wiederaufladbaren Batterie 2 bestimmt.
Hierzu sind zur Messung von Kenngrößen Sensoren vorgesehen, die in einem elektrischen Wandler integriert oder diesem zugeordnet sind.
Erfindungsgemäß erfolgt weiterhin eine Beeinflussung der Betriebsweise der wiederaufladbaren Batterie 2, insbesondere in Abhängigkeit der ermittelten Kenngrößen. Dabei ist der Betriebsweise der oder jeder wiederaufladbaren Batterie 2 derart beeinflusst, dass deren Gebrauchsdauer erhöht wird.
Für die Beeinflussung der Betriebsweise der wiederaufladbaren Batterie 2 sind geeignete Steuermittel vorgesehen. Diese können generell von den elektrischen Wandlern selbst gebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich ist als Steuermittel eine Steuereinheit 8 vorgesehen, die an die elektrischen Wandler angeschlossen ist, wie die Figuren 1 bis 3 zeigen.
Mit den Steuermitteln wird gezielt die Betriebsweise der wiederaufladbaren Bat terie 2 modifiziert und zwar derart, dass deren Lebensdauer beziehungsweise Gebrauchsdauer erhöht wird. Die Steuerung kann vorteilhaft in Abhängigkeit der ermittelten Kenngrößen erfolgen.
Wird bei den Vorrichtungen 1 der Figuren 1 bis 3 die Betriebsweise einer der wiederaufladbaren Batterien 2 so gesteuert, dass deren Gebrauchsdauer erhöht wird, so wird die weitere wiederaufladbare Batterie 2 so gesteuert, dass die ge- forderten Eigenschaften des Gesamtsystems hiervon unbeeinträchtigt bleiben.
Die Steuereinheit 8 kann auch zur Auswertung von mit den elektrischen Wand lern generierten Messdaten eingesetzt werden. Im vorliegenden Fall ist hierzu eine Rechnereinheit 9 vorgesehen, die über eine bidirektionale Datenübertra gungsstrecke 10 mit den elektrischen Wandlern verbunden ist (Figur 1 bis 3). Die Datenübertragungsstrecke 10 kann leitungsgebunden ausgebildet sein. Im vorliegenden Fall arbeitet die Datenübertragungsstrecke 10 berührungslos, wo bei vorteilhaft über diese Daten in Form von Funksignalen übertragen werden. Die Rechnereinheit 9 kann ein Cloud-Rechner einer Cloud sein. Vorteilhaft sind die Messdaten für eine wiederaufladbare Batterie 2 mit einer diese wiederaufladbare Batterie 2 eindeutig kennzeichnenden Kennung verse hen, so dass die Messdaten bei der Auswertung eindeutig der wiederaufladbaren Batterie 2 zugeordnet werden können. Weiter vorteilhaft werden die Messdaten über die Datenübertragungsstrecke 10 chiffriert übertragen, so dass nur autorisierte Personen Zugang zu den Messdaten haben.
Die Messdaten können generell fortlaufend von den elektrischen Wandlern an die Rechnereinheit 9 übertragen werden. Alternativ können die Messdaten nur innerhalb diskreter Zeitintervalle, beispielsweise während Wartungsvorgängen, übertragen werden.
Im vorliegenden Fall werden als Kenngrößen Strom und Spannung einer wie deraufladbaren Batterie 2 erfasst.
Hierzu kann zur Erfassung von Kenngrößen einer wiederaufladbaren Batterie 2 deren Lade- und/oder Entladestrom mittels eines elektrischen Wandlers modifi ziert werden. Durch die Modifikation des Lade- und/oder Entladestroms für die wiederaufladbare Batterie 2 ist die Spannung in Abhängigkeit des Stroms be stimmt.
Weiterhin kann der Lade- und/oder Entladestrom dadurch modifiziert sein, dass mittels eines elektrischen Wandlers einem Gleichstrom ein Wechselstrom mit variabler Frequenz und Amplitude überlagert ist.
Dabei wird als Kenngröße der komplexe Wechselstromwiderstand der wieder aufladbaren Batterie 2 bestimmt.
Ein Ergebnis einer derartigen Analyse zeigt Figur 4. In Figur 4 ist der Verlauf des ermittelten komplexen Widerstands R im mOhm über der Modulationsfrequenz f in Hz eines überlagerten Wechselstroms darge stellt.
Wie aus Figur 4 ersichtlich unterscheidet sich der frequenzabhängige Verlauf des Wechselstroms für eine alte wiederaufladbare Batterie 2, bei der der Alte rungsprozess bereits fortgeschritten ist, deutlich von dem Verlauf für eine neue wiederaufladbare Batterie 2.
Durch derartige Analysen, vorzugsweise in Abhängigkeit vom Ladezustand und der Temperatur der wiederaufladbaren Batterie 2, können Informationen über Alterungen einzelner Komponenten der wiederaufladbaren Batterie 2 gewonnen werden.
Hierzu gehören neben der Alterung der Kathode und Anode der wiederauflad baren Batterie 2 auch die chemische Zersetzung der Elektrolyten der wiederauf ladbaren Batterie 2. Weiter gehören hierzu die Alterungen von Separatoren, die zu einer Erhöhung des Durchtrittswiderstands für die Ionen der wiederaufladba ren Batterie 2 führt. Schließlich können auch Alterungen von passiven Kompo nenten wie Bindern erfasst werden.
Die ermittelten Kenngrößen können für unterschiedliche Zwecke in der Rech nereinheit 9 ausgewertet werden. Insbesondere sind anhand der Messdaten Leitlinien oder Handlungsempfehlun gen für den Betrieb von wiederaufladbaren Batterien 2 zur Erhöhung deren Ge brauchsdauer erstellbar.
Weiterhin sind aus den Messdaten Informationen für die Weiterentwicklung von wiederaufladbaren Batterien 2 ableitbar. Bezugszeichenliste
(1) Vorrichtung
(2) wiederaufladbare Batterie
(3) DC/DC-Wandler
(4) Gleichspannungsnetz (5) DC/AC -Wandler
(6) Motor
(6a) Motor
(6b) Motor
(7) Summiergetriebe (8) Steuereinheit
(9) Rechnereinheit
(10) Datenübertragungsstrecke
R Widerstand
f Modulationsfrequenz

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) mit wenigstens einer wiederaufladbaren Batterie (2) und einem dieser zugeordneten elektrischen Wandler, welcher an ein überge ordnetes System angeschlossen ist, wobei der elektrische Wandler ausge bildet ist elektrische Energie aus der wiederaufladbaren Batterie (2) zu ent nehmen oder in diese einzuspeisen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des elektrischen Wandlers Kenngrößen der wiederaufladbaren Batterie (2) während deren Betriebs ermittelt werden, und/oder dass Mittel zur Beein flussung der Betriebsweise der wiederaufladbaren Batterie (2) vorgesehen sind.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine
Mehrfachanordnung von wiederaufladbaren Batterien (2) aufweist, wobei jede wiederaufladbare Batterie (2) über einen elektrischen Wandler an das übergeordnete System angeschlossen ist.
3. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass der oder jeder elektrische Wandler von einem DC/DC-Wandler
(3) gebildet ist, welcher insbesondere an ein Gleichspannungsnetz (4) an geschlossen ist.
4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung von Kenngrößen Sensoren vorgesehen sind, die in einem elektrischen Wandler integriert oder diesem zugeordnet sind, und/oder dass als Kenngrößen Strom und Spannung einer wiederaufladbaren Batte rie (2) erfasst werden.
5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung von Kenngrößen einer wiederaufladbaren Batterie (2) deren Lade- und/oder Entladestrom mittels eines elektrischen Wandlers modifiziert wird, und dass durch die Modifikation des Lade- und/oder Ent- ladestroms für die wiederaufladbare Batterie (2) die Spannung in Abhän gigkeit des Stroms bestimmt ist, und/oder dass der Lade- und/oder Entla destrom dadurch modifiziert ist, dass mittels eines elektrischen Wandlers einem Gleichstrom ein Wechselstrom mit variabler Frequenz und Amplitude überlagert ist, und/oder dass als Kenngröße der komplexe Wechselstromwiderstand der wiederaufladbaren Batterie (2) bestimmt wird.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Kenngrößen der Alterungszustand der oder jeder wieder aufladbaren Batterie (2) bestimmt wird, und/oder dass mittels der Kenn größen alterungsrelevante Betriebsweisen der oder jeder wiederaufladba ren Batterie (2) bestimmt werden.
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsweise der oder jeder wiederaufladbaren Batterie (2) derart beeinflusst ist, dass deren Gebrauchsdauer erhöht wird.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder elektrische Wandler ein Steuermittel zur Beeinflussung der Betriebsweise der oder jeder wiederaufladbaren Batterie (2) bildet, oder dass eine an dem oder jeden elektrischen Wandler angeschlossene Steuereinheit (8) zur Beeinflussung der Betriebsweise der oder jeder wie- deraufladbaren Batterie (2) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Mehrfachanordnung von wiederaufladbaren Batterien (2) deren Betriebszustände so beeinflusst sind, dass das übergeordnete System unbeeinträchtigt ist.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem oder jedem elektrischen Wandler ermittelte Messdaten in der Steuer- einheit (8) ausgewertet werden.
11 Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeich net, dass in dem oder jedem elektrischen Wandler erfasste Messdaten an eine externe Rechnereinheit (9) auslesbar sind, wobei die Rechnereinheit (9) zur Auswertung der Messdaten ausgebildet ist, und/oder Bestanteil ei ner Cloud ist.
12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 - 11, dadurch gekennzeich net, dass die Messdaten eine individuelle Kennung für die jeweilige wie deraufladbare Batterie (2) enthalten, oder dass die Messdaten chiffriert übertragen werden.
13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 - 12, dadurch gekennzeich net, dass die Messdaten fortlaufend oder nur während Wartungsvorgängen übertragen werden.
14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 - 13, dadurch gekennzeich net, dass anhand der Messdaten Leitlinien oder Handlungsempfehlungen für den Betrieb von wiederaufladbaren Batterien (2) zur Erhöhung deren Gebrauchsdauer erstellbar sind, und/oder dass aus den Messdaten Infor mationen für die Weiterentwicklung von wiederaufladbaren Batterien (2) ableitbar sind.
15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 - 14, dadurch gekennzeich net, dass bei einer Mehrfachanordnung von wiederaufladbaren Batterien (2) in einem zyklischen Betrieb jeweils Energie von einer Batterie den je weils anderen Batterien zugeführt wird, wodurch diese anderen Batterien erwärmt werden.
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