DE102009051731B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden einer Batterie - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Laden einer Batterie mit einer maximal zulässigen Ladespannung Umax, einer maximal zulässigen Gleichgewichtsspannung OCVmax, einem Batterieinnenwiderstand Risowie einem maximal zulässigen Ladestrom Imax, wobei in einer ersten Ladephase mit dem Ladestrom Imaxgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Ladephase die Ladespannung Usollermittelt wird aus einer Minimumauswahl aus- der maximal zulässigen Ladespannung Umax;- einer Konstantstrom-Ladespannung U1, die zur Ladung mit dem maximal zulässigen Ladestrom Imaxerforderlich ist; und- einer Ladespannung U2, die bestimmt wird aus einem tatsächlichen Ladestrom Iladgemäß:- U2= OCVmax+ (Ri* Ilad) / k; mit k > 1.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine dafür ausgebildete Vorrichtung.
• Konventionelle Batterieladeverfahren arbeiten üblicherweise nach dem sog. CCCV-Verfahren, d.h. es wird zunächst in einer ersten Ladephase mit einem konstanten Ladestrom („constant current“ = CC) geladen, bis die Ladespannung einen bestimmten Schwellwert erreicht und dann in einer zweiten Ladephase mit einer konstanten Ladespannung („constant voltage“ = CV) . In der zweiten Ladephase sinkt dabei der Ladestrom immer weiter ab und die Ladung wird üblicherweise dann beendet, wenn der Ladestrom einen gewissen Schwellwert unterschreitet.
• In der US 5 576 608 A ist in 2 ein solches herkömmliches Ladeverfahren dargestellt.
• Das CCCV-Verfahren wird angewandt, um die Batterien vor zu hohen Strömen während der Konstantstromphase und vor zu hohen Spannungen während der Konstantspannungsphase zu schützen. Sowohl ein zu hoher Ladestrom als auch eine zu hohe Ladespannung können die Lebensdauer der Batterie maßgeblich beeinträchtigen. Eine zu hohe Ladespannung ist allerdings nur dann schädlich, wenn die sogenannte inhärente Gleichgewichtsspannung (sogenannte "open circuit voltage = OCV) ein gewisses Niveau überschreitet, da diese ursächlich für batterieinterne Zersetzungs- und Degradationsprozesse ist. Ferner wird von Batterieherstellern meist zusätzlich zum maximal zulässigem Ladestrom (I_max) und der maximal zulässigen Gleichgewichtsspannung (OCV_max) ein Spannungslimit (U_max) angegeben, welches auch bei Ladestrombelastung nicht überschritten werden darf. Dabei liegt dieses Spannungslimit U_max über dem Wert von OCV_max.
• Dieses vorbekannte CCCV-Verfahren führt dazu, dass das vollständige Laden einer Batterie mit einem zulässigen maximalen Ladestrom deutlich länger als theoretisch möglich dauert, da der maximal zulässige Ladestrom zurückgeregelt werden muss, sobald die gemessene Batteriespannung die sogenannte Ladeschlussspannung erreicht. Insbesondere bei einer gewünschten Schnellladung führt dies bei Blei-Säure-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien oder Lithium-Ionen-Batterien dazu, dass diese nach einer Ladezeit von ca. einer Stunde nur zu etwa 80% oder weniger geladen sind. Gerade bei Anwendungen, in denen ein schnelles und zugleich möglichst vollständiges Laden der Batterie erforderlich ist wie beispielsweise bei elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen oder portablen Computern wäre es wünschenswert, eine schnellere Ladung der Batterien zu erreichen.
• Aus der US 5 576 608 A ist ein Batterieladeverfahren bekannt, das eine verkürzte Batterieladezeit dadurch erreicht, dass die Konstantstrom-Ladephase länger fortgesetzt wird als bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung. Erst bei Erreichen eines höheren Spannungswertes erfolgt eine Umschaltung auf eine zweite Ladephase mit einer konstanten, niedrigeren Ladespannung.
• Aus der US 5,604,418 A ist ein Verfahren zum Laden einer Lithium-Speicherzelle, die eine Kohlenstoff Anode aufweist, bekannt. Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt, in dem ein konstanter Strom an die Lithium-Speicherzelle angelegt wird, wobei die Spannung an der Speicherzelle ansteigen kann, bis sie einen Referenzwert erreicht. In einem nachfolgenden zweiten Schritt wird die Referenzspannung angelegt, wobei der Strom abnimmt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung zu jedem Zeitpunkt gleich der Summe der Lade-Endspannung der Speicherzelle plus dem Produkt aus dem Strom multipliziert mit dem ohmschen Widerstand der Speicherzelle ist.
• Aus der DE 698 24 887 T2 geht ein Batterieladesystem mit einer Batterie hervor, wobei die Batterie mindestens eine wiederaufladbare Batteriezelle und eine Informationseinrichtung zum Speichern von Batterieinformationen als Anzeige mindestens eines ersten und eines zweiten Ladespannungsparameters aufweist, wobei die Batterieinformationen eine Form haben, die durch eine Informationsempfangseinrichtung eines entsprechenden Batterieladegeräts gelesen oder erfaßt werden kann, und wobei der erste und zweite Ladespannungsparameter vorbestimmte maximale Ladespannungspegel darstellen. Das Batterieladesystem umfasst weiterhin ein Batterieladegerät mit einer Informationsempfangseinrichtung zum Lesen oder Erfassen der gespeicherten Batterieinformationen, wodurch das Laden der Batterie auf der Grundlage des ersten und zweiten Ladespannungsparameters gesteuert werden kann, wobei der erste und zweite Ladespannungsparameter vorbestimmte maximale Ladespannungspegel darstellen.
• Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laden einer Batterie bereitzustellen, das eine möglichst schnelle Batterieladung ermöglicht und gleichzeitig eine Schädigung der Batterie durch überhöhte Spannungswerte vermeidet.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 5 aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die Grundidee der Erfindung beruht darauf, während des Ladens ständig mit einem maximal möglichen Strom zu laden, ohne dabei einen der vorgegeben Grenzwerte zu verletzen. Dabei wird - wie beim Stand der Technik - zunächst mit einem konstanten und zwar dem maximal zulässigen Ladestrom I_max geladen , indem eine Ladespannung U₁ angelegt wird bei der sich der gewünschte Ladestrom I_max einstellt und dies im Unterschied zum herkömmliche CCCV-Verfahren selbst dann noch fortgesetzt, wenn die Ladespannung den Wert OCV_max überschreitet und zwar so lange, bis entweder die maximal zulässige Ladespannung U_max erreicht wird oder eine zweite Ladespannung U₂, die sich aus der folgenden Beziehung ergibt: $$-{\text{ U}}_2={\text{OCV}}_{\text{max}}+\left({\text{R}}_{\text{i}}*{\text{I}}_{\text{lad}}\right)/\text{k},$$

  

  mit dem Batterieinnenwiderstand R_i sowie mit dem Ladestrom I_max, wobei k> 1 ist.
• Es erfolgt also aus drei möglichen Ladespannungsverläufen eine Minimalauswahl, damit der Ladevorgang mit einer stets maximal zulässigen Ladespannung zur Erreichung eines möglichst hohen Ladestroms durchgeführt werden kann.
• Dabei ist der Term (R_i * I_lad / k) ein Modell für die minimal denkbare Spannungserhöhung auf Grund des Ladestroms I_lad. Der Sicherheitsfaktor k stellt dabei sicher, dass zum einen die Batteriespannung den Wert OCV_max nicht überschreitet und zum anderen, dass im Falle eines Energiespeichers, bestehend aus einer Vielzahl von Einzelzellen - mit untereinander variierenden Innenwiderständen - keine der Einzelzellen das Zelllimit (OCV_max/Zellenzahl bei Serienschaltung der Zellen) überschreitet.
• Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird k so gewählt, dass in der ersten Ladephase U₂ < U_max ist, so dass in der zweiten Ladephase mit der Spannung U₂ = OCV_max + (R_i * I_lad) / k geladen wird. Das bedeutet, dass k gemäß der Ungleichung $$\text{k}>\left({\text{R}}_{\text{i}}*{\text{I}}_{\text{lad}}\right)/\left({\text{U}}_{\text{max}}-{\text{OCV}}_{\text{max}}\right)$$

  

  so bestimmt wird, dass U₂ in der Konstantstromladephase kleiner als U_max ist. Sobald U₁ dann U_max überschreitet und damit die Konstantstromladephase beendet wird, schaltet die Minimalauswahleinheit auf U₁ um, so dass durch den sich sofort verringerndem Ladestrom I_lad auch U₂ absinkt und zwar unter Annäherung an OCV_max.
• Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird k so gewählt, dass in der ersten Ladephase U₂ größer als U_max ist, so dass in der zweiten Ladephase mit der Ladespannung U_max geladen wird, der sich eine dritte Ladephase anschließt, mit der gemäß der Spannung U₂ = OCV_max + (R_i * I_lad) / k geladen wird. Bei dieser Ausführungsform ist U₂ zunächst - während der Konstantstromladephase - größer als U_max.
• Sobald bei dieser Ausführungsform U₁ in der Konstantstromladephase U_max überschreitet und damit die Konstantstromladephase beendet wird, schaltet die Minimalauswahleinheit auf U_max um (da U₂ zu diesem Zeitpunkt noch größer ist als U_max), es wird also der Ladevorgang in der zweiten Ladephase mit einer konstanten Ladespannung U_soll = U_max fortgesetzt, wobei der Ladestrom I_lad immer mehr zurückgeht. Dementsprechend sinkt auch U₂, Sobald U₂ kleiner wird als U_max, schaltet die Minimumauswahleinheit von U_max auf U₂ um, wodurch ein sich OCV_max asymptotisch von oben annähernder Ladespannungsverlauf ergibt.
• Der Wert für den Faktor k hängt von den Batterieparametern, insbesondere U_max, dem maximal zulässigen Ladestrom I_max und dem Batterieinnenwiderstand R_i und dem gewünschten Ladeverhalten ab. Dieser liegt vorzugsweise zwischen 1 und 5, noch bevorzugter zwischen 1 und 2.
• Eine Vorrichtung zur Durchführung des o.g. Verfahrens umfasst
• - eine Proportionalregeleinheit, welche die Konstantstrom-Ladespannung U₁ bestimmt aus I_max und I_lad;
• - eine Regeleinheit, welche die Ladespannung U₂, bestimmt gemäß der o.g. Formel
• - eine Minimumauswahleinheit, welche als Eingänge die maximal zulässige Ladespannung U_max, die Ladespannung U₁ und die Ladespannung U₂ umfasst, und die niedrigste dieser drei Spannungen als Ladespannung U_soll der Batterie zugeführt wird.
• Vorzugsweise ist die Proportionalregeleinheit entweder ein reiner Proportionalregler (P-Regler) oder ein Proportionalregler mit Integralanteil (PI-Regler) oder ein Proportionalregler mit Integral- und Differenzialanteil (PID-Regler).
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt:
• 1: eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Batterieladevorgangs;
• 2: ein Diagramm, das die Batterieladespannung über der Zeit darstellt;
• 3: ein Diagramm, das den bei der Batterieladespannung gemäß 2 fließenden Ladestrom über der Zeit darstellt;
• 4: ein Diagramm, das die Batterieladespannung für einen zweites Ausführungsbeispiel über der Zeit darstellt;
• 5: ein Diagramm, das den Ladezustand (SOC) einer Batterie beim erfindungsgemäßen Ladeverfahren gegenüber dem Stand der Technik darstellt.
• Die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung 10 ist nur schematisch dargestellt und zeigt die wesentlichen Funktionsgruppen, die zum Verständnis der Erfindung nötig sind. Technisch notwendige aber zum Verständnis unwichtige Bauteile wie Leistungsverstärker, Spannungs- und Strommessanordnungen wurden weggelassen. Auch wird die Schaltungsanordnung 10 vorzugsweise digital ausgebildet sein, so dass nicht gezeigte Analog-Digital- und Digital-Analogwandler vorgesehen sein müssen.
• Die Schaltungsanordnung 10 umfasst als Kernbestandteil eine Minimumauswahleinheit 12, die drei Eingänge 14, 16, 18 sowie einen Ausgang 20 aufweist. Die Minimumauswahleinheit 12 selektiert aus den drei Eingänge 14, 16, 18 denjenigen mit der niedrigsten Signalgröße und führt das Signal des betreffenden Eingangs Eingänge 14, 16, 18 über den Ausgang 20 weiter. Ein erster Eingang 14 der Minimumauswahleinheit 12 führt das Signal U_max, welches die maximal zulässige Ladespannung zur Ladung einer Batterie 22 ist. Diese Wert U_max wird vom Hersteller der Batterie vorgegeben und ist in einer nicht dargestellten Speicherstelle gespeichert.
• Ein zweiter Eingang 16 der Minimumauswahleinheit 12 erhält ein Signal U₁ von einer Proportionalregeleinheit 24, die nachstehend weiter beschrieben wird. Ein dritter Eingang 18 der Minimumauswahleinheit 12 erhält ein Signal U₂ von einer Regeleinheit 26, die nachstehend weiter beschrieben wird.
• Von der Minimumauswahleinheit 12 wird die kleinste der an den Eingängen 14, 16, 18 anliegenden Spannungswerte U_max, U₁, U₂ selektiert, am Ausgang 20 ausgegeben und über nicht dargestellte A/D-Wandler und Leistungstreiber als Ladespannung U_soll an der Batterie 22 angelegt.
• Mittels nicht gezeigter Strommesseinrichtungen wird der durch die angelegte Ladespannung U_soll bewirkte Ladestrom I_lad gemessen und als Eingang 28 der Proportionalregeleinheit 24 sowie Eingang 30 der Regeleinheit 26 zugeführt.
• Die Proportionalregeleinheit 24 umfasst einen Führungsgrößeneingang 32, über den der maximale Ladestrom I_max für die Batterie 22 vorgegeben wird. Der Wert I_max wird vom Hersteller der Batterie vorgegeben und ist in einer nicht dargestellten Speicherstelle gespeichert.
• Die Regeleinheit 26 umfasst neben dem Eingang 30 mit dem Ladestrom I_lad einen Eingang 34 für den Wert OCV_max, der den für die Batterie 22 zutreffenden Wert für die maximal zulässige inhärente Gleichgewichtsspannung (open circuit voltage) darstellt. Die Regeleinheit 26 umfasst außerdem einen Eingang 36 für den Wert des Innenwiderstandes R_i der Batterie 22. Der Wert wird vom Hersteller der Batterie vorgegeben und ist in einer nicht dargestellten Speicherstelle gespeichert. Die Regeleinheit 26 führt aus den Eingangsgrößen eine Berechnung anhand der Formel $${\text{U}}_2={\text{OCV}}_{\text{max}}+\left({\text{R}}_{\text{i}}*{\text{I}}_{\text{lad}}\right)/\text{k}$$

  

  aus, wobei k in der Regeleinheit 26 in einer nicht dargestellten Speicherstelle gespeichert ist.
• Der Wert OCV_max wird vom Hersteller der Batterie vorgegeben und ist in einer nicht dargestellten Speicherstelle gespeichert.
• Die 2 und 3 zeigen den Verlauf der Ladespannung U_soll und I_lad jeweils über der Zeit t für eine Anwendung mit einem OCV_max = 4,09 V sowie einem U_max = 4,2 V.
• Zu Beginn eines Ladevorgangs überprüft die Minimumauswahleinheit 12 die Signalwerte von U_max, U₁ und U₂. Die Werte U_max und U₂ liegen beide oberhalb von OCV_max während U₁ zunächst niedrig ist. Das heißt, bei einer niedrigen Ladespannung erfolgt eine Ladung der Batterie 22 mit dem konstanten Ladestrom I_lad = I_max. In dieser ersten Ladephase mit konstantem Ladestrom erfolgt also eine einfache Proportionalregelung über die Proportionalregeleinheit 24, gegebenenfalls mit Integral- (PI-Regelung) und gegebenenfalls zusätzlichen Differentialanteilen (PID-Regelung). Während dieser ersten Ladephase, die in 2 und 3 im Zeitbereich zwischen 0 und 500 sek. dargestellt ist, erfolgt ein Anstieg von U₁ bei gleichbleibendem Ladestrom I_lad. Am Punkt A (500 sek.) würde dann die Spannung U₁ den Wert von U_max überschreiten. Wie in 3 zu erkennen ist, ist der Ladestrom im Bereich bis 500 sek. konstant I_lad = I_max = 100 A.
• In der gezeigten Ausführungsform würde im gleichen Punkt A auch die Spannung U₂ überschritten werden. In diesem Punkt schaltet die Minimumauswahleinheit 12 daher entweder kurzzeitig auf U_max oder direkt auf U₂ um und es beginnt die zweite Ladephase.
• Der theoretische Verlauf von U₂ gemäß der Formel (1) ist in 2 im Bereich bis 500 sek. strich-punktiert dargestellt, denn in diesem Bereich ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel U₂ = U_max. Im Punkt A knickt die Kurve von U₂ nach unten ab, denn aufgrund des sich verkleinernden Ladestromes I_lad sinkt U₂ nach dem Punkt A, also nach 500 sek. und nähert sich asymptotisch von oben der Spannung OCV_max an. Gleichzeitig sinkt der Ladestrom immer weiter ab, wie durch die Kurve b in 3 dargestellt ist.
• In 2 ist ein zweiphasiger Verlauf der Ladespannung U_soll gezeigt, die durch den Umschaltpunkt A bei 500 sek. voneinander getrennt sind. Sofern ein anderer Wert für die Konstante k in Formel (1) verwendet wird, kann ein dreiphasiger Verlauf der Ladespannung U_soll vorliegen. Dann würde im Punkt A nicht direkt auf die Spannung U₂ umgeschaltet sondern es erfolgt für einen relativ kurzen Zeitraum eine Ladung mit konstanter Spannung U_max bevor die Spannung dann mit dem Verlauf von U₂ abfällt.
• In den 2 und 3 sind auch die Ladespannungen und Ladeströme für ein herkömmliches CCCV-Verfahren dargestellt. In 2 verläuft das herkömmliche Ladeverfahren bis zu dem Punkt B genau so wie bei der Erfindung. Im Punkt B jedoch, wo die Spannung U₁ den Wert von OCV_max überschreiten würde, wird beim CCCV-Verfahren auf Laden mit konstanter Ladespannung U_soll = OCV_max umgeschaltet, die Ladespannung steigt also nicht weiter an sondern bleibt auf dem Wert OCV_max. Dementsprechend ist der in 3 mit b bezeichnete CCCV-Ladestrom bis nach 1000 sek. kleiner als der mit a dargestellte Ladestrom gemäß der Erfindung.
• In 1 sind ferner gestrichelt die Verläufe für die OCV-Spannungen beim erfindungsgemäßen Ladeverfahren mittels Linie c und mittels des herkömmlichen CCCV-Verfahrens mittels Linie d dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die OCV-Spannung beim erfindungsgemäßen Ladeverfahren über dem gesamten Ladezeitraum höher bleibt als beim Stand der Technik.
• In 4 ist der Spannungsverlauf über der Zeit für eine zweite vorteilhafte Ausbildung der Erfindung dargestellt, bei der k gemäß Formel (1) so bestimmt ist, dass die Spannung U₂ zunächst größer als U_max ist. In einer ersten Ladephase bis zum Zeitpunkt t₁ erfolgt eine Konstantstromladung mit U₁, bis U₁ = U_max wird. Da zu diesem Zeitpunkt t₁ die Spannung U₂ noch größer als U_max ist, erfolgt eine Batterieladung mit der Spannung U_max. Da die Ladespannung konstant bleibt, sinkt der Ladestrom was gemäß Formel (1) ein Absinken der Spannung U₂ bewirkt. Zum Zeitpunkt t₂ sinkt die Spannung U₂ unterhalb U_max , so dass nach diesem Zeitpunkt t₂ mit der weiter aufgrund des sinkenden Ladestromes absinkenden Spannung U₂, geladen wird. Sie Spannungsverläufe bis zum Zeitpunkt t₁ und nach dem Zeitpunkt t₂ entsprechen im wesentlichen denjenigen aus 1 vor bzw. nach dem Punkt A.
• In 5 ist der Ladezustand (state of charge = SOC) beim erfindungsgemäßen Ladeverfahren mittels Linie c dem des herkömmlichen CCCV-Verfahrens in Linie d gegenübergestellt. Dabei ist zu sehen, dass das erfindungsgemäße Ladeverfahren eine wesentlich schnellere Ladung der Batterie erlaubt, so dass sich die Ladezeit erheblich verkürzen lässt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Laden einer Batterie mit einer maximal zulässigen Ladespannung U_max, einer maximal zulässigen Gleichgewichtsspannung OCV_max, einem Batterieinnenwiderstand R_i sowie einem maximal zulässigen Ladestrom I_max, wobei in einer ersten Ladephase mit dem Ladestrom I_max geladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Ladephase die Ladespannung U_soll ermittelt wird aus einer Minimumauswahl aus - der maximal zulässigen Ladespannung U_max; - einer Konstantstrom-Ladespannung U₁, die zur Ladung mit dem maximal zulässigen Ladestrom I_max erforderlich ist; und - einer Ladespannung U₂, die bestimmt wird aus einem tatsächlichen Ladestrom I_lad gemäß: - U₂ = OCV_max + (R_i * I_lad) / k; mit k > 1.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass k so gewählt wird, dass in der ersten Ladephase U₂ kleiner als U_max ist, so dass in der zweiten Ladephase mit der Spannung U₂ = OCV_max + (R_i * I_lad) / k geladen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass k so gewählt wird, dass in der ersten Ladephase U₂ größer als U_max ist, so dass in der zweiten Ladephase mit der Ladespannung U_max geladen wird, der sich eine dritte Ladephase anschließt, mit der gemäß der Spannung U₂ = OCV_max + (R_i * I_lad) / k geladen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass k zwischen 1 und 5, vorzugsweise zwischen 1 und 2 liegt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese folgende Bestandteile umfasst: - eine Proportionalregeleinheit (2), welche die Konstantstrom-Ladespannung U₁ bestimmt aus I_max und I_lad; - eine Regeleinheit (3), welche die Ladespannung U₂, bestimmt gemäß U₂ = OCV_max + (R_i * I_lad) / k; - eine Minimumauswahleinheit (4), welche als Eingänge die maximal zulässige Ladespannung U_max, die Ladespannung U₁ und die Ladespannung U₂ umfasst, und die niedrigste dieser 3 Spannungen als Ladespannung U_soll der Batterie zuführbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Proportionalregeleinheit (2) ein P- oder ein PI oder ein PID-Regelverhalten aufweist.

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