WO2023134947A1 - Verfahren zum (tief-) entladen von (fahrzeug-) batterieeinheiten - Google Patents

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WO2023134947A1
WO2023134947A1 PCT/EP2022/085769 EP2022085769W WO2023134947A1 WO 2023134947 A1 WO2023134947 A1 WO 2023134947A1 EP 2022085769 W EP2022085769 W EP 2022085769W WO 2023134947 A1 WO2023134947 A1 WO 2023134947A1
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battery unit
discharging
battery
current
voltage
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PCT/EP2022/085769
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Sebastian Krieger
Karl-Guenter Herrmann
Karl Kempf
Christine MEYER
Jan Fischer
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0063—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with circuits adapted for supplying loads from the battery
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
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    • H02J7/007182—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage

Definitions

  • the present invention relates to a method for discharging a battery unit and a device, a computing unit and a computer program for carrying it out.
  • Accumulators or batteries in (motor or electric) vehicles or in electric drive technology can be fed into a recycling process after their use at the end of their service life. Batteries that are marked as defective at the end of their manufacturing process and cannot be approved for their intended use can also be recycled. Before recycling such batteries, it makes sense to first discharge them as completely as possible in order to be able to use the remaining energy of the batteries and also to eliminate sources of danger for recycling.
  • the battery unit is discharged, in particular with a predetermined or predeterminable or controllable discharge current, until a predetermined event occurs which characterizes a loss of the electrochemical property or the ability of the battery unit to charge or charge carriers in the battery unit save on computer.
  • the predefined event thus characterizes in particular the loss of the storage behavior or the storage capacity of the battery unit and particularly expediently characterizes a destruction of the battery unit.
  • the invention uses the measure of not only discharging the battery unit until it is completely (deeply) discharged, but then further discharging the battery unit until it is completely destroyed or electrochemically inactivated, so that the battery unit then can no longer store a charge and charging and discharging the battery unit is no longer possible.
  • energy is withdrawn from the battery unit until its storage behavior can no longer be determined.
  • the internal structure of the battery unit is particularly expediently changed in such a way that the charge carriers can no longer be stored in the structures of the electrodes.
  • the charge carriers are expediently depleted first and then the internal storage structure of the battery unit is destroyed. In particular, this means that the battery unit loses its main function and can no longer be charged or discharged.
  • a battery can be discharged in particular using a current or voltage source with the opposite polarity as when charging.
  • the battery units to be discharged can be short-circuited in a conventional manner by connecting their poles.
  • the shorted battery pack is typically stored for a period of time, eg, between 12 and 36 hours, to prevent battery voltage recovery and to electrochemically inactivate the battery pack.
  • Such short-circuiting is often associated with a great deal of effort, since each individual battery unit is usually short-circuited manually.
  • the additional storage requires a great deal of time and also storage effort before the battery unit can ultimately be fed into the recycling process.
  • the present invention now makes it possible to deeply discharge the battery unit and thereby destroy its storage capacity, so that it is no longer possible for the battery voltage to return. Short-circuiting and in particular storing the battery unit is not necessary.
  • the invention thus enables the battery unit to be discharged into a negative voltage range in a particularly expedient manner, as a result of which the battery unit can be electrochemically inactivated in particular immediately, without short circuits and without storage time. This destruction of the storage structure or the storage capacity in particular shortens the deep discharge process.
  • the battery unit can expediently be fed to the recycling process immediately or at least promptly. Process safety, in particular occupational safety and fire protection, can be ensured in a particularly expedient manner.
  • the present invention makes it possible to draw energy from the battery unit in a defined manner and to feed back or reuse this drawn energy.
  • the extracted energy can be fed into an electricity or voltage network.
  • the battery unit can be continuously discharged using a constant or pulsed discharge current, which accelerates discharge and reduces grid fluctuations when feeding power.
  • a defined deep discharge state can also be achieved particularly expediently by a defined removal of the charge within the scope of the present method, e.g. by a constant current source.
  • a repetition of the discharging process for a large number of battery units with simultaneous monitoring of electrical and physical parameters of the battery units makes it possible to determine an optimal discharging process.
  • automated discharging of battery units can be made possible in this way, e.g. with the help of intelligent, self-learning algorithms, artificial intelligence, neural networks, etc.
  • the discharging of the battery unit includes discharging the battery unit, in particular with a predefined discharge current, until a measured variable of the battery unit reaches a predefined threshold value. If the measurement large reaches this threshold value, further discharging of the battery unit advantageously takes place until a predetermined amount of charge has been withdrawn or removed from the battery unit.
  • the specified event corresponds in particular to the complete removal of the specified amount of charge.
  • the battery unit is initially discharged until a state of complete discharge is reached when the threshold value is reached. This state corresponds to a reversible discharge, the internal structure of the battery unit is still intact at this point. Further discharging continues until the amount of charge required to destroy the storage capacity has been withdrawn. Energy is then withdrawn from the battery unit until the storage behavior can no longer be determined and the internal structure of the battery unit changes in such a way that charge carriers can no longer be stored in the structures of the electrodes.
  • the predefined threshold value and the predefined amount of charge can be selected depending on the (nominal) capacity in particular, in order to enable particularly effective (deep) discharging.
  • the corresponding threshold value and/or the corresponding amount of charge can be determined, for example, by repeating the discharge several times and by monitoring and observing the respective parameters.
  • the capacity of the battery unit can be determined or estimated by repeated (cyclical) charging and discharging.
  • the determination of the threshold value can be made easier and the permissible discharge current can be determined.
  • other electrical parameters of the battery unit such as internal resistance, can be determined. With unknown batteries, this can make it easier to find the end point of the process.
  • the predefined threshold value advantageously characterizes a polarity reversal of the battery unit and/or a complete discharge of the battery unit. Reaching the threshold value thus characterizes in particular a point in time at which the battery unit is completely discharged and from which further energy is removed from the completely discharged battery unit until the storage capacity is lost.
  • the measured variable is preferably a voltage value of the battery unit. For example, this current voltage value can be recorded using a voltage measuring unit.
  • the predefined threshold value is preferably OV or at least essentially OV. Furthermore, the threshold value can also characterize a voltage level, for example, which indicates that the battery unit will soon be completely discharged.
  • the measured variable is preferably a state of charge of the battery unit.
  • the predefined threshold value is preferably 0% or at least essentially 0%.
  • this current state of charge can be determined by measuring the current battery voltage value and the (known) nominal capacity of the battery unit.
  • the specified amount of charge particularly preferably corresponds to a specified percentage of the nominal capacity of the battery unit, in particular 5% of the nominal capacity, furthermore in particular 10% of the nominal capacity, furthermore in particular 15% of the nominal capacity.
  • a sufficiently high amount of charge can be specified so that sufficient energy is still drawn from the already completely empty battery unit to ensure that the battery unit is transferred into the electrochemically inactive state.
  • the discharging of the battery unit includes discharging, in particular with a predetermined discharge current, until a voltage profile of the battery unit has a predetermined characteristic.
  • the predefined event corresponds in particular to the occurrence or recognition of this predefined feature in the voltage profile.
  • the feature indicates that the battery pack has lost its ability to store charge.
  • This embodiment is particularly expedient when the capacity or nominal capacity of the battery unit is unknown, but can of course also be carried out when the capacity is known.
  • the battery unit is discharged, in particular with a constant discharge current, until the respective feature is recognized in the time profile of the current voltage value.
  • the voltage profile of the battery unit preferably reaches a constant or at least substantially constant, negative saturation voltage value as the predetermined characteristic.
  • the voltage value of the battery unit then remains almost constant, particularly with a constant current, provided the temperature of the battery unit is constant.
  • the battery unit then behaves in particular like a constant electrical resistance. Reaching this saturation voltage value therefore means that the battery unit can neither build up voltage nor deliver energy and has thus been converted into the electrochemically inactive state.
  • the voltage profile of the battery unit first drops to a particularly negative minimum value or reversal point and then increases from this minimum value until the voltage profile reaches the saturation voltage value.
  • Discharging the battery unit with, in particular, a constant discharge current expediently results in the voltage changing sign without changing the direction of the current.
  • the voltage drops into the negative region, then rises again and saturates, but remains negative, and with constant current remains almost constant.
  • the occurrence of this predetermined feature can be detected, for example, at a defined gradient of the curve of the voltage over time.
  • the battery unit is discharged with a predetermined discharge current, preferably with a constant discharge current, an adjustable discharge current, a pulsed discharge current and/or a discharge current with any, but in particular measurable current intensity.
  • the discharge current or its current intensity can be set and regulated in order to be able to draw energy from the battery unit in a defined manner and to be able to reuse this drawn energy in the best possible way and, for example, feed it into a power grid.
  • the discharging process with the specified discharge current is particularly expediently ended when the specified feature of the voltage profile occurs or after the defined amount of charge has been withdrawn.
  • a (discharging) device for discharging a battery unit is set up to carry out a preferred embodiment of the method according to the invention. Advantages and advantageous configurations of the device according to the invention and the method according to the invention result from the present description appropriate manner.
  • the (discharging) device has a circuit arrangement which is set up to be connected in series and/or parallel to one or more battery units to be discharged. The circuit arrangement can be controlled in such a way that it discharges the connected battery unit or the connected battery units according to a preferred embodiment of the method according to the invention.
  • the circuit arrangement can have a connection unit on the input side, for example, in order to flexibly connect individual battery units to the circuit arrangement or separate them again from it.
  • the circuit arrangement can have, for example, direct voltage or alternating voltage connections for providing a direct voltage or alternating voltage, for example for feeding this voltage into a corresponding voltage network.
  • the activation of the circuit arrangement makes it possible to set or regulate the discharge currents of the individual battery units and to withdraw energy from the individual battery units in a defined manner.
  • a simultaneous (deep) discharge of several battery units is thus made possible in a particularly expedient manner.
  • Parameter monitoring of the individual battery units enables in particular the (deep) discharge of different battery units, for example with different initial states of charge.
  • the circuit arrangement advantageously has an adjustable and controllable current sink, particularly advantageously a current sink and a current source, which can expediently be connected in series.
  • An intermediate circuit can be provided particularly expediently between this current source and this current sink.
  • the current sink suitably acts as a load to draw current flow from the battery packs.
  • the current or voltage source can be used in particular to feed energy drawn from the battery units into a current or voltage network.
  • the invention is expediently suitable for a large number of different battery units, for example lithium-ion batteries, in particular for battery units from the (motor or electric) vehicle sector or electric drive technology.
  • battery cell which is understood to be the smallest battery unit installed in a vehicle, which can have a cell voltage between 2.5V and 4.4V, for example.
  • individual battery units can each be designed, for example, as a battery module, which is understood in particular as a series connection of a plurality of such battery cells, which can have a nominal voltage of up to 60V, for example.
  • individual battery units can also each be a battery pack, which is a series circuit made up of a large number of such battery modules, which can have a nominal voltage of 200V up to 1,000V, for example.
  • a computing unit according to the invention is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
  • Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
  • FIG. 1 schematically shows a preferred embodiment of a device according to the invention, which is set up to carry out a preferred embodiment of a method according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic replacement model of a battery unit, which can form the basis of a preferred embodiment of a method according to the invention.
  • FIG. 3 schematically shows a preferred embodiment of a method according to the invention as a block diagram.
  • FIG. 4 schematically shows a voltage-time diagram which can be determined within the scope of a preferred embodiment of a method according to the invention.
  • FIG. 5 schematically shows a voltage-time diagram which can be determined within the scope of a preferred embodiment of a method according to the invention.
  • FIG. 1 A preferred embodiment of a (discharging) device according to the invention is shown schematically in FIG. 1
  • the discharging device 100 has a circuit arrangement 120 which is set up to be connected to one or more battery units 110 to be discharged.
  • the circuit arrangement 120 can have, for example, DC voltage connections 121 for connecting the circuit arrangement 120 to the battery units 110 .
  • a negative pole of the battery units 110 is connected to a positive pole of the circuit arrangement 120 and vice versa.
  • the circuit arrangement 120 can have direct voltage or alternating voltage connections 122 in order to feed the energy drawn from the battery units 110 into a corresponding voltage network.
  • the circuit arrangement 120 can have, for example, an adjustable and controllable current sink, and also, in particular, an energy source connected in series with this sink. Furthermore, for example, an intermediate circuit can be provided between this source and this sink.
  • the circuit arrangement 120 is connected to three battery units 110 purely by way of example, but it goes without saying that the circuit arrangement 120 can also be connected to more or fewer battery units, for example only to one battery unit.
  • the circuit arrangement 120 can also be connected to a large number of different battery units, which each have, for example, individual nominal capacities and individual states of charge.
  • the battery units 110 are connected in series, but a parallel connection or a combination of series and parallel connection of the individual battery units 110 is also conceivable.
  • a connection unit can also be provided, for example, which makes it possible to flexibly remove individual battery units 110 from the circuit and add new battery units 110 .
  • such a connection unit can have a large number of switches and/or contacting elements for automatic contacting.
  • the circuit arrangement 120 is set up to discharge the individual connected battery units 110 in each case in accordance with a preferred embodiment of a method according to the invention.
  • an arithmetic or control unit 130 is provided, for example, in particular also within the circuit arrangement 120, in order to control the circuit arrangement 120 or individual (switching) elements of the circuit arrangement 120 accordingly.
  • the processing unit 130 is set up, in particular in terms of programming, to carry out a preferred embodiment of the method according to the invention, as will be explained below with reference to FIGS.
  • Figure 2 shows a schematic replacement model 200 of one of the battery units 110.
  • the battery unit 110 has a main capacitance (CO) 211, an internal resistance (R1) 212 and an RC element with a capacitor (C2) 213 and a resistor (R2 ) 214 for the dynamic behavior.
  • a measurable battery voltage 11bat is denoted by 220 .
  • 230 denotes a voltage drop UR across the RC element and 240 a voltage drop UO across the main capacitance 211.
  • 250 denotes a current flow Ibat of the battery unit.
  • the measurable voltage Ubat is in particular a difference between the voltages UO and UR.
  • FIG. 3 a preferred embodiment of the method according to the invention is shown schematically as a block diagram.
  • a battery unit 110 is to be connected to the circuit unit 120 and is to be discharged by it.
  • the battery unit 110 to be discharged is connected to the DC voltage connections 121 of the circuit arrangement 120 .
  • the circuit arrangement 120 is used to discharge the battery unit 110 with a predefined discharge current, e.g. with a constant charging current, an adjustable charging current, a pulsed charging current or a charging current with any measurable value.
  • a predefined discharge current e.g. with a constant charging current, an adjustable charging current, a pulsed charging current or a charging current with any measurable value.
  • This discharging of the battery unit 110 takes place until a predetermined event occurs, which characterizes a loss of the electrochemical property or the ability of the battery unit 110 to store charge or charge carriers. The occurrence of this event thus characterizes the loss of the storage behavior or storage capacity of the battery unit 110 and also a destruction of the battery unit 110.
  • a step 321 it is first checked whether the (nominal) capacity and also in particular the current state of charge of the battery unit 110 to be discharged are known.
  • circuit arrangement 120 is used to discharge battery unit 110 with a specified discharge current until a measured variable of battery unit 110 reaches a specified threshold value, for example up to a current voltage value of the battery unit 110 reaches the threshold value OV and/or until the current state of charge of the battery unit 110 reaches the threshold value 0% (SOC, state of charge).
  • a specified threshold value for example up to a current voltage value of the battery unit 110 reaches the threshold value OV and/or until the current state of charge of the battery unit 110 reaches the threshold value 0% (SOC, state of charge).
  • the current voltage value corresponds, for example, to the measurable battery voltage I1bat denoted by 220 in FIG.
  • the current state of charge can be determined, for example, depending on this current voltage value and the nominal capacity.
  • the battery unit 110 is thus discharged in step 331 until a state of complete discharge is reached. This condition corresponds to a reversible discharge. The internal structure of the battery unit 110 remains intact.
  • battery unit 110 is further discharged in step 332 until battery unit 110 a specified amount of charge has been removed.
  • This predetermined amount of charge is selected depending on the nominal capacity of the battery unit 110, for example, and corresponds to 10% of the nominal capacity, for example.
  • step 332 energy is withdrawn from the completely discharged battery unit 110 until the storage behavior of the battery unit 110 can no longer be determined.
  • the internal structure of the battery unit 110 is changed in such a way that charge carriers can no longer be stored in the structures of the electrodes. This can lead to a change in sign of the voltage 220 measured at the terminals of the battery pack 110 .
  • the measured voltage 220 (Ubat) as the difference between the voltage 240 (U0) and the voltage 250 (UR) does not mean that the polarity of the main capacitance 211 (CO) has been reversed.
  • the battery pack 110 is electrochemically inactive. In this case, the main capacitance 211 (CO) is hardly available.
  • the predetermined amount of charge When the predetermined amount of charge has been removed, this corresponds to the occurrence of the predetermined event and the loss of the battery pack 110's ability to store charge.
  • the discharging process is then terminated in step 333.
  • the battery Unit 110 can now be separated from the circuit arrangement 120 again and fed to a recycling process, for example.
  • step 341 the battery unit 110 is discharged with a predefined, in particular constant, discharge current until a voltage profile of the Battery pack 110 has a predetermined feature. It should be emphasized that this variant can of course also be carried out if the capacity is known.
  • step 341 it is checked whether the voltage profile reaches a constant or at least essentially constant negative saturation voltage value as the predefined feature and the battery unit 110 thus behaves like a constant electrical resistance, for example. It is particularly expedient in step 341 to check whether the voltage curve as the specified feature first drops to a minimum value, in particular a negative one, and then rises from this minimum value until the voltage curve reaches the saturation voltage value.
  • step 342 the battery unit 110 is disconnected from the circuit arrangement 120 .
  • the battery unit 110 is now fed into a recycling process, for example.
  • step 341 the discharging continues until the electrical behavior of the battery unit 110 changes and the battery unit 110 behaves like a constant resistance, for example. If the battery pack 110 has a replacement model as shown in Figure 2, this may cause the voltage of the battery pack 110 to change sign without changing the direction of the current. The voltage can go negative and then rise again and saturate but remain negative. The voltage then remains almost constant with a constant current, provided that the temperature in particular is constant. In this area, the discharge is stopped or switched off in step 342, for example at a defined gradient of the curve of the voltage over time.
  • FIG. 4 schematically shows a diagram 400 of the voltage 11bat of the battery unit 110 plotted against time.
  • Curve 410 corresponds to the voltage profile over time, as can be determined in step 341, for example, when discharging takes place with a constant discharge current.
  • the battery voltage falls from an initial value 411 of, for example, 3.5V to a negative minimum value 412 of, for example, -0.6V and then rises again until the voltage reaches a saturation voltage value 413 of, for example, -0. reached 25V.
  • FIG. 5 schematically shows a further diagram 500 of the voltage 11bat of the battery unit 110 plotted against time.
  • Curve 510 shows an example of the voltage curve over time, as can be determined in step 341 when discharging with a pulsed discharge current.
  • Curve 520 shows a time course of a corresponding pulsed discharge current and curve 530 shows a time course of a temperature of the battery unit 110.
  • the battery voltage initially decreases from an initial value 511, e.g. 3.5V, to a negative minimum value 512. e.g. -0.6V, and then increases until a saturation voltage value 513, e.g. -0.25V, is reached.
  • the present invention thus enables battery units to be completely drained and the residual energy present in the battery units to be made usable. Furthermore, in the course of this, the battery units can be converted into an electrochemically inactive state and the storage capacity of the battery units can be destroyed, so that the battery units can be fed to a recycling process in a safe manner.

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Entladen einer Batterieeinheit (100), umfassend ein Entladen der Batterieeinheit, bis ein vorgegebenes Ereignis eintritt, welches einen Verlust der Eigenschaft der Batterieeinheit (110) charakterisiert, Ladung in der Batterieeinheit (110) zu speichern.

Description

Verfahren zum (Tief-) Entladen von (Fahrzeug-) Batterieeinheiten
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entladen einer Batterieeinheit sowie eine Vorrichtung, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Hintergrund der Erfindung
Akkumulatoren bzw. Batterien in (Kraft- bzw. Elektro-) Fahrzeugen oder in der elektrischen Antriebstechnik können nach ihrem Einsatz am Ende ihrer Lebensdauer einem Recyclingprozess zugeführt werden. Ferner können auch Batterien, die am Ende ihres Fertigungsprozesses als nicht in Ordnung gekennzeichnet wurden und für ihren vorgesehenen Einsatzzweck nicht freigegeben werden können, einem Recycling prozess zugeführt werden. Vor dem Recyceln derartiger Batterien ist es sinnvoll, diese zunächst möglichst vollständig zu entladen, um die Restenergie der Batterien noch nutzen zu können, und auch um Gefahrenquellen für das Recycling auszuschalten.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Entladen einer Batterieeinheit sowie eine Vorrichtung, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der vorliegenden Beschreibung in entsprechende Weise. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt ein Entladen der Batterieeinheit, insbesondere mit einem vorgegebenem bzw. vorgebbaren oder regelbaren Entladestrom, bis ein vorgegebenes Ereignis eintritt, welches einen Verlust der elektrochemischen Eigenschaft bzw. des Vermögens der Batterieeinheit charakterisiert, Ladung bzw. Ladungsträger in der Batterieeinheit zu speichern. Das vorgegebene Ereignis charakterisiert somit insbesondere den Verlust des Speicherverhaltens bzw. des Speichervermögens der Batterieeinheit und charakterisiert besonders zweckmäßig eine Zerstörung der Batterieeinheit.
Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, die Batterieeinheit nicht nur so lange zu entladen, bis diese vollständig (tief-) entladen ist, sondern die Batterieeinheit danach noch weiter zu entladen, bis diese vollständig zerstört bzw. elektrochemisch inaktiviert wird, so dass die Batterieeinheit danach keine Ladung mehr speichern kann und ein Laden und Entladen der Batterieeinheit nicht mehr möglich ist. Der Batterieeinheit wird insbesondere so lange Energie entzogen, bis deren Speicherverhalten nicht mehr feststellbar ist. Dabei wird die innere Struktur der Batterieeinheit besonders zweckmäßig derart verändert, dass die Ladungsträger in den Strukturen der Elektroden nicht mehr gespeichert werden können. Im Zuge der (Tief-) Entladung werden zweckmäßigerweise zuerst die Ladungsträger verarmt und danach die innere Speicherstruktur der Batterieeinheit zerstört. Das führt insbesondere dazu, dass die Batterieeinheit ihre Hauptfunktion verliert und nicht mehr geladen bzw. entladen werden kann. Ein Entladen einer Batterie kann insbesondere mit einer Strom- oder Spannungsquelle erfolgen mit umgekehrter Polarität wie beim Laden.
Um Batterieeinheiten einem Recycling prozess zuführen zu können, ist es von Bedeutung eine Prozesssicherheit zu gewährleisten, insbesondere einen Arbeits- und Brandschutz. Hierfür ist zumeist ein sicheres und vollständiges Entfernen der Restenergie der Batterieeinheit erforderlich. Auf herkömmliche Weise kann zu diesem Zweck ein Kurzschließen der zu entladenden Batterieeinheiten durch Verbinden ihrer Pole erfolgen. Die kurzgeschlossene Batterieeinheit wird zumeist für eine bestimmte Zeitdauer eingelagert, z.B. zwischen 12 und 36 Stunden, um eine Rückkehr der Batteriespannung zu verhindern und um die Batterieeinheit elektrochemisch zu inaktivieren. Ein derartiges Kurzschließen ist oftmals jedoch mit großem Aufwand verbunden, da zumeist jede einzelne Batterieeinheit manuell kurzgeschlossen wird. Ferner bedarf das zusätzliche Einlagern eines großen Zeit-und auch Lageraufwands, bevor die Batterieeinheit letztendlich dem Recyclingprozess zugeführt werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es nun, die Batterieeinheit tiefzuentladen und dabei deren Speichervermögen zu zerstören, so dass eine Rückkehr der Batteriespannung nicht mehr möglich ist. Ein Kurzschließen und insbesondere ein Lagern der Batterieeinheit ist nicht nötig. Die Erfindung ermöglicht somit besonders zweckmäßig ein Entladen der Batterieeinheit in einen negativen Spannungsbereich, wodurch die Batterieeinheit insbesondere sofort, ohne Kurzschluss und Lagerzeit, elektrochemisch inaktiviert werden kann. Diese Zerstörung der Speicherstruktur bzw. des Speichervermögens verkürzt insbesondere den Tiefentladungsprozess. Die Batterieeinheit kann nach ihrer Entladung zweckmäßigerweise dem Recyclingprozess unmittelbar oder zumindest zeitnah zugeführt werden. Eine Prozesssicherheit, insbesondere ein Arbeits- und Brandschutz, kann dabei besonders zweckmäßig gewährleistet werden.
Ferner ermöglicht es die vorliegende Erfindung, definiert Energie aus der Batterieeinheit zu entnehmen und diese entnommene Energie rückzuspeisen bzw. wiederzuverwenden. So kann die entnommene Energie beispielsweise in ein Strom- bzw. Spannungsnetz eingespeist werden. Beispielsweise kann die Batterieeinheit durch einen konstanten oder gepulsten Entladestrom kontinuierlich entladen werden, was die Entladung beschleunigt und Netzschwankungen bei der Einspeisung reduziert. Bei einer herkömmlichen Tiefentladung mit Hilfe eines Kurzschlusses und einer Einlagerung können zumeist nur Undefinierte Mengen an Ladung entnommen werden, wodurch die Bewertung des Ladezustandes erschwert wird. Im Gegensatz dazu kann durch eine definierte Entnahme der Ladung im Rahmen des vorliegenden Verfahrens, z.B. durch eine konstante Stromquelle, besonders zweckmäßig auch ein definierter Tiefentladezustand erreicht werden.
Besonders zweckmäßig ermöglicht eine Wiederholung des Entladeprozesses bei einer Vielzahl von Batterieeinheiten mit gleichzeitiger Überwachung elektrischer und physikalischer Parameter der Batterieeinheiten die Ermittlung eines optimalen Entladeverlaufes. Insbesondere kann auf diese Weise eine automatisierte Entladung von Batterieeinheiten ermöglicht werden, z.B. mit Hilfe intelligenter, selbstlernender Algorithmen, künstlicher Intelligenz, neuronaler Netze usw.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Entladen der Batterieeinheit ein Entladen der Batterieeinheit, insbesondere mit einem vorgegebenem Entladestrom, bis eine Messgröße der Batterieeinheit einen vorgegebenen Schwellwert erreicht. Wenn die Mess- große diesen Schwellwert erreicht, erfolgt vorteilhaferweise ein weiteres Entladen der Batterieeinheit, bis der Batterieeinheit eine vorgegebene Ladungsmenge entzogen bzw. entnommen wurde. Das vorgegebene Ereignis entspricht in diesem Fall insbesondere dem vollstän- den Entnehmen der vorgegebenen Ladungsmenge. Insbesondere wird die Batterieeinheit dabei zunächst solange entladen, bis mit Erreichen des Schwellwerts ein Zustand der vollständigen Entladung erreicht wird. Dieser Zustand entspricht einer umkehrbaren Entladung, die innere Struktur der Batterieeinheit ist zu diesem Zeitpunkt noch intakt. Das weitere Entladen verläuft so lange, bis die für die Zerstörung des Speichervermögens notwendige Ladungsmenge entzogen wurde. Der Batterieeinheit wird nun so lange Energie entzogen, bis das Speicherverhalten nicht mehr feststellbar ist und sich die innere Struktur der Batterieeinheit derart verändert, dass Ladungsträger in den Strukturen der Elektroden nicht mehr gespeichert werden können.
Diese Ausführungsform bietet sich besonders zweckmäßig bei einer bekannten Kapazität bzw. Nennkapazität der Batterieeinheit an, da der vorgegebene Schwellwert und die vorgegebene Ladungsmenge insbesondere abhängig von der (Nenn-) Kapazität gewählt werden können, um eine besonders effektives (Tief-) Entladen zu ermöglichen. Bei einer Undefinierten Batterieeinheit mit unbekannter Kapazität bzw. Nennkapazität oder einem unbekannten Ausgangzustand können der entsprechende Schwellwert und/oder die entsprechende Ladungsmenge beispielsweise durch mehrmaliges Wiederholen der Entladung und durch Überwachung und Beobachtung der jeweiligen Parameter ermittelt werden. Dabei kann z.B. durch wiederholtes (zyklisches) Laden und Entladen der Batterieeinheit deren Kapazität ermittelt bzw. geschätzt werden. Dadurch kann insbesondere die Feststellung des Schwellwertes erleichtert und der zulässige Entladestrom festgestellt werden. Ferner können weitere elektrischen Parameter der Batterieeinheit wie z.B. Innenwiderstände ermittelt werden. Das kann bei unbekannten Batterien die Findung des Endpunktes des Prozesses erleichtern.
Eine Überwachung der Temperaturentwicklung ermöglicht ferner insbesondere das Feststellen des zulässigen Entladestroms, was das Verfahren beschleunigen kann.
Vorteilhafterweise charakterisiert der vorgegebene Schwellwert ein Umpolen der Batterieeinheit und/oder ein vollständiges Entladen der Batterieeinheit. Somit charakterisiert das Erreichen des Schwelwerts insbesondere einen Zeitpunkt, zu welchem die Batterieeinheit vollständig entladen ist und ab welchem der vollständig entladenen Batterieeinheit weiter Energie bis zu dem Verlust des Speichervermögens entnommen wird. Bevorzugt ist die Messgröße ein Spannungswert der Batterieeinheit. Beispielsweise kann dieser aktuelle Spannungswert mittels eines Spannungsmesseinheit erfasst werden. Vorzugsweise beträgt der vorgegebene Schwellwert OV oder zumindest im Wesentlichen OV. Ferner kann der Schwellwert beispielsweise auch ein Spannungsniveau charakterisieren, welches auf ein baldiges komplettes Entladen der Batterieeinheit hindeutet.
Alternativ oder zusätzlich ist die Messgröße bevorzugt ein Ladezustand der Batterieeinheit. Der vorgegebene Schwellwert beträgt vorzugsweise 0% oder zumindest im Wesentlichen 0%. Beispielsweise kann dieser aktuelle Ladezustand mittels einer Messung des aktuellen Batteriespannungswerts und der (bekannten) Nennkapazität der Batterieeinheit ermittelt werden.
Besonders bevorzugt entspricht die vorgegebene Ladungsmenge einem vorgegebenen Prozentsatz der Nennkapazität der Batterieeinheit, insbesondere 5% der Nennkapazität, ferner insbesondere 10% der Nennkapazität, ferner insbesondere 15% der Nennkapazität. Insbesondere kann somit abhängig von der maximalen Kapazität der Batterieeinheit eine ausreichend hohe Ladungsmenge vorgegeben werden, so dass der bereits vollständig entleerten Batterieeinheit noch weiter ausreichend Energie entnommen wird, um ein Überführen der Batterieeinheit in den elektrochemisch inaktiven Zustand zu gewährleisten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Entladen der Batterieeinheit ein Entladen, insbesondere mit einem vorgegebenem Entladestrom, bis ein Spannungsverlauf der Batterieeinheit ein vorgegebenes Merkmal aufweist. Das vorgegebene Ereignis entspricht in diesem Fall insbesondere dem Auftreten bzw. Erkennen dieses vorgegebenen Merkmals im Spannungsverlauf. Das Merkmal deutet insbesondere darauf hin, dass die Batterieeinheit ihre Eigenschaft zum Speichern von Ladung verloren hat. Diese Ausführungsform bietet sich besonders zweckmäßig bei einer unbekannten Kapazität bzw. Nennkapazität der Batterieeinheit an, kann aber selbstverständlich auch bei bekannter Kapazität durchgeführt werden. Die Batterieeinheit wird dabei bei insbesondere konstantem Entladestrom so lange entladen, bis in dem zeitlichen Verlauf des aktuellen Spannungswerts das jeweilige Merkmal erkannt wird. Vorzugsweise erreicht der Spannungsverlauf der Batterieeinheit als das vorgegebene Merkmal einen konstanten oder zumindest im Wesentlichen konstanten, negativen Sättigungsspannungswert. Der Spannungswert der Batterieeinheit bleibt dann insbesondere bei konstantem Strom nahezu konstant, sofern insbesondere die Temperatur der Batterieeinheit konstant ist. Die Batterieeinheit verhält sich dann insbesondere wie ein konstanter, elektrischer Widerstand. Das Erreichen dieses Sättigungsspannungswerts bedeutet also, dass die Batterieeinheit weder Spannung aufbauen noch Energie abgeben kann und somit in den elektrochemisch inaktiven Zustand überführt wurde.
Besonders bevorzugt sinkt der Spannungsverlauf der Batterieeinheit als das vorgegebene Merkmal zunächst bis auf einen insbesondere negativen Minimalwert bzw. Umkehrpunkt ab und steigt anschließend von diesem Minimalwert aus an, bis der Spannungsverlauf den Sättigungsspannungswert erreicht. Das Entladen der Batterieeinheit mit insbesondere konstantem Entladestrom führt zweckmäßigerweise dazu, dass die Spannung das Vorzeichen ohne Änderung der Stromrichtung ändert. Die Spannung sinkt insbesondere in den negativen Bereich, steigt dann wieder an und geht in eine Sättigung, bleibt aber negativ, und bleibt bei konstantem Strom nahezu konstant. Das Auftreten dieses vorgegebenen Merkmals kann beispielsweise bei einem definierten Gradienten des Verlaufs der Spannung über der zeit erkannt werden.
Vorteilhafterweise erfolgt das Entladen der Batterieeinheit mit einem vorgegebenen Entladestrom, vorzugsweise mit einem konstanten Entladestrom, einem einstellbaren Entladestrom, einem gepulsten Entladestrom und/oder einem Entladestrom mit beliebiger, aber insbesondere messbarer Stromstärke. Insbesondere kann der Entladestrom bzw. dessen Stromstärke eingestellt und geregelt werden, um der Batterieeinheit definiert Energie entnehmen zu können und um diese entnommene Energie bestmöglich wiederverwenden und beispielsweise in ein Stromnetz einspeisen zu können. Der Entladeprozess mit dem vorgegebenem Entladestrom wird besonders zweckmäßig bei dem Eintreten des vorgegebenen Merkmals des Spannungsverlaufs bzw. nach dem Entziehen der definierten Ladungsmenge beendet.
Eine erfindungsgemäße (Entlade-) Vorrichtung zum Entladen einer Batterieeinheit ist dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der vorliegenden Beschreibung in entsprechender Weise. Die (Entlade-) Vorrichtung weist eine Schaltungsanordnung auf, die dazu eingerichtet ist, mit einer oder mehreren zu entladenden Batterieeinheiten in Reihen- und/oder Parallelschaltung verbunden zu werden. Die Schaltungsanordnung kann derart angesteuert werden, dass sie die verbundene Batterieeinheit bzw. die verbundenen Batterieeinheiten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entlädt.
Die Schaltungsanordnung kann eingangsseitig beispielsweise eine Verbindungseinheit aufweisen, um einzelne Batterieeinheiten flexibel mit der Schaltungsanordnung zu verbinden oder wieder von dieser zu trennen. Ausgangsseitig kann die Schaltungsanordnung beispielsweise Gleichspannungs- oder Wechselspannungsanschlüsse zum Bereitstellen einer Gleichspannung oder Wechselspannung aufweisen, beispielsweise zum Einspeisen dieser Spannung in ein entsprechendes Spannungsnetz.
Besonders zweckmäßig ermöglicht es die Ansteuerung der Schaltungsanordnung, die Entladeströme der einzelnen Batterieeinheiten einzustellen bzw. zu regeln und definiert Energie aus den einzelnen Batterieeinheiten zu entziehen. Somit wird besonders zweckmäßig eine gleichzeitige (Tief-) Entladung von mehreren Batterieeinheiten ermöglicht. Eine Parameterüberwachung der einzelnen Batterieeinheiten ermöglicht insbesondere die (Tief-) Entladung unterschiedlicher Batterieeinheiten beispielsweise mit unterschiedlichen anfänglichen Ladezuständen.
Vorteilhafterweise weist die Schaltungsanordnung eine insbesondere einstellbare und regelbare Stromsenke auf, besonders vorteilhaft eine Stromsenke und eine Stromquelle, die zweckmäßigerweise in Reihe geschaltet sein können. Besonders zweckmäßig kann ein Zwischenkreis zwischen dieser Stromquelle und dieser Stromsenke vorgesehen sein. Die Stromsenke fungiert zweckmäßigerweise als eine Last, um einen Stromfluss aus den Batterieeinheiten zu entnehmen. Die Strom- bzw. Spannungsquelle kann insbesondere dazu dienen, um aus den Batterieeinheiten entnommene Energie in ein Strom- bzw. Spannungsnetz einzuspeisen.
Die Erfindung eignet sich zweckmäßigerweise für eine Vielzahl unterschiedlicher Batterieeinheiten, z.B. Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere für Batterieeinheiten aus dem (Kraft- bzw. Elektro-) Fahrzeugbereich oder der elektrischen Antriebstechnik. Beispielsweise kön- nen einzelne Batterieeinheiten jeweils eine sog. Batteriezelle sein, als welche eine kleinste in einem Fahrzeug verbaute Batterieeinheit verstanden wird, welche beispielsweise eine Zellenspannung zwischen 2,5V und 4,4V aufweisen kann. Ferner können einzelne Batterieeinheit jeweils beispielsweise als ein Batteriemodul ausgebildet sein, als welches insbesondere eine Reihenschaltung mehrerer derartiger Batteriezellen verstanden wird, welche z.B. eine Nennspannung von bis zu 60V aufweisen kann. Beispielsweise können einzelne Batterieeinheiten auch jeweils ein Batteriepack sein, als welches eine Reihenschaltung aus einer Vielzahl von derartigen Batteriemodulen bezeichnet wird, welche z.B. eine Nennspannung von 200V bis zu 1.000V aufweisen kann.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung Figur 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Figur 2 zeigt ein schematisches Ersatzmodell einer Batterieeinheit, welche einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zugrunde liegen kann.
Figur 3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm.
Figur 4 zeigt schematisch ein Spannungs-Zeit-Diagramm, welches im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann.
Figur 5 zeigt schematisch ein Spannungs-Zeit-Diagramm, welches im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen (Entlade-) Vorrichtung schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.
Die Entladevorrichtung 100 weist eine Schaltungsanordnung 120 auf, die dazu eingerichtet ist, mit einer oder mehreren zu entladenden Batterieeinheiten 110 verbunden zu werden. Eingangsseitig kann die Schaltungsanordnung 120 beispielsweise Gleichspannungsanschlüsse 121 zur Verbindung der Schaltungsanordnung 120 mit den Batterieeinheiten 110 aufweisen. Insbesondere wird dabei ein Minuspol der Batterieeinheiten 110 mit einem Pluspol der Schaltungsanordnung 120 verbunden und umgekehrt. Ausgangsseitig kann die Schaltungsanordnung 120 Gleichspannungs- oder Wechselspannungsanschlüsse 122 aufweisen, um die aus den Batterieeinheiten 110 entnommene Energie in ein entsprechendes Spannungsnetz einzuspeisen.
Die Schaltungsanordnung 120 kann beispielsweise eine einstellbare und regelbare Stromsenke aufweisen, sowie ferner insbesondere eine in Reihe zu dieser Senke geschaltete Energiequelle. Ferner kann beispielsweise ein Zwischenkreis zwischen dieser Quelle und dieser Senke vorgesehen sein.
In Figur 1 ist die Schaltungsanordnung 120 rein beispielhaft mit drei Batterieeinheiten 110 verbunden, jedoch versteht sich, dass die Schaltungsanordnung 120 auch mit mehr oder weniger Batterieeinheiten verbunden werden kann, beispielsweise auch nur mit einer Batterieeinheit. Beispielsweise kann die Schaltungsanordnung 120 auch mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Batterieeinheiten verbunden werden, welche jeweils z.B. individuelle Nennkapazitäten und individuelle Ladezuständen aufweisen.
Im gezeigten Beispiel sind die Batterieeinheiten 110 in Reihe geschaltet, jedoch ist auch eine Parallelschaltung oder eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung der einzelnen Batterieeinheiten 110 denkbar. Ferner kann auch beispielsweise eine Verbindungseinheit vorgesehen sein, welche es ermöglicht, einzelne Batterieeinheiten 110 flexibel aus der Schaltung zu entfernen und neue Batterieeinheiten 110 hinzuzufügen. Beispielsweise kann eine derartige Verbindungseinheit eine Vielzahl von Schaltern und/oder Kontaktierungselementen zur automatischen Kontaktierung aufweisen.
Die Schaltungsanordnung 120 ist dazu eingerichtet, die einzelnen verbundenen Batterieeinheiten 110 jeweils gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu entladen. Zu diesem Zweck ist beispielsweise eine Rechen- bzw. Steuereinheit 130 vorgesehen, insbesondere auch innerhalb der Schaltungsanordnung 120, um die Schaltungsanordnung 120 bzw. einzelne (Schalt-) Elemente der Schaltungsanordnung 120 entsprechend anzusteuern. Die Recheneinheit 130 ist dabei, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, eine bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wie nachfolgend in Bezug auf die Figuren 2 bis 5 erläutert werden soll. Figur 2 zeigt ein schematisches Ersatzmodell 200 einer der Batterieeinheiten 110. Gemäß diesem Ersatzmodell 200 weist die Batterieeinheit 110 eine Hauptkapazität (CO) 211 , einen Innenwiderstand (R1) 212 und ein RC-Glied mit einem Kondensator (C2) 213 und einem Widerstand (R2) 214 für das dynamische Verhalten auf.
Mit 220 ist eine messbare Batteriespannung llbat bezeichnet. 230 bezeichnet einen Spannungsabfall UR über dem RC-Glied und 240 einen Spannungsabfall UO über der Hauptkapazität 211. Mit 250 ist ein Stromfluss Ibat der Batterieeinheit bezeichnet. Die messbare Spannung Ubat ist insbesondere eine Differenz zwischen den Spannungen UO und UR.
In Figur 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch als ein Blockdiagramm dargestellt. Im Folgenden soll beispielhaft angenommen werden, dass eine Batterieeinheit 110 mit der Schaltungseinheit 120 verbunden und von dieser entladen werden soll.
In einem Schritt 310 wird die zu entladene Batterieeinheit 110 mit den Gleichspannungsanschlüssen 121 der Schaltungsanordnung 120 verbunden. In Block 320 erfolgt mit Hilfe der Schaltungsanordnung 120 ein Entladen der Batterieeinheit 110 mit einem vorgegebenem Entladestrom, z.B. mit einem konstanten Ladestrom, einem einstellbaren Ladestrom, einem gepulsten Ladestrom oder auch einem Ladestrom mit beliebigem, messbarem Wert. Dieses Entladen der Batterieeinheit 110 erfolgt, bis ein vorgegebenes Ereignis eintritt, welches einen Verlust der elektrochemischen Eigenschaft bzw. des Vermögens der Batterieeinheit 110 charakterisiert, Ladung bzw. Ladungsträger zu speichern. Das Eintreten dieses Ereignisses charakterisiert somit den Verlust des Speicherverhaltens bzw. Speichervermögens der Batterieeinheit 110 und ferner eine Zerstörung der Batterieeinheit 110.
Zu diesem Zweck wird in einem Schritt 321 zunächst überprüft, ob die (Nenn-) Kapazität und ferner insbesondere der aktuelle Ladezustand der zu entladenden Batterieeinheit 110 bekannt sind.
Wenn die (Nenn-) Kapazität bzw. der Ladezustand der Batterieeinheit 110 bekannt sind, erfolgt in einem Schritt 331 mit Hilfe der Schaltungsanordnung 120 ein Entladen der Batterieeinheit 110 mit einem vorgegebenem Entladestrom, bis eine Messgröße der Batterieeinheit 110 einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, beispielsweise bis ein aktueller Spannungs- wert der Batterieeinheit 110 den Schwellwert OV erreicht und/oder bis der aktuelle Ladezustand der Batterieeinheit 110 den Schwellwert 0% (SOC, state of charge) erreicht.
Der aktuelle Spannungswert entspricht beispielsweise der in Figur 2 mit 220 bezeichneten messbaren Batteriespannung llbat. Der aktuelle Ladezustand kann beispielsweise abhängig von diesem aktuellen Spannungswert und der Nennkapazität bestimmt werden.
Die Batterieeinheit 110 wird somit in Schritt 331 solange entladen, bis ein Zustand der vollständigen Entladung erreicht wird. Dieser Zustand entspricht einer umkehrbaren Entladung. Die innere Struktur der Batterieeinheit 110 bleibt dabei intakt.
Wenn die Messgröße den Schwellwert erreicht, wenn also der aktuelle Spannungswert der Batterieeinheit 110 den Schwellwert OV erreicht und/oder wenn der aktuelle Ladezustand der Batterieeinheit 110 den Schwellwert 0% erreicht, erfolgt in Schritt 332 ein weiteres Entladen der Batterieeinheit 110, bis der Batterieeinheit 110 eine vorgegebene Ladungsmenge entzogen wurde. Diese vorgegebene Ladungsmenge wird beispielsweise abhängig von der Nennkapazität der Batterieeinheit 110 gewählt und entspricht beispielsweise 10% der Nennkapazität.
Der vollständig entladenen Batterieeinheit 110 wird in Schritt 332 solange Energie entzogen, bis das Speicherverhalten der Batterieeinheit 110 nicht mehr feststellbar ist. Dabei wird die innere Struktur der Batterieeinheit 110 so verändert, dass Ladungsträger in den Strukturen der Elektroden nicht mehr gespeichert werden können. Das kann zur Änderung des Vorzeichens der an den Anschlüssen der Batterieeinheit 110 gemessenen Spannung 220 führen. Die gemessene Spannung 220 (Ubat) als Differenz zwischen der Spannung 240 (U0) und der Spannung 250 (UR) bedeutet insbesondere nicht, dass die Hauptkapazität 211 (CO) umgepolt wurde. Nachdem die innere Struktur der Batterieeinheit 110 die Speicherfunktion verloren hat, ist die Batterieeinheit 110 elektrochemisch inaktiv. In diesem Fall ist die Hauptkapazität 211 (CO) kaum mehr vorhanden.
Wenn die vorgegebene Ladungsmenge entnommen wurde, entspricht dies dem Eintreten des vorgegebenen Ereignisses und dem Verlust der Eigenschaft der Batterieeinheit 110, Ladung zu speichern. Der Entladevorgang wird dann in Schritt 333 beendet. Die Batterieein- heit 110 kann nun wieder von der Schaltungsanordnung 120 getrennt und beispielsweise einem Recyclingprozess zugeführt werden.
Alternativ, insbesondere wenn in Schritt 321 festgestellt wird, dass die (Nenn-) Kapazität und der aktuelle Ladezustand der zu entladenden Batterieeinheit 110 nicht bekannt sind, erfolgt in Schritt 341 ein Entladen der Batterieeinheit 110 mit einem vorgegebenen, insbesondere konstanten Entladestrom bis ein Spannungsverlauf der Batterieeinheit 110 ein vorgegebenes Merkmal aufweist. Es sei betont, dass diese Variant selbstverständlich auch bei bekannter Kapazität durchgeführt werden kann.
Beispielsweise wird in Schritt 341 überprüft, ob der Spannungsverlauf als das vorgegebene Merkmal einen konstanten oder zumindest im Wesentlichen konstanten, negativen Sättigungsspannungswert erreicht und sich die Batterieeinheit 110 somit beispielsweise wie ein konstanter, elektrischer Widerstand verhält. Besonders zweckmäßig wird in Schritt 341 überprüft, ob der Spannungsverlauf als das vorgegebene Merkmal zunächst bis auf einen insbesondere negativen Minimalwert absinkt und anschließend von diesem Minimalwert aus ansteigt, bis der Spannungsverlauf den Sättigungsspannungswert erreicht.
Wenn der Spannungsverlauf das vorgegebene Merkmal aufweist, entspricht dies dem Eintreten des vorgegebenen Ereignisses und dem Verlust der Eigenschaft der Batterieeinheit 110, Ladung zu speichern. Der Entladevorgang wird dann in Schritt 342 beendet und die Batterieeinheit 110 wird von der Schaltungsanordnung 120 getrennt. Die Batterieeinheit 110 wird nun beispielsweise einem Recyclingprozess zugeführt.
In Schritt 341 erfolgt das Entladen so lange, bis sich das elektrische Verhalten der Batterieeinheit 110 verändert und sich die Batterieeinheit 110 z.B. wie ein konstanter Widerstand verhält. Wenn die Batterieeinheit 110 ein Ersatzmodel gemäß Figur 2 besitzt, kann dies dazu führen, dass die Spannung der Batterieeinheit 110 das Vorzeichen ohne Änderung der Stromrichtung ändert. Die Spannung kann in den negativen Bereich sinken und steigt dann wieder an und geht in eine Sättigung, bleibt aber negativ. Die Spannung bleibt anschließend bei konstantem Strom nahezu konstant, sofern insbesondere die Temperatur konstant ist. In diesem Bereich wird die Entladung in Schritt 342 gestoppt bzw. abgeschaltet, z.B. bei einem definierten Gradienten des Verlaufs der Spannung über der Zeit. Figur 4 zeigt schematisch ein Diagramm 400 der Spannung llbat der Batterieeinheit 110 aufgetragen gegen die Zeit. Kurve 410 entspricht dem zeitlichen Spannungsverlauf, wie er in Schritt 341 beispielsweise bestimmt werden kann, wenn das Entladen mit einem konstanten Entladestrom erfolgt. Wie in dem Diagramm 400 ersichtlich ist, sinkt die Batteriespannung von einem Ausgangswert 411 von beispielsweise 3,5V bis auf einen negativen Minimalwert 412 von beispielsweise -0,6V ab und steigt anschließend wieder an, bis die Spannung einen Sättigungsspannungswert 413 von beispielsweise -0,25V erreicht.
Figur 5 zeigt schematisch ein weiteres Diagramm 500 der Spannung llbat der Batterieeinheit 110 aufgetragen gegen die Zeit. Kurve 510 zeigt beispielhaft den zeitlichen Spannungsverlauf, wie er in Schritt 341 bei einem Entladen mit einem gepulsten Entladestrom bestimmt werden kann. Kurve 520 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines entsprechenden gepulsten Entladestroms und Kurve 530 einen zeitlichen Verlauf einer Temperatur der Batterieeinheit 110. Auch in Diagramm 500 ist ersichtlich, dass die Batteriespannung zunächst von einem Ausgangswert 511 , z.B. 3,5V, bis auf einen negativen Minimalwert 512, z.B. -0,6V, absinkt und anschließend ansteigt, bis ein Sättigungsspannungswert 513, z.B. -0,25V, erreicht ist.
Die vorliegende Erfindung ermöglich es somit, Batterieeinheiten komplett zu entleeren und dabei die in den Batterieeinheiten vorhandene Restenergie nutzbar zu machen. Ferner können die Batterieeinheiten im Zuge dessen in einen elektrochemisch inaktiven Zustand überführt werden und das Speichervermögen der Batterieeinheiten kann zerstört werden, so dass die Batterieeinheiten auf sichere Weise einem Recyclingprozess zugeführt werden können.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Entladen einer Batterieeinheit (100), umfassend:
Entladen (320) der Batterieeinheit (110), bis ein vorgegebenes Ereignis eintritt, welches einen Verlust der Eigenschaft der Batterieeinheit (110) charakterisiert, Ladung in der Batterieeinheit (110) zu speichern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entladen (320) der Batterieeinheit (110) umfasst:
Entladen (331) der Batterieeinheit (110), bis eine Messgröße der Batterieeinheit (110) einen vorgegebenen Schwellwert erreicht und, wenn die Messgröße den Schwellwert erreicht, weiteres Entladen (332) der Batterieeinheit (110), bis der Batterieeinheit (110) eine vorgegebene Ladungsmenge entzogen wurde.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der vorgegebene Schwellwert ein Umpolen der Batterieeinheit (110) und/oder ein vollständiges Entladen der Batterieeinheit (110) charakterisiert.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Messgröße ein Spannungswert der Batterieeinheit (110) ist und wobei der vorgegebene Schwellwert OV oder zumindest im Wesentlichen OV beträgt, und/oder wobei die Messgröße ein Ladezustand der Batterieeinheit (110) ist und wobei der vorgegebene Schwellwert 0% oder zumindest im Wesentlichen 0% beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die vorgegebene Ladungsmenge einem vorgegebenen Prozentsatz einer Nennkapazität der Batterieeinheit (110) entspricht, insbesondere 5% der Nennkapazität, ferner insbesondere 10% der Nennkapazität, ferner insbesondere 15% der Nennkapazität.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Entladen (320) der Batterieeinheit (110) umfasst: Entladen (341) der Batterieeinheit (110), bis ein Spannungsverlauf (410, 510) der Batterieeinheit (110) ein vorgegebenes Merkmal aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Spannungsverlauf (410, 510) der Batterieeinheit (110) als das vorgegebene Merkmal einen konstanten oder zumindest im Wesentlichen konstanten, negativen Sättigungsspannungswert (413, 513) erreicht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Spannungsverlauf (410, 510) der Batterieeinheit (110) als das vorgegebene Merkmal zunächst bis auf einen insbesondere negativen Minimalwert (412, 512) absinkt und anschließend von dem Minimalwert (412, 512) aus ansteigt, bis der Spannungsverlauf (410, 510) den Sättigungsspannungswert (413, 513) erreicht.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Entladen (320) der Batterieeinheit (110) mit einem vorgegebenen Entladestrom erfolgt, insbesondere mit einem konstanten Entladestrom, einem einstellbaren Entladestrom, einem gepulsten Entladestrom und/oder einen Entladestrom mit beliebiger Stromstärke.
10. Vorrichtung (100) zum Entladen einer Batterieeinheit (110), aufweisend eine Schaltungsanordnung (120), die dazu eingerichtet ist, mit einer oder mehreren Batterieeinheiten (110) verbunden zu werden, wobei die Schaltungsanordnung (120) dazu eingerichtet ist, die eine oder die mehreren Batterieeinheiten (110) gemäß einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche zu entladen.
11. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, wobei die Schaltungsanordnung (120) eine Stromsenke umfasst oder wobei die Schaltungsanordnung (120) eine Stromsenke und eine Stromquelle umfasst, wobei insbesondere ein Zwischenkreis zwischen der Stromquelle und der Stromsenke vorgesehen ist.
12. Recheneinheit (130), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen. 17
13. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (130) veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (130) ausgeführt wird.
14. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 13.
PCT/EP2022/085769 2022-01-12 2022-12-14 Verfahren zum (tief-) entladen von (fahrzeug-) batterieeinheiten WO2023134947A1 (de)

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