DE102009051731B4 - Method and device for charging a battery - 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.Method for charging a battery with a maximum permissible charging voltage Umax, a maximum permissible equilibrium voltage OCVmax, an internal battery resistance Ri and a maximum permissible charging current Imax, wherein in a first charging phase the charging current Imax is used for charging, characterized in that in a second charging phase the charging voltage Usol is determined from a minimum selection of- the maximum permissible charging voltage Umax;- a constant current charging voltage U1 required for charging with the maximum permissible charging current Imax; and- a charging voltage U2 which is determined from an actual charging current Ilad according to:- U2= OCVmax+ (Ri* Ilad) / k; with k > 1.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine dafür ausgebildete Vorrichtung.The present invention relates to a method for charging a battery according to the preamble of patent claim 1 and a device designed therefor.

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.Conventional battery charging methods usually work according to the so-called CCCV method, i.e. the battery is initially charged in a first charging phase with a constant charging current ("constant current" = CC) until the charging voltage reaches a certain threshold value and then in a second charging phase with a constant charging voltage ("constant voltage" = CV). In the second charging phase, the charging current continues to decrease and the charging is usually stopped when the charging current falls below a certain threshold value.

In der US 5 576 608 A ist in 2 ein solches herkömmliches Ladeverfahren dargestellt.In the US 5 576 608 A is in 2 such a conventional charging method is shown.

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.The CCCV method is used to protect batteries from excessive currents during the constant current phase and from excessive voltages during the constant voltage phase. Both excessively high charging current and excessively high charging voltage can significantly reduce the service life of the battery. However, excessively high charging voltage is only harmful if the so-called inherent equilibrium voltage (so-called "open circuit voltage = OCV) exceeds a certain level, as this is the cause of internal battery decomposition and degradation processes. Furthermore, battery manufacturers usually specify a voltage limit (U _max ) in addition to the maximum permissible charging current (I _max ) and the maximum permissible equilibrium voltage (OCV _max ), which must not be exceeded even when the charging current is loaded. This voltage limit U _max is higher than the value of 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.This previously known CCCV method means that fully charging a battery with a maximum permissible charging current takes significantly longer than theoretically possible, since the maximum permissible charging current must be reduced as soon as the measured battery voltage reaches the so-called end-of-charge voltage. In particular, if rapid charging is desired, this means that lead-acid batteries, nickel-metal hydride batteries or lithium-ion batteries are only charged to around 80% or less after a charging time of around one hour. It would be desirable to achieve faster charging of the batteries, particularly in applications where the battery needs to be charged quickly and as completely as possible, such as in electrically powered vehicles or portable computers.

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.From the US 5 576 608 A A battery charging method is known that achieves a shortened battery charging time by continuing the constant current charging phase for longer than until the final charging voltage is reached. Only when a higher voltage value is reached does the system switch to a second charging phase with a constant, lower charging voltage.

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.From the US 5,604,418 A A method for charging a lithium storage cell having a carbon anode is known. The method comprises a first step in which a constant current is applied to the lithium storage cell, whereby the voltage on the storage cell can increase until it reaches a reference value. In a subsequent second step, the reference voltage is applied, whereby the current decreases. The method is characterized in that the reference voltage at any time is equal to the sum of the final charging voltage of the storage cell plus the product of the current multiplied by the ohmic resistance of the storage cell.

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.From the DE 698 24 887 T2 discloses a battery charging system comprising a battery, the battery having at least one rechargeable battery cell and information means for storing battery information indicative of at least first and second charging voltage parameters, the battery information being in a form that can be read or detected by information receiving means of a corresponding battery charger, and the first and second charging voltage parameters representing predetermined maximum charging voltage levels. The battery charging system further comprises a battery charger having information receiving means for reading or detecting the stored battery information, whereby charging of the battery can be controlled on the basis of the first and second charging voltage parameters, the first and second charging voltage parameters representing predetermined maximum charging voltage levels.

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.Based on this, the invention is based on the object of providing a method for charging a battery which enables the battery to be charged as quickly as possible and at the same time avoids damage to the battery due to excessive voltage values.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 5 aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by the features listed in claims 1 and 5. Advantageous developments of the invention emerge from the subclaims.

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.The basic idea of the invention is based on constantly charging with the maximum possible current during charging without violating any of the specified limit values. As in the prior art, charging is initially carried out with a constant, namely the maximum permissible charging current I _max by applying a charging voltage U ₁ at which the desired charging current I _max is established and, in contrast to the conventional CCCV method, this continues even if the charging voltage exceeds the value OCV _max , until either the maximum permissible charging voltage U _max is reached or a second charging voltage U ₂ is reached, which results from the following relationship: $$-{\text{U}}_2={\text{OCV}}_{\text{Max}}+\left({\text{R}}_{\text{i}}*{\text{I}}_{\text{load}}\right)/\text{k},$$

with the battery internal resistance R _i and with the charging current I _max , where k> 1.

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.A minimum selection is therefore made from three possible charging voltage curves so that the charging process can always be carried out with a maximum permissible charging voltage in order to achieve the highest possible charging current.

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.The term (R _i * I _lad / k) is a model for the minimum conceivable voltage increase due to the charging current I _lad . The safety factor k ensures that, on the one hand, the battery voltage does not exceed the value OCV _max and, on the other hand, that in the case of an energy storage device consisting of a large number of individual cells - with varying internal resistances - none of the individual cells exceeds the cell limit (OCV _max / number of cells when the cells are connected in series).

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.According to a first advantageous development of the invention, k is chosen such that in the first charging phase U ₂ < U _max , so that in the second charging phase the voltage is U ₂ = OCV _max + (R _i * I _lad ) / k. This means that k is determined according to the inequality $$\text{k}>\left({\text{R}}_{\text{i}}*{\text{I}}_{\text{load}}\right)/\left({\text{U}}_{\text{Max}}-{\text{OCV}}_{\text{Max}}\right)$$

is determined so that U ₂ is less than U _max in the constant current charging phase. As soon as U ₁ then exceeds U _max and the constant current charging phase is thus ended, the minimum selection unit switches to U ₁ so that U ₂ also drops due to the immediately decreasing charging current I _lad , approaching 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.According to a second advantageous development of the invention, k is selected such that in the first charging phase U ₂ is greater than U _max , so that in the second charging phase charging takes place with the charging voltage U _max , which is followed by a third charging phase with which charging takes place according to the voltage U ₂ = OCV _max + (R _i * I _lad ) / k. In this embodiment, U ₂ is initially - during the constant current charging phase - greater than 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.In this embodiment, as soon as U ₁ exceeds U _max in the constant current charging phase and the constant current charging phase is thus ended, the minimum selection unit switches to U _max (since U ₂ is still greater than U _max at this time). The charging process is therefore continued in the second charging phase with a constant charging voltage U _soll = U _max , with the charging current I _lad decreasing more and more. U ₂ also decreases accordingly. As soon as U ₂ becomes smaller than U _max , the minimum selection unit switches from U _max to U ₂ , resulting in a charging voltage curve that asymptotically approaches OCV _max from above.

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.The value for the factor k depends on the battery parameters, in particular U _max , the maximum permissible charging current I _max and the internal battery resistance R _i and the desired charging behavior. This is preferably between 1 and 5, more preferably between 1 and 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.

A device for carrying out the above-mentioned method comprises

• - a proportional control unit which determines the constant current charging voltage U ₁ from I _max and I _lad ;
• - a control unit which determines the charging voltage U ₂ according to the above formula
• - a minimum selection unit, which includes as inputs the maximum permissible charging voltage U _max , the charging voltage U ₁ and the charging voltage U ₂ , and the lowest of these three voltages is supplied to the battery as the charging voltage U _should .

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).Preferably, the proportional control unit is either a pure proportional controller (P controller) or a proportional controller with integral component (PI controller) or a proportional controller with integral and differential components (PID controller).

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.

The invention is explained in more detail below using a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings, in which:

• 1 : a circuit arrangement for carrying out the battery charging process according to the invention;
• 2 : a graph showing the battery charge voltage over time;
• 3 : a diagram showing the battery charging voltage according to 2 flowing charging current over time;
• 4 : a diagram showing the battery charging voltage for a second embodiment over time;
• 5 : a diagram showing the state of charge (SOC) of a battery in the charging method according to the invention compared to the prior art.

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.In the 1 The circuit arrangement 10 shown is only shown schematically and shows the essential functional groups that are necessary for understanding the invention. Components that are technically necessary but not important for understanding, such as power amplifiers, voltage and current measuring arrangements, have been omitted. The circuit arrangement 10 will also preferably be digital, so that analog-digital and digital-analog converters (not shown) must be provided.

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.The circuit arrangement 10 comprises as a core component a minimum selection unit 12 which has three inputs 14, 16, 18 and one output 20. The minimum selection unit 12 selects from the three inputs 14, 16, 18 the one with the lowest signal size and passes the signal of the relevant input 14, 16, 18 via the output 20. A first input 14 of the minimum selection unit 12 carries the signal U _max , which is the maximum permissible charging voltage for charging a battery 22. This value U _max is specified by the manufacturer of the battery and is stored in a memory location (not shown).

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.A second input 16 of the minimum selection unit 12 receives a signal U ₁ from a proportional control unit 24, which is further described below. A third input 18 of the minimum selection unit 12 receives a signal U ₂ from a control unit 26, which is further described below.

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.The minimum selection unit 12 selects the smallest of the voltage values U _max , U ₁ , U ₂ present at the inputs 14, 16, 18, outputs it at the output 20 and _{applies it} to the battery 22 as the charging voltage U setpoint via A/D converters and power drivers (not shown).

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.The charging current I _lad caused by the applied charging voltage U _soll is measured by means of current measuring devices (not shown) and fed as input 28 of the proportional control unit 24 and input 30 of the control unit 26.

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.The proportional control unit 24 comprises a reference variable input 32, via which the maximum charging current I _max for the battery 22 is specified. The value I _max is specified by the manufacturer of the battery and is stored in a memory location not shown.

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.In addition to the input 30 with the charging current I _{lad ,} the control unit 26 includes an input 34 for the value OCV _max , which represents the value for the maximum permissible inherent equilibrium voltage (open circuit voltage) applicable to the battery 22. The control unit 26 also includes an input 36 for the value of the internal resistance R _i of the battery 22. The value is specified by the manufacturer of the battery and is stored in a memory location not shown. The control unit 26 carries out a calculation from the input variables using the formula $${\text{U}}_2={\text{OCV}}_{\text{Max}}+\left({\text{R}}_{\text{i}}*{\text{I}}_{\text{load}}\right)/\text{k}$$

, where k is stored in the control unit 26 in a memory location not shown.

Der Wert OCV_max wird vom Hersteller der Batterie vorgegeben und ist in einer nicht dargestellten Speicherstelle gespeichert.The OCV _max value is specified by the battery manufacturer and is stored in a memory location not shown.

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.The 2 and 3 show the course of the charging voltage U _soll and I _lad over time t for an application with an OCV _max = 4.09 V and a 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.At the start of a charging process, the minimum selection unit 12 checks the signal values of U _max , U ₁ and U ₂ . The values U _max and U ₂ are both above OCV _max while U ₁ is initially low. This means that at a low charging voltage, the battery 22 is charged with the constant charging current I _lad = I _max . In this first charging phase with a constant charging current, a simple proportional control is carried out via the proportional control unit 24, if necessary with integral (PI control) and if necessary additional differential components (PID control). During this first charging phase, which is 2 and 3 in the time range between 0 and 500 seconds, there is an increase in U ₁ while the charging current I _lad remains constant. At point A (500 seconds), the voltage U ₁ would then exceed the value of U _max . As in 3 As can be seen, the charging current is constant up to 500 seconds: 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.In the embodiment shown, the voltage U ₂ would also be exceeded at the same point A. At this point, the minimum selection unit 12 therefore switches either briefly to U _max or directly to U ₂ and the second charging phase begins.

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.The theoretical course of U ₂ according to formula (1) is in 2 in the range up to 500 sec. shown in dash-dotted lines, because in this range in the example shown U ₂ = U _max . At point A the curve of U ₂ bends downwards, because due to the decreasing charging current I _lad, U ₂ drops after point A, i.e. after 500 sec. and asymptotically approaches the voltage OCV _max from above. At the same time the charging current continues to drop, as shown by curve b in 3 is shown.

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 2 a two-phase curve of the charging voltage U _soll is shown, which are separated from each other by the switching point A at 500 seconds. If a different value is used for the constant k in formula (1), a three-phase curve of the charging voltage U _soll can be present. In this case, the voltage would not be switched directly to the voltage U ₂ at point A, but rather a charge with a constant voltage U _max would take place for a relatively short period of time before the voltage then drops with the curve of U ₂ .

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 the 2 and 3 The charging voltages and charging currents for a conventional CCCV process are also shown. In 2 the conventional charging process up to point B is exactly the same as in the invention. However, at point B, where the voltage U ₁ would exceed the value of OCV _max , the CCCV process switches to charging with a constant charging voltage U _set = OCV _max , so the charging voltage does not increase any further but remains at the value OCV _max . Accordingly, the 3 CCCV charging current designated b is smaller than the charging current shown a according to the invention up to 1000 seconds.

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 1 Furthermore, the dashed lines show the curves for the OCV voltages in the charging method according to the invention using line c and in the conventional CCCV method using line d. It can be seen that the OCV voltage in the charging method according to the invention remains higher over the entire charging period than in the prior art.

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 4 the voltage curve over time is shown for a second advantageous embodiment of the invention, in which k is determined according to formula (1) such that the voltage U ₂ is initially greater than U _max . In a first charging phase up to time t ₁ , a constant current charge is carried out with U ₁ until U ₁ = U _max . Since at this time t ₁ the voltage U ₂ is still greater than U _max , the battery is charged with the voltage U _max . Since the charging voltage remains constant, the charging current drops, which according to formula (1) causes the voltage U ₂ to drop. At time t ₂ the voltage U ₂ drops below U _max , so that after this time t ₂ charging is carried out with the voltage U ₂ , which continues to drop due to the falling charging current. The voltage curves up to time t ₁ and after time t ₂ essentially correspond to those from 1 before or after point 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.In 5 The state of charge (SOC) in the charging method according to the invention is compared using line c with that of the conventional CCCV method in line d. It can be seen that the charging method according to the invention allows the battery to be charged much more quickly, so that the charging time can be significantly shortened.

Claims (6)

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.Method for charging a battery with a maximum permissible charging voltage U _max , a maximum permissible equilibrium voltage OCV _max , an internal battery resistance R _i and a maximum permissible charging current I _max , wherein in a first charging phase the charging current I _max is used, characterized in that in a second charging phase the charging voltage U _soll is determined from a minimum selection of - the maximum permissible charging voltage U _max ; - a constant current charging voltage U ₁ that is required for charging with the maximum permissible charging current I _max ; and - a charging voltage U ₂ that is determined from an actual charging current I _lad according to: - U ₂ = OCV _max + (R _i * I _lad ) / k; with k > 1. 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.Procedure according to Claim 1 , characterized in that k is selected such that in the first charging phase U ₂ is smaller than U _max , so that in the second charging phase charging takes place with the voltage U ₂ = OCV _max + (R _i * I _lad ) / k. 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.Procedure according to Claim 1 , characterized in that k is selected such that in the first charging phase U ₂ is greater than U _max , so that in the second charging phase charging is carried out with the charging voltage U _max , which is followed by a third charging phase with which charging is carried out according to the voltage U ₂ = OCV _max + (R _i * I _lad ) / k. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass k zwischen 1 und 5, vorzugsweise zwischen 1 und 2 liegt.Procedure according to Claim 2 or 3 , characterized in that k is between 1 and 5, preferably between 1 and 2. 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.Device for carrying out the method according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises the following components: - a proportional control unit (2) which determines the constant current charging voltage U ₁ from I _max and I _lad ; - a control unit (3) which determines the charging voltage U ₂ , determined according to U ₂ = OCV _max + (R _i * I _lad ) / k; - a minimum selection unit (4) which includes as inputs the maximum permissible charging voltage U _max , the charging voltage U ₁ and the charging voltage U ₂ , and the lowest of these 3 voltages is to be supplied to the battery as the charging voltage U _should . Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Proportionalregeleinheit (2) ein P- oder ein PI oder ein PID-Regelverhalten aufweist.Device according to Claim 5 , characterized in that the proportional control unit (2) has a P or a PI or a PID control behavior.

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