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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers,
insbesondere eines Energiespeichers zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug
mit Hybridantrieb, bestehend aus mehreren seriell- und/oder parallel
verschalteten Zellen, insbesondere Energiespeicherzellen.
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Als
Hybridantrieb bezeichnet man die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien
oder verschiedener Energiequellen für eine Antriebsaufgabe innerhalb
einer Anwendung. Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge
genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine und eine elektrische
Maschine auf. Die elektrische Maschine ist in der Regel als Starter/Generator
und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator
ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine.
Bei einer Ausführung
als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h.
ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen
Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation
von Bremsenergie. Weiterhin weisen Hybridfahrzeuge mindestens einen
Energiespeicher auf. Die Energie aus dem Energiespeicher kann zum
Starten des Verbrennungsmotors, für die elektrischen Verbraucher
im Fahrzeug und für
Beschleunigungsvorgänge
benutzt werden. Der Energiespeicher wird während der Fahrt über den
Generator vom Verbrennungsmotor gespeist. Zusätzlich wird der Energiespeicher
durch Energierückgewinnung
beim Bremsen aufgeladen. Über
eine Steuerelektronik („Hybrid-Controller") werden die verschiedenen
Modi gesteuert, unter anderem, ob dem Energiespeicher Energie entnommen
oder zugeführt
werden soll.
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Energiespeicher
bestehen meist aus einzelnen Energiespeicherzellen, wie beispielsweise
aus Nickel-Metallhydrid-Zellen, nachfolgend NiMH-Zellen genannt.
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Da
diese Zellen in typischerweise hoher Anzahl (z. B. 168 Stück für einen
202 V NiMH-basierten Energiespeicher) in Serie verschaltet sind,
ist eine Symmetrierung nach einer bestimmten Betriebsdauer unabdingbar,
d.h., man bringt alle Zellen wieder auf einen gleichen Ladezustand
(State of charge, SoC). Dies kann praktisch beispielsweise durch
Erreichen von 100% SoC für
alle Zellen vollzogen werden.
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Denn
beim kontinuierlichen Betrieb derartiger Energiespeicher kommt es
aufgrund der Sereinschaltung grundsätzlich zu unsymmetrischen Ladezuständen innerhalb
des Energiespeichers, d. h., die Zellen weisen mit der Zeit unterschiedliche
Ladungszustände
und Spannungsniveaus auf. Damit die Funktionsfähigkeit und die Langlebigkeit
des Energiespeichers dennoch erhalten bleibt, müssen die Zellen in regelmäßigen Abständen auf
nahezu gleiches Spannungsniveau innerhalb des Energiespeichers gebracht
werden, d. h. die Ladespannung der einzelnen Zellen müssen wieder
einander angepasst, d. h. symmetriert bzw. ausgeglichen werden.
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Wird
eine derartige Symmetrierung bzw. Ausgleichsladung nicht vorgenommen,
so kann es im Extremfall sogar zu negativen Spannungen (Umpolungen)
an einzelnen Energiespeicherzellen kommen, was dazu führen würde, dass
diese Energiespeicherzellen zerstört würden. Weiterhin hätte dies unter
Umständen
zu Folge, dass ein Auseinanderdriften der Energiespeicherzellen
in deren Spannungsniveaus zur Überlastung
oder Degeneration einzelner Energiespeicherzellen, unter Umständen sogar
zu einem Sicherheitsrisiko, führen
könnte.
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Eine
Ausgleichsladung sollte immer dann vorgenommen werden, wenn die
einzelnen Energiespeicherzellen betriebsbedingt in ihren Ladezustand derart
aneinandergedriftet sind, dass es zu einer möglichen Tiefentladung oder
sogar Umpolung einzelner Energiespeicherzellen kommen kann, die
in der Folge zu einer irreversiblen Schädigung oder sogar einer akuten
Gefährdung
des Betriebs des Energiespeichers führen könnten.
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Im
Gegensatz zu beispielsweise Bleisäure- und Lithium-Ionen-Zellen
kann bei NiMH-Zellen
die bedingte Überladetoleranz
ausgenutzt werden, wobei Wasserstoff und Sauerstoff entwickelt werden, die
wiederum in den Elektroden absorbiert und/oder zu Wasser rekombiniert
werden.
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Für Hybrid-Energiespeicher
ist es gleichzeitig in hohem Maße
wünschenswert,
dass ein solcher Vorgang der Ausgleichsladung möglichst schnell abgeschlossen
ist, da der Speicher während
dieser Ausgleichsladung nicht für
die eingangs beschriebenen Betriebsmodi zu Verfügung steht.
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Ein
ganz besondere Herausforderung besteht dann, wenn die Zellen weder
einzeln in der Spannung überwacht
sind noch einzeln symmetriert werden können, sondern in Einheiten
(Modulen) von typischerweise mehr als 10 Zellen zusammengefasst sind,
die in der Spannung überwacht
werden, und zusätzlich
nur der gesamte Speicher geladen und entladen werden kann. Die ist
bei NiMH in der Regel der Fall.
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Insbesondere
NiMH-Zellen weisen nur eine bedingte Überladetoleranz auf, die man
zur Ausgleichsladung aber effektiv sehr gut nutzen kann, was jedoch
gleichzeitig bedeutet, dass ein langfristiges Aufhalten im Überladebereich
zu vermeiden ist, um mögliche
Schädigungen
der Zelle durch Gasung, Überhitzung
und Korrosion der negativen Elektrode zu vermeiden.
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Vorgeschlagen
wurden bisher einfache Möglichkeiten
des Ladens von insbesondere NiMH-Zellen wie das pauschale Einbringen
der 1,5-fachen Ladung, die der Kapazität entspricht, und eine einfache Überwachung über die
Temperatur. Dabei beruft man sich lediglich auf die Überladetoleranz
von NiMH-Zellen.
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Ebenso
ist ein langsames Laden, bis beispielsweise ein Ladungsplateau erreicht
ist, möglich. Dabei
läuft man
jedoch Gefahr, die Zellen über
Gasverlust (in der Regel über
die Aktivierung des Gasventils) und damit Austrocknung zu schädigen, da man
mit Wasserstoff und Sauerstoff effektiv Wasser verliert. Dieser
Verlust kann durch die den für
den Gasaustausch durch den Separator minimierte Elektrolytmenge
schnell kritisch werden. Ferner kann der Sauerstoff die Oberfläche der
Metallhydridlegierung der negativen Elektrode oxidieren, was zu
Passivierung und damit verminderter Leistungsabgabe führen kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein möglichst schnelles Ladeverfahren
bei Vermeidung einer längeren Überladung
des Energiespeichers bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der abhängigen Ansprüche und
der weiteren Beschreibung.
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Während des
Ladens des Energiespeichers werden zumindest zwei Ladespannungswerte
in zeitlich konstanten Intervallen erfasst, wobei ein erster Ladespannungswert
mit mindestens einem zweiten Ladespannungswert verglichen wird,
und das Laden des Energiespeichers beendet wird, wenn der erste Ladespannungswert
größer oder
gleich dem zweiten Ladespannungswert ist.
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Vorzugsweise
ist der zweite Ladespannungswert ein aktuell erfasster Ladungsspannungswert
und der erste ein unmittelbar vorherig erfasster Ladespannungswert.
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Nach
Beginn des Ladevorgangs steigt zunächst üblicherweise die Spannung der
einzelnen Energiespeicherzellen. Nach einer bestimmten Zeit bleibt
die Spannung trotz Ladens der Zellen auf gleichem Niveau oder sinkt
sogar, d. h. es ist ein Spannungsabfall zu beobachten. Der bereits
erwähnte Rekombinationsbereich,
bei dem zwar Ladung fließt, aber
nicht gespeichert wird, ist erreicht. Man sieht einen „Spannungsbuckel", den die Zellen
durchschreiten. Vorteilhafterweise wird das Ende des Ladevorgangs
dadurch zeitlich erfasst.
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Vorzugsweise
wird das Laden des Energiespeichers zumindest ein zweites Mal durchgeführt. Das
Ladeverfahren ist beendet, wenn beim zweiten Ladevorgang die erfasste
Zeit bis zum Beenden des Ladens der erfassten Zeit bis zum Beenden
des Ladens des ersten Ladevorgangs entspricht. Es wird somit geprüft, ob alle
Zellen ein zweites Mal den „Spannungsbuckel" in der gleichen
Zeit durchlaufen, d. h. ob die Zeit bis zum Spannungsabfall konstant bzw.
nicht kürzer
ist. Ist dies der Fall, sind alle Zellen und somit der Energiespeicher
geladen. Wären
einige Zellen noch nicht voll geladen, so wäre die Zeit für den vorangegangenen
Ladevorgang größer, da
zusätzlich
noch Ladung von der positiven in die negative Elektrode verschoben
wird, bevor der Rekombinationszyklus für diese Zellen erreicht ist.
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Da
aus einzelnen Ladevorgängen
ermittelt werden kann, wann, d. h. nach welcher Zeit ein Spannungsabfall
stattfindet und somit der Spannungsbuckel erreicht ist, wird für den Ladevorgang
vorteilhafterweise eine Zeitspanne definiert und der Ladevorgang
nach Ablauf der Zeit beendet.
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Um
eine Überlastung
der Elektroden zu unterbinden, sollte der Ladevorgang insbesondere
unterbrochen werden, wenn der Energiespeicher sich außerhalb
eines definierten Temperaturbereiches befindet.
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Vorteilhafterweise
liegt der Temperaturbereich zwischen 10°C und 40°C. Bei zu hohen Temperaturen
sinkt die Ladungsakzeptanz der negativen Elektrode, d. h. des Metallhydridspeichers,
da der Gegendruck des Wasserstoffs steigt. Bei zu niedrigen Temperaturen
ist die Kinetik schlecht und es droht eine Überlastung der Festkörpergitter
beider Elektroden.
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Um
möglichst
schnell den Ladevorgang abzuschließen, hat es sich als vorteilhaft
ergeben, neben der Überwachung
des Spannungsbuckels, wie eingangs beschrieben, zusätzlich eine
Ladestromsteuerung als Funktion des Ladezustands des Energiespeichers,
auch SoC („State
of Charge") genannt, vorzusehen.
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Bis
zum Erreichen von etwa 80% und in weiteren Schritten 90% bis 95%
des SoC wird eine Ladung des Energiespeichers mit höheren Strömen vorgenommen
(jedoch abnehmend zu höheren SoCs),
um die Gesamtzeit des Ladens effektiv zu minimieren. Hierbei wird
das Wissen für
die benötigte Ladungsmenge
aus der Erkenntnis des SoC vor dem Beginn der Ladung gewonnen, beispielsweise
extrapoliert, um eine weitere Zwischenabfrage des SoC mit vorangegangener
Relaxationszeit der Zelle zu vermeiden.
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Nach Überschreiten
von etwa 90% des SoC ist ein Kompromiss zwischen Überlastung
durch zu hohe Ströme
und Schädigung
durch zu lange Verweildauer im Überladebereich
zu wählen,
so dass spätestens
bei einem Erreichen von 95% des SoC ein Herabsetzen des Stromes
vorgenommen wird.
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Im
Bereich des Ladezustands des Energiespeichers von kleiner 95% wird
bevorzugt mit Puls- und Dauerströmen
von 1 bis 25 C gearbeitet, wobei zugleich eine Begrenzung durch
eine Temperaturüberwachung
erfolgen muss. Im Falle des reduzierten Stromes hingegen liegt der
bevorzugte Bereich bei 0,5 bis 1,5 C, in der Regel als Dauerstrom.
Gerade in diesen Bereichen sind die Temperaturüberwachung und die daraus resultierende
mögliche
Strombegrenzung von zentraler Bedeutung. Es ist hierbei wiederum
zu überprüfen, ob
der Spannungsbuckel vorliegt, in diesem Fall ist die weitere Ladung
des Energiespeichers zu beenden.
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Vorzugsweise
wird der Ladungsausgleich der Energiespeicherzellen betriebsbedingt
vorgenommen.
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Vorzugsweise
wird der Ladungsausgleich in Abhängigkeit
des Ladezustands des Energiespeichers vorgenommen.
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Vorzugsweise
werden als Energiespeicherzellen Nickel-Metallhydrid-Zellen (NiMH-Zellen) verwendet.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten
der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle
Ausführungsbeispiele übertragbar.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 den
typischen Ladekurvenverlauf von NiMH-Zellen,
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2 ein
Flussdiagramm bzw. Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens,
und
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3 eine
Ladestromsteuerung als Funktion des Ladezustands des Energiespeichers.
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Die
konkret vorliegende Ausführungsform, welche
die Anmeldung jedoch nicht auf diese Ausführungsform limitiert, beschreibt
ein Ladeverfahren für einen
Energiespeicher mit Nickel-Metallhydrid-Zellen. Typischerweise wird
hierbei eine Anzahl von 150 bis 200 Energiespeicherzellen in Reihenschaltung
zu einem Energiespeicherpaket zusammengefasst, wobei die Einzelspannungen
jeder einzelnen Energiespeicherzelle bei ca. 1,2 Volt liegen. Es
besteht jedoch die Möglichkeit
auch deutlich mehr oder weniger Zellen zusammenzufassen. Im Weiteren
besteht die Möglichkeit
einzelne Energiespeicherpakete parallel und/oder seriell zu einem
Energiespeicher zusammenzuschalten.
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In 1 ist
der typische Ladekurvenverlauf 1, 2, 3 einer Nickel-Metallhydrid-Energiespeicherzelle
dargestellt. Es ist der Spannungsverlauf der Energiespeicherzelle
bei der Aufladung über
die Zeit aufgetragen, wobei der Spannungsverlauf in für drei unterschiedliche
Temperaturen, nämlich
0°C, 20°C und 40°C dargestellt
ist. Es zeigt sich, dass bei höherer Temperatur
die Ladeakzeptanz fällt.
Hierbei ist klar ersichtlich, dass die Energiespeicherzelle sich
bis zu einer Spannung von ca. 1,6 Volt bei 0°C auflädt, danach die Spannungsaufnahme
der Energiespeicherzelle nicht weiter steigt, sogar abnimmt. Der
Spannungsbuckel 4 wird dadurch erkannt, dass die Spannung, welche
an der Zelle anliegt, äquidistant
abgetastet wird und die einzelnen abgetasteten Werte mit vorherigen
Werten verglichen werden. In dem Augenblick, in welchem keine Spannungszunahme mehr
erfolgt und eine Spannungsabnahme messbar wird, ist davon auszugehen,
dass das Maximum des Spannungsbuckels 4 erreicht und durchschritten
ist. In diesem Fall wird eine weitere Ladung beendet. Das Ende des
Ladevorgangs wird bei konstanter kleiner Durchtrittszeit im Spannungsbuckel
4 erkannt, der typisch für
den Ladungsverlauf von Nickel-Metallhydrid-Zellen ist.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm bzw. Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zu Beginn des Verfahrens (Start) ist ein Wert für Umin zu
hinterlegen, wobei Umin einen minimalen
Spannungsdifferenzwert repräsentiert.
Weiterhin ist ein Wert für
tmax zu hinterlegen, wobei tmax einen
maximalen Zeitwert darstellt. Anschließend wird die Temperatur T
des Energiespeichers geprüft
und der Ladestrom I in Abhängigkeit
der Temperatur des Energiespeichers bestimmt.
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Nach
dem Starten des Ladevorgangs wird zunächst ein erster Ladespannungswert
U1 und anschließend ein zweiter Ladespannungswert
U2 gemessen. Hierbei ist anzumerken, dass
sämtliche Messungen
von U1 und U2 immer
im äquidistanten Abstand
erfolgen. Nach Messung von U1 und U2 wird die Ladespannungsdifferenz U2-U1 gebildet und
geprüft,
ob dieser Wert größer als
der zu Beginn hinterlegte Wert für
Umin ist. Ist dies der Fall (Ja) wird weiter geprüft, ob der
Ladezustand SoC des Energiespeichers bereits bei 100% liegt. Ist
der Ladezustand SoC kleiner als 100%, wird der Energiespeicher weiter
geladen. Hat der Ladezustand SoC dagegen 100% erreicht, wird der
Energiespeicher nun kurzzeitig überladen,
da der Energiespeicher einen bedingte Überladetoleranz aufweist, die
insbesondere für
die Bildung von Ausgleichsladung des Energiespeichers genutzt werden
kann. Diese Schritte finden ebenfalls statt, wenn der Ladespannungsdifferenzwert
U2-U1 nicht größer als
der Ladespannungsdifferenzwert Umin ist.
Der Energiespeicher wird also weiter geladen, wobei nun parallel
dazu die Zeit t1 gemessen wird. Erneut werden
nun zwei Ladespannungswerte U1 und U2 gemessen und anschließend werden Ladung und Zeitaufnahme
t1 beendet, wobei der Wert für t1 dokumentiert wird. Nun wird geprüft, ob die
Ladespannungsdifferenz U2-U1 kleiner
Null ist, d. h. der Wert für
U1 ist demnach größer als der Wert für U2 und der Differenzwert ist negativ. Das
ist ein Anzeichen dafür,
dass der in 1 dargestellte „Spannungsbuckel" durchschritten wurde,
da die Ladespannung nun wieder abfällt.
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Ist
der „Spannungsbuckel" durchschritten worden,
wird ein zweiter Ladevorgang des Energiespeichers durchgeführt, d.
h. der Energiespeicher wird erneut kurz überladen. Es wird erneut eine
Zeit t2 aufgenommen sowie zwei Ladespannungswerte
U1 und U2. Bei Beenden
des Ladens wird die Zeitaufnahme t2 gestoppt
und es wird erneut geprüft,
ob der „Spannungsbuckel" durchschritten wurde.
Wurde der „Spannungsbuckel" durchschritten,
werden die Zeitwerte für
t1 und t2 verglichen.
Sind die Zeiten t1 und t2 bis
zum Spannungsabfall identisch, kann der Ladevorgang abgeschlossen
werden, da nun sichergestellt ist, dass der Energiespeicher vollständig unter Bildung
von Ausgleichsladungen geladen ist. Wurde jedoch kein Spannungsabfall
nach Messung der Werte U1 und U2 festgestellt,
d. h. der Differenzwert U2-U1 ist
größer Null,
wird weiter geprüft,
ob bereits der zu Beginn des Verfahrens festgelegte Zeitwert für tmax überschritten
wurde. Ist dies nicht der Fall, wird der Energiespeicher weiter
geladen. Ist tmax jedoch bereits überschritten,
wird die Zeitaufnahme für
t1 und/oder t2 gelöscht und
das Laden im Überladebereich
wird von neuem durchgeführt.
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3 zeigt
eine Ladestromsteuerung als Funktion des Ladezustands des Energiespeichers. Bis
zum Erreichen von etwa 80% und in weiteren Schritten 90% bis 95%
des Ladezustands SoC des Energiespeichers wird das Laden des Energiespeichers
mit hohen Strömen
vorgenommen, um die Gesamtzeit des Ladens effektiv zu minimieren.
Hierbei wird das Wissen für
die benötigte
Ladungsmenge aus der Erkenntnis des Ladezustands SoC vor Beginn
des Ladens gewonnen, beispielsweise extrapoliert, um eine weitere
Zwischenabfrage des Ladezustands SoC mit vorangegangener Relaxationszeit der
Zelle zu vermeiden.
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Nach Überschreiten
von etwa 90% des SoC ist ein Kompromiss zwischen Überlastung
durch zu hohe Ströme
und Schädigung
durch zu lange Verweildauer im Überladebereich
zu wählen,
so dass spätestens
bei einem Erreichen von 95% des SoC ein Herabsetzen des Stromes
vorgenommen wird.
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Im
Bereich des Ladezustands des Energiespeichers von kleiner 95% wird
bevorzugt mit Puls- und Dauerströmen
von 1 bis 25 C gearbeitet, wobei zugleich eine Begrenzung durch
eine Temperaturüberwachung
erfolgen muss. Im Falle der Herabsetzung des Stromes hingegen liegt
der bevorzugte Bereich bei 0,5 bis 1,5 C, in der Regel als Dauerstrom. Gerade
in diesen Bereichen sind die Temperaturüberwachung und die daraus resultierende
mögliche Strombegrenzung von
zentraler Bedeutung. Es ist hierbei wiederum zu überprüfen, ob der Spannungsbuckel
vorliegt, in diesem Fall ist die weitere Ladung des Energiespeichers
zu beenden.
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Im
Weiteren ist zu berücksichtigen,
dass Nickel-Metallhydrid-Zellen nicht nur durch Tiefenentladung
und Umpolung geschädigt
werden, sondern oftmals in der positiven Elektrode Kobaltmetall,
Kobaltsuboxid oder Kobaltoxid verwendet werden, welche beim ersten
Laden, dem so genannten Formieren, derart elektrochemisch umgesetzt
werden, dass ein effektives Leitfähigkeitsgerüst entsteht, das die extrem
schlecht elektronisch leitenden Nickelhydroxidpartikel gut kontaktiert.
Bei längerem
Erreichen von Entladespannungen um die 0,8 Volt kann dieses Gerüst schleichend
zerstört
werden, was zu einer drastischen Verschlechterung des „Gesundheitszustands", auch SoH „State
of Health" genannt,
der Energiespeicherzellen und somit des Energiespeichers, in Bezug
auf eine größtmögliche Leistungsnahme, führt.
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Eine
rechtzeitig durchgeführte
Ausgleichsladung, ohne gleichzeitig durch dieselbe durch unsachgemäße Wahl
der Strombereiche oder Zeiten, in denen sich Zellen im Überladebereich
befinden, Schäden
hervorzurufen, ist somit ein ganz entscheidender lebensverlängernder
Schritt für
einen Energiespeicher, insbesondere wenn dieser aus einer Serienschaltung
und/oder Reihenschaltung von Nickel-Metallhydrid-Zellen besteht.