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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung eines kombinierten Lade- und Cell-Balancing-Vorgangs für ein elektrisch angetriebenes Fortbewegungsmittel und insbesondere einen kombinierten Lade- und Cell-Balancing-Vorgang für ein Fortbewegungsmittel mit kurzen Stillstandzeiten.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Arten elektrisch angetriebener Fortbewegungsmittel bekannt, wie z.B. PKW, LKW, Busse, Schienenfahrzeuge, Shuttle-Fahrzeuge, E-Bikes usw. Je nach Einsatzzweck der jeweiligen Fortbewegungsmittel und einer jeweils zur Verfügung stehenden Batteriekapazität zur Energieversorgung der elektrischen Antriebe der Fortbewegungsmittel, sind entsprechende Stillstandzeiten der Fortbewegungsmittel vorzusehen, um die Batterien der Fortbewegungsmittel zu laden. Insbesondere im Zusammenhang mit Fortbewegungsmitteln mit kurzen Stillstandzeiten (also Stillstandzeiten, die häufig nicht zum Durchführen eines vollständigen Lade- und Cell-Balancing-Vorgangs ausreichen), wie z.B. Shuttle-Fahrzeuge, gilt es, einen Lade- und/oder Cell-Balancing-Vorgang für Batterien dieser Fortbewegungsmittel mit den beschriebenen kurzen Stillstandzeiten in Einklang zu bringen.
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WO201788633A1 beschreibt ein Batteriepack und ein Verfahren zum Laden des Batteriepacks, wobei das Batteriepack eine Batterie, eine Balancing-Vorrichtung, eine Ladeschaltvorrichtung, eine Entladeschaltvorrichtung und eine Batterie-Management-Vorrichtung umfasst. Die Batterie-Management-Vorrichtung ist eingerichtet, die Batterie in Abhängigkeit vordefinierter Randbedingungen zu laden oder zu entladen und ein passives Cell-Balancing von Zellen der Batterie durchzuführen. Ein Ladevorgang der Batterie sieht eine Anwendung einer Ladephase mit einem konstanten Ladestrom und eine Anwendung einer Ladephase mit einer konstanten Spannung vor.
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JP2017011978A beschreibt ein Batterieladegerät, welches eingerichtet ist, eine Batterie innerhalb einer kurzen Zeit effizient zu laden. Ein erfindungsgemäßer Ladevorgang sieht zunächst eine erste Ladephase mit einem hohen konstanten Strom vor, welche von einer zweiten Ladephase mit einem niedrigen konstanten Strom abgelöst wird, wobei die beiden Ladephasen für eine vordefinierte Anzahl von Wiederholungen alternierend durchgeführt werden. Nach Erreichen der vordefinierten Anzahl von Wiederholungen wird eine dritte Ladephase mit einer konstanten Spannung ausgeführt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schlägt gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Durchführung eines kombinierten Lade- und Cell-Balancing-Vorgangs für ein elektrisch angetriebenes Fortbewegungsmittel vor. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Shuttle, Bus, Motorrad, E-Bike, PKW, Transporter, LKW) ein Wasserfahrzeug, ein Luftfahrzeug/Flugzeug oder eine elektrisch angetriebene Arbeitsmaschine sein. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einer ersten Ladephase ein Teilladevorgang einer Batterie des Fortbewegungsmittels durchgeführt. Eine Steuerung und/oder Regelung des Teilladevorgangs und nachfolgender Verfahrensschritte kann mittels einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit durchgeführt werden, welche beispielsweise als Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o.ä., ausgestaltet sein kann. Eine Logik zur Steuerung und/oder Regelung bzw. zur Ausführung der jeweiligen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte kann beispielsweise in Form eines Computerprogramms implementiert sein, welches durch die Auswerteeinheit ausgeführt wird. Die Auswerteinheit kann bevorzugt eine informationstechnisch an die Auswerteinheit angebundene interne und/oder externe Speichereinheit umfassen, um beispielsweise Berechnungsergebnisse und weitere durch die Auswerteeinheit erzeugte und/oder empfangene Daten zu speichern. Des Weiteren kann die Auswerteeinheit Bestandteil eines bestehenden Batteriemanagement-Systems, oder eine mit einem Batteriemanagement-System korrespondierende Komponente sein, welche mittels einer informationstechnischen Anbindung mit dem Batteriemanagement-System kommunizieren kann.
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Die erste Ladephase kann unter Berücksichtigung vordefinierter Randbedingungen (z.B. Einhaltung eines vordefinierten Betriebstemperaturbereichs) unmittelbar nach einem erfolgten Parkvorgang des Fortbewegungsmittels im Bereich einer Ladesäule und nach Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Fortbewegungsmittel und der Ladesäule ausgeführt werden. Da angenommen werden kann, dass ein dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogenes Fortbewegungsmittel i.d.R. über einen geringen Ladezustand der Batterie verfügt, erfolgt in der ersten Ladephase bevorzugt ein Laden mittels eines konstanten Ladestroms (CC-Laden). Ein Ziel der ersten Ladephase ist es, die Batterie unter Berücksichtigung technischer Randbedingungen zunächst so schnell wie möglich mit einer Mindestmenge an elektrischer Energie zu beaufschlagen, so dass das Fortbewegungsmittel im Falle eines erneuten Nutzungsbedarfs zumindest für eine mit der Mindestenergiemenge einhergehende Mindestreichweite genutzt werden kann. Um generell eine hohe Verfügbarkeit des Fortbewegungsmittels gewährleisten zu können, sieht der erfindungsgemäße kombinierte Lade- und Cell-Balancing-Vorgang vor, dass dieser zu beliebigen Zeitpunkten unterbrochen und zu einem späteren Zeitpunkt fortgesetzt oder erneut begonnen werden kann. Insbesondere bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zusammenhang mit beispielsweise autonom fahrenden Shuttle-Fahrzeugen an Flughäfen oder E-Bussen können längere Stillstandzeiten für einen vollständigen Lade- und Cell-Balancing-Vorgang nicht immer eingehalten werden, weshalb das erfindungsgemäße Verfahren hier besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann.
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Eine der Batterie in der ersten Ladephase zugeführte elektrische Energie kann sich beispielsweise an einem vordefinierten Wert für einen Mindestladezustand (z.B. 40% oder 50%) der Batterie orientieren. Dieser Wert kann bevorzugt an ein Nutzungsverhalten des Fortbewegungsmittels angepasst sein und in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt sein. Alternativ oder zusätzlich kann der vordefinierte Wert für einen Mindestladezustand auch durch einen Benutzer des Fortbewegungsmittels mittels einer Benutzereingabe festgelegt werden. Dies kann beispielsweise mittels eines Bedienelementes des Fortbewegungsmittels und/oder mittels einer an das Fortbewegungsmittel und/oder an die Auswerteeinheit gekoppelten (drahtlos und/oder drahtgebunden) mobilen Endgerätes erfolgen, mittels dessen sich beispielsweise eine voraussichtliche Stillstandzeit des Fortbewegungsmittels eingeben lässt. Ein Ladestrom bzw. ein C-Faktor (Quotient aus Ladestrom bzw. Entladestrom und der Kapazität) kann entsprechend in Abhängigkeit einer voraussichtlichen zur Verfügung stehenden Zeit für den gesamten Lade- und Cell-Balancing-Vorgang gewählt werden. Ein bevorzugter C-Faktor kann unterhalb eines C-Faktors für einen Schnelladevorgang einer Batterie liegen, um eine Lebensdauer der Batterie durch ein wiederholtes Ausführen der ersten Ladephase nicht oder zumindest nicht maßgeblich zu verkürzen. Dies schließt nicht aus, dass aufgrund bestimmter Randbedingungen (z.B. wenn ein sehr geringer Ladezustand von z.B. 20% bei einer voraussichtlich kurzen Stillstandzeit von z.B. nur 20 min vorliegt) in Einzelfällen ein C-Faktor zum Laden der Batterie in der ersten Ladephase eingesetzt werden kann, der sich im Bereich eines C-Faktors für einen Schnelladevorgang bewegt. Bei einer voraussichtlichen langen Stillstandzeit von z.B. 8-9 h, welche einen vollständigen Ablauf des erfindungsgemäßen Lade- und Cell-Balancing-Vorgangs ermöglicht, kann hingegen bevorzugt mit einem geringeren C-Faktor geladen werden, um eine starke Erwärmung und ggf. eine Verkürzung der Lebensdauer der Batterie zu vermeiden.
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Alternativ kann auch ein vordefinierter Wert für die Länge eines Ladezeitraums (z.B. 30 min) für die Dauer der ersten Ladephase verwendet werden. Der Ladevorgang kann bevorzugt ein AC-Ladevorgang sein, also ein Wechselstromladevorgang, welcher bevorzugt in einer Stillstandzeit des Fortbewegungsmittels durchgeführt wird und einen vollständigen Ablauf des Lade- und Cell-Balancing-Vorgangs erlaubt. Dieser Vorgang kann beispielsweise über Nacht stattfinden, wenn das Fortbewegungsmittel beispielsweise auf einem Stellplatz geparkt ist.
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In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Relaxationsphase zur Relaxation von Zellen der Batterie ausgeführt. Die Relaxationsphase ist erforderlich, um ein Abfallen von Spannungen der Zellen nach dem ersten Ladevorgang im Wesentlichen abklingen zu lassen, um in einer nachfolgenden Spannungsmessung verlässliche Werte ermitteln zu können. Eine Dauer der Relaxationsphase kann durch einen vordefinierten Wert (z.B. 20-30 min) festgelegt werden, welcher wiederum in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt sein kann. Während der Relaxationsphase wird der Batterie keine Energie zugeführt, d.h. ein in der ersten Ladephase in die Batterie eingeprägter Ladestrom wird mittels der Auswerteeinheit zu Beginn dieser Phase abgeschaltet. Da die Relaxation der Batterie ein autarker Vorgang innerhalb der Zellen der Batterie ist, besteht eine Aktivität der Auswerteeinheit in dieser Phase im Wesentlichen in der Durchführung einer Zeitmessung und/oder einer Überwachung von Zustandsinformationen der Batterie, um die Relaxationsphase zu einem geeigneten Zeitpunkt beenden zu können. Darüber hinaus kann die Auswerteeinheit auch eine evtl. Unterbrechung des kombinierten Lade- und Cell-Balancing-Vorgangs aufgrund eines Nutzungsbedarfs des Fortbewegungsmittels in den jeweiligen Phasen überwachen und ggf. geeignete Zustandsinformationen der Batterie und/oder des Lade- und Cell-Balancing-Vorgangs in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit ablegen.
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In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Cell-Balancing-Phase zur Herstellung eines im Wesentlichen einheitlichen Spannungszustandes der Zellen der Batterie ausgeführt. Das Ausführen dieser Phase ist insbesondere dann notwendig, wenn die Spannungsniveaus der einzelnen Zellen der Batterie im Laufe der Zeit zu stark voneinander abweichen, wodurch die Menge einer entnehmbaren oder hinzufügbaren elektrischen Energie der Batterie und somit eine Reichweite eines durch diese Batterie angetriebenen Fortbewegungsmittels eingeschränkt werden kann. Um diesem Problem zu begegnen, können die Spannungsniveaus der einzelnen Zellen im Verlauf eines sogenannten passiven Cell-Balancing-Vorgangs auf das Spannungsniveau der Zelle mit der niedrigsten Zellspannung angeglichen werden. Mittels des passiven Cell-Balancings sind Spannungsreduktionen in einem Bereich von etwa 50 - 150 mV möglich. Das bedeutet, dass durch die Relaxationsphase und die Cell-Balancing-Phase eine Spannung der Zellen der Batterie insgesamt um einige 100 mV reduziert werden kann. Eine Dauer der Cell-Balancing-Phase kann beispielsweise durch einen in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegten vordefinierten Wert realisiert werden, welcher in Verbindung mit einem Zeitzähler der Auswerteinheit eine geeignete Zeitdauer für diese Phase festlegt. Alternativ oder zusätzlich kann der Cell-Balancing-Vorgang auch basierend auf einer wiederkehrenden Spannungsmessung der einzelnen Zellen beendet werden, sobald alle gemessenen Spannungswerte der Zellen einer maximalen vordefinierten Abweichung der einzelnen Spannungswerte zueinander entsprechen. Eine Steuerung und/oder Regelung des Cell-Balancing-Vorgangs kann wiederum mittels des auf der Auswerteeinheit ausgeführten Computerprogramms erfolgen. Auch wenn ein Fokus des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einer Anwendung eines passiven Cell-Balancing-Verfahrens liegt, soll dieses nicht darauf eingeschränkt werden. Stattdessen kann auch ein aktives Cell-Balancing-Verfahren eingesetzt werden, sofern die Batterie über eine entsprechende technische Ausstattung verfügt. Die Cell-Balancing-Phase ermöglicht somit bei einem vorzeitigen Einsatz des Fortbewegungsmittels, vor einem Durchlaufen von nachfolgenden erfindungsgemäßen Ladephasen, einen Zustand der Batterie zu erreichen, in dem die Zellen der Batterie sowohl über einen Mindestladezustand für einen folgenden Einsatz, als auch über einen ausbalancierten Zustand verfügen.
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In einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Batterie in einer zweiten Ladephase und/oder einer dritten Ladephase vollständig geladen. Um die oben beschriebene Reduktion der Spannungen der einzelnen Zellen aufgrund der Relaxationsphase und der Cell-Balancing-Phase und eine ggf. vorzeitig beendete erste Ladephase (CC-Ladephase) auszugleichen, kann innerhalb der zweiten Ladephase ein weiterer Ladevorgang mit einem konstanten Ladestrom durchgeführt werden, wobei eine Höhe des Ladestroms für diese Ladephase insbesondere einer Höhe des Ladestroms der ersten Ladephase entsprechen kann. Ein Ziel der zweiten Ladephase ist es, einen Ladezustand der Batterie so schnell wie möglich auf einen Wert im Bereich von 70% - 80% zu erhöhen, um die Batterie ausgehend von diesem Ladezustand in der dritten Ladephase mit einer konstanten Spannung (CV-Ladephase) zu laden. Je nach Höhe des Ladezustandes der Batterie nach der ersten Ladephase, der Relaxationsphase und der Cell-Balancing-Phase kann die zweite Ladephase ggf. stark verkürzt oder auch ausgelassen werden. Eine Steuerung und/oder Regelung der zweiten Ladephase kann wiederum mittels der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit erfolgen. Die dritte Ladephase kann in Abhängigkeit einer zur Verfügung stehenden Stillstandzeit anschließend zu einem vollständigen Laden der Batterie bis zur Ladeschlussspannung, welche in etwa einem Ladezustand von 100% entspricht, genutzt werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden mittels einer Sensorik Zustandsinformationen der Batterie ermittelt und die erste Ladephase und/oder die Relaxationsphase und/oder die Cell-Balancing-Phase und/oder die zweite Ladephase und/oder die dritte Ladephase in Abhängigkeit der Zustandsinformationen beendet. Die Sensorik umfasst bevorzugt eine Mehrzahl von Sensoren zur Erfassung einer Spannung, eines Ladezustandes, eines Ladestroms und einer Temperatur der Batterie bzw. der Zellen der Batterie, welche an geeigneten Positionen in und/oder an der Batterie angeordnet sind. Durch eine informationstechnische Anbindung der Mehrzahl von Sensoren an einen Dateneingang der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit, bzw. ein mit der Auswerteeinheit verbundenes, separates Batteriemanagement-System, wird die Auswerteeinheit in die Lage versetzt, die einzelnen Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand aktueller Zustandsinformationen der Batterie exakt zu steuern und/oder zu regeln. Auf diese Weise kann durch die Auswerteeinheit beispielsweise ein Ladestrom für die erste Ladephase in Abhängigkeit einer aktuellen Temperatur der Batterie vor dem Starten des gesamten Lade- und Cell-Balancing-Vorgangs ermittelt werden. Für den Fall, dass sich die Temperatur der Batterie an einem oberen Ende eines zulässigen Betriebstemperaturbereichs der Batterie befindet, kann bevorzugt ein entsprechend geringerer Ladestrom für die erste Ladephase (CC-Ladephase) gewählt werden. Nach einer Abkühlung der Batterie im Zuge des Ladens mit einem geringen Ladestrom kann die Auswerteeinheit den ersten Ladevorgang beispielsweise nach Unterschreiten einer vordefinierten Temperatur mit einem höheren konstanten Ladestrom fortführen, so dass eine Dauer für die erste Ladephase so gering wie möglich gehalten werden kann. Auf diese Weise können zahlreiche vordefinierte Abhängigkeiten der einzelnen Ladephasen bzgl. der ermittelten Zustandsinformationen festgelegt und mittels der Auswerteeinheit berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann der vollständige kombinierte Lade- und Cell-Balancing-Vorgang so schnell wie möglich und unter Gewährleistung einer möglichst hohen Verfügbarkeit des Fortbewegungsmittels durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang ist es ferner denkbar, dass die in der dritten Ladephase angewendete konstante Ladespannung ebenfalls in Abhängigkeit der ermittelten Zustandsinformationen gewählt und/oder im Verlauf der Ausführung der dritten Ladephase an ggf. veränderte Zustände der Batterie angepasst wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die erste Ladephase und/oder die Relaxationsphase und/oder die Cell-Balancing-Phase und/oder die zweite Ladephase und/oder die dritte Ladephase in Abhängigkeit einer Nutzungshistorie des Fortbewegungsmittels und/oder einer Benutzereingabe beendet. D.h., dass beispielsweise ein durch die Auswerteeinheit ausgeführter Algorithmus eine Nutzung des Fortbewegungsmittels in Form die Nutzung repräsentierender Daten protokollieren und diese Daten in der an die Auswerteeinheit angebunden Speichereinheit ablegen kann. Diese Daten können beispielsweise wochentags- oder tageszeitabhängige Stillstandzeiten des Fortbewegungsmittels, vom Fortbewegungsmittel angefahrene Zielorte, benutzerspezifische Energieverbräuche und weitere Informationen über eine Nutzung umfassen. Durch eine geeignete Auswertung der auf diese Weise gesammelten Informationen über eine Nutzung des Fortbewegungsmittels können beispielsweise zu festen Zeitpunkten wiederkehrende Stillstandzeiten ermittelt und in eine Berechnung von Ladeströmen und/oder Ladespannungen und/oder einer jeweiligen Dauer der einzelnen Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens einfließen. Darüber hinaus können auch durch einen Benutzer des Fortbewegungsmittels veranlasste vorzeitige Abbrüche des kombinierten Lade- und Cell-Balancing-Vorgangs in der Nutzungshistorie erfasst und ausgewertet werden. Der Algorithmus zur Ermittlung der Nutzungshistorie kann beispielsweise in Form eines Deep-Learning-Algorithmus' eines künstlichen neuronalen Netzes realisiert werden, welches mittels des auf der Auswerteeinheit ausgeführten Computerprogramms implementiert wird. Der Vorteil eines solchen selbstlernenden Systems kann unter anderem darin bestehen, dass evtl. zunächst nicht offensichtliche Zusammenhänge in der Nutzungshistorie durch ein solches selbstlernendes System vorteilhaft erkannt und berücksichtigt werden können und somit ggf. verbesserte Vorhersagen von Stillstandzeiten des Fortbewegungsmittels zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt werden können. Es sei darauf hingewiesen, dass in diesem Zusammenhang auch andere Algorithmen zur vorteilhaften Berücksichtigung einer Nutzungshistorie des Fortbewegungsmittels eingesetzt werden können, die kein neuronales Netz erfordern.
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Wie oben bereits beschrieben, ist das erfindungsgemäße Verfahren überwiegend an einem AC-Ladevorgang ausgerichtet, d.h., dass sowohl die erste Ladephase, als auch die zweite Ladephase und die dritte Ladephase bevorzugt mittels eines AC-Ladevorgangs durchgeführt werden. Dies schließt nicht aus, dass in einzelnen Ladephasen ein Schnellladevorgang in Form eines DC-Ladevorgangs in das erfindungsgemäße Verfahren integriert werden kann.
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Wie ebenfalls oben beschrieben kann der kombinierte Lade- und Cell-Balancing-Vorgang erfindungsgemäß zu einem beliebigen Zeitpunkt unterbrochen und fortgesetzt oder erneut gestartet werden. Um dies zu realisieren, kann die Auswerteeinheit beispielsweise in regelmäßigen Abständen (z.B. in einem 1- oder 30-Sekundentakt) sämtliche für eine Unterbrechung und/oder Fortsetzung des kombinierten Lade- und Cell-Balancing-Vorgangs relevanten Informationen, wie beispielsweise ein aktueller Ladezustand, ein Cell-Balancing-Zustand, eine aktive Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Unterbrechungszeitpunkt usw. in der an die Auswerteeinheit informationstechnisch angebundenen Speichereinheit für eine spätere Fortführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ablegen. Auf diese Weise kann z.B. eine bereits begonnene Cell-Balancing-Phase unterbrochen und bei nächster Gelegenheit unter Berücksichtigung eines zuvor bereits erfolgten Cell-Balancings zu Ende geführt werden, sofern ein zeitlicher Abstand zwischen der Unterbrechung und der Wiederaufnahme des Cell-Balancing-Vorgangs kein erneutes vollständiges Cell-Balancing erfordert.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße kombinierte Lade- und Cell-Balancing-Vorgang bevorzugt vollständig durchgeführt wird. In Abhängigkeit bestimmter Randbedingungen können einzelne Phasen situationsbedingt aber auch stark verkürzt oder auch ausgelassen werden. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn ein zuletzt durchgeführter Cell-Balancing-Vorgang erst wenige Stunden zurückliegt und das Fortbewegungsmittel erneut an eine das erfindungsgemäße Verfahren umsetzende Ladestation angeschlossen wird. In diesem Fall kann die Auswerteeinheit im Verlauf der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen erneuten Cell-Balancing-Vorgang überspringen oder entsprechend stark verkürzen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Durchführung eines kombinierten Lade- und Cell-Balancing-Vorgangs für ein elektrisch angetriebenes Fortbewegungsmittel vorgeschlagen. Die Vorrichtung kann eine Auswerteeinheit umfassen, welche beispielsweise als Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o.ä., ausgestaltet sein kann. Eine Logik zur Steuerung und/oder Regelung bzw. zur Ausführung jeweiliger erfindungsgemäßer Verfahrensschritte kann beispielsweise in Form eines Computerprogramms implementiert sein, welches durch die Auswerteeinheit ausgeführt werden kann. Die Auswerteinheit kann bevorzugt informationstechnisch an eine interne und/oder externe Speichereinheit angebunden sein, um beispielsweise Berechnungsergebnisse und weitere durch die Auswerteeinheit erzeugte und/oder empfangene Daten zu speichern. Die Auswerteinheit kann des Weiteren über einen Datenausgang verfügen, welcher als eine Schnittstelle zu Komponenten einer Batterie und/oder zu einem Batteriemanagement-System des Fortbewegungsmittels fungiert. In Verbindung mit dem Datenausgang ist die Auswerteinheit eingerichtet, die Batterie des Fortbewegungsmittels in einer ersten Ladephase teilzuladen, eine Relaxationsphase zur Relaxation von Zellen der Batterie auszuführen, eine Cell-Balancing-Phase zur Herstellung eines im Wesentlichen einheitlichen Spannungszustandes der Zellen der Batterie auszuführen, und die Batterie in einer zweiten Ladephase und/oder einer dritten Ladephase vollständig zu laden. Eine Steuerung der einzelnen Phasen durch die Auswerteeinheit kann unter Anbindung einer Sensorik der Batterie an einen optionalen Dateneingang der Auswerteeinheit weiter verbessert werden, indem über die Sensorik bereitgestellte Zustandsinformationen der Batterie in die Steuerung und/oder in eine Regelung der Auswerteeinheit einfließen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 ein Diagramm veranschaulichend Strom- Spannungs- und Ladezustandsverläufe einzelner erfindungsgemäßer Phasen eines kombinierten Lade- und Cell-Balancing-Vorgangs; und
- 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit einer Batterie.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Im ersten Schritt 100 wird eine Batterie 50 eines sich im Stillstand befindenden und mit einer Ladevorrichtung 70 elektrisch verbundenen Fortbewegungsmittels in einer ersten Ladephase P1 zunächst mittels eines AC-Ladevorgangs mit einem konstanten Ladestrom I teilgeladen, um eine hohe Verfügbarkeit des Fortbewegungsmittels zu gewährleisten. Im Schritt 200 wird eine Relaxationsphase P2 zur Relaxation von Zellen der Batterie 50 ausgeführt. Im Schritt 300 wird eine Cell-Balancing-Phase P3 zur Herstellung eines im Wesentlichen einheitlichen Spannungszustandes der Zellen der Batterie 50 ausgeführt. Im Schritt 400 wird die Batterie 50 in einer zweiten Ladephase P4 wiederum mittels eines AC-Ladevorgangs mit einem konstanten Ladestrom I geladen, um einen zuvor erfolgten Spannungseinbruch der Zellen der Batterie 50, bedingt durch die Relaxationsphase P2 und die Cell-Balancing-Phase P3, im Wesentlichen auszugleichen. Mittels einer der zweiten Ladephase P4 nachfolgenden dritten Ladephase P5 wird die Batterie anschließend vollständig geladen. Die dritte Ladephase P5 umfasst einen AC-Ladevorgang mit einer konstanten Ladespannung U. Im Schritt 500 werden Zustandsinformationen der Batterie 50 mittels einer Sensorik 40 der Batterie 50 in einer an die Ladevorrichtung 70 informationstechnisch angebundenen Auswerteeinheit 10 ermittelt. Im Schritt 600 wird in Abhängigkeit der ermittelten Zustandsinformationen die erste Ladephase P1 und/oder die Relaxationsphase P2 und/oder die Cell-Balancing-Phase P3 und/oder die zweite Ladephase P4 und/oder die dritte Ladephase P5 mittels der Auswerteeinheit 10 beendet. Die Schritte 500 und 600 werden bevorzugt vor und/oder während des Ablaufs jeder der Phasen P1, P2, P3, P4, P5 des erfindungsgemäßen ausgeführt, um die Auswerteinheit 10 in die Lage zu versetzen, die jeweiligen Phasen P1, P2, P3, P4, P5 zu geeigneten Zeitpunkten zu beenden, um anschließend eine jeweilige Folgephase zu beginnen.
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2 zeigt ein Diagramm veranschaulichend Strom- Spannungs- und Ladezustandsverläufe einzelner Phasen P1, P2, P3, P4, P5 eines kombinierten Lade- und Cell-Balancing-Vorgangs für ein elektrisch angetriebenes Fortbewegungsmittel. In einer ersten Ladephase P1 werden Zellen einer Batterie 50 des Fortbewegungsmittels mittels eines AC-Ladevorgangs mit einem konstanten Ladestrom I teilgeladen, um das Fortbewegungsmittel durch Einbringen einer Mindestmenge an elektrischer Energie unter Berücksichtigung relevanter Randbedingen (z.B. eine aktuelle Temperatur der Batterie 50 oder ein maximaler zur Verfügung stehender Ladestrom, usw.) so schnell wie möglich wieder in einen einsatzfähigen Zustand zu versetzen. Eine Steuerung und/oder Regelung der ersten Ladephase P1 erfolgt mittels einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit 10, welche über einen Datenausgang 14 verfügt, der mit einer mit der Batterie 50 elektrisch verbundenen Ladevorrichtung 70 gekoppelt ist. Der konstante Ladestrom I entspricht in diesem Ausführungsbeispiel einer C-Rate von etwa 1,5 h-1. Zu Beginn der ersten Ladephase P1 verfügt die Batterie 50 über einen minimalen Ladezustand SoC. Die Spannungsverläufe U1 und U2 repräsentieren einen Spannungsverlauf U1 einer Zelle mit höchster Spannung und einen Spannungsverlauf U2 einer Zelle mit niedrigster Spannung. In einer nachfolgenden Relaxationsphase P2 wird der AC-Ladevorgang mittels eines an die Ladevorrichtung 70 übertragenen Steuerbefehls der Auswerteinheit 10 für eine vordefinierte Zeit unterbrochen, so dass die Relaxation der Zellen der Batterie 50 ablaufen kann. In 2 ist ein durch die Relaxation bedingtes Absinken der Spannungen der Zellen der Batterie 50 und des Ladezustands SoC anhand der Kurven U1, U2 und SoC ersichtlich. In einer nachfolgenden Cell-Balancing-Phase P3 werden die Zellen der Batterie 50 auf Basis eines passiven Balancing-Verfahrens ausbalanciert. Mittels einer der Auswerteeinheit 10 zugeführten Information einer Spannungsmessung der einzelnen Zellen der Batterie 50 kann die Cell-Balancing-Phase P3 durch die Auswerteinheit 10 zu einem geeigneten Zeitpunkt beendet werden. Ein geeigneter Zeitpunkt ist beispielsweise dann erreicht, wenn eine vordefinierte maximale Abweichung zwischen einer Zelle mit niedrigster Spannung und einer Zelle mit höchster Spannung eingehalten wird. In einer nachfolgenden zweiten Ladephase P4 wird die Batterie 50 erneut mittels eines AC-Ladevorgangs mit einem konstanten Ladestrom geladen, um den durch die Relaxationsphase P2 und die Cell-Balancing-Phase P3 verursachten Spannungseinbruch der Zellen der Batterie 50 im Wesentlichen zu kompensieren. Ein Ladestrom I entspricht hier wiederum einer C-Rate von etwa 1,5 h-1, so wie er auch in der ersten Ladephase P1 verwendet wurde. Ein nachfolgendes vollständiges Laden der Batterie 50 erfolgt in einer dritten Ladephase P5, die einen AC-Ladevorgang mit einer konstanten Ladespannung U anwendet. Die dritte Ladephase P5 wird durch die Auswerteeinheit 10 zu einem Zeitpunkt beendet, an dem ein maximaler Ladezustand SoC (zumindest annähernd 100%) der Batterie 50 erreicht ist.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit einer Batterie 50. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit 10, welche einen Mikrocontroller umfasst, der eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere ein das erfindungsgemäße Verfahren realisierendes Computerprogramm, auszuführen. Die Auswerteeinheit 10 ist informationstechnisch mit einer externen Speichereinheit 20 verbunden, in welcher u.a. vordefinierte Werte und Berechnungsergebnisse der Auswerteeinheit 10 abgelegt werden. Die Auswerteinheit 10 verfügt des Weiteren über einen Dateneingang 12, über den eine Sensorik 40 der Batterie 50 informationstechnisch mit der Auswerteeinheit 10 verbunden ist. Die Auswerteeinheit 10 kann mit der externen Speichereinheit 20 in einem Batteriemanagement-System (BMS) zusammengeführt sein. Die Sensorik 40 umfasst eine Mehrzahl von Sensoren zum Ermitteln einer Spannung, eines Ladezustandes, einer Temperatur und eines Ladestroms der Batterie 50 bzw. der Zellen der Batterie 50. Mittels eines Datenausgangs 14 ist die Auswerteinheit informationstechnisch mit einer Ladevorrichtung 70 verbunden, welche eingerichtet ist, elektrische Energie einer elektrischen Energiequelle 60 in Übereinstimmung mit durch die Auswerteeinheit 10 an die Ladevorrichtung 70 übermittelten Steuerbefehle an die Batterie 50 zur Durchführung eines Ladevorgangs der Batterie 50 weiterzuleiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 201788633 A1 [0003]
- JP 2017011978 A [0004]
