-
Gebiet der Erfindung
-
Diese Erfindung betrifft Batterien und genauer Batterien, welche eine hohe Impedanz aufweisen.
-
Hintergrund
-
Batterien sind eine zweckmäßige Quelle für gespeicherte Energie, welche in eine Anzahl von Systemen eingebaut werden können. Da Batterien jedoch altern, tendieren sie dazu, einen hohen Innenwiderstand zu entwickeln, welcher mit der Zeit zunimmt. In manchen Fällen kann der Innenwiderstand in einer bestimmten Zelle groß genug werden, so dass ein hoher konstanter Strom zu oder von der Zelle zu einer ungleichmäßigen Aufladung oder Entwicklung der Entladespannung führt.
-
Beispielsweise stellt 1 die simulierten Verläufe der Entladespannung für eine elektrochemische Zelle für Entladungszyklen in unterschiedlichen Stadien der Lebensdauer der elektrochemischen Zelle dar. Der Spannungsverlauf 10 stellt die Spannung einer elektrochemischen Zelle dar, indem die Zelle zu einem frühen Zeitpunkt der Lebensdauer der Zelle entladen wird. Der Spannungsverlauf 10 weist eine anfangs rasche Abnahme der Spannung bis zu ungefähr dem Referenzpunkt A auf, gefolgt von einer im Wesentlichen konstanten Spannung bis ungefähr dem Referenzpunkt B. Nach dem Referenzpunkt B weist der Spannungsverlauf 10 einen relativ stetigen Rückgang der Spannung durchgehend bis zum Ende des Entladungszyklus auf.
-
Der Spannungsverlauf 12 stellt die Spannung einer elektrochemischen Zelle dar, indem die Zelle zu einem späteren Zeitpunkt während der Lebensdauer der Zelle als diejenige Lebensdauer der Zelle entladen wird, welche mit dem Spannungsverlauf 10 verbunden ist. Der durch den Spannungsverlauf 12 dargestellte Entladungszyklus fängt bei einer geringfügig niedrigeren Spannung im Vergleich zu der Ausgangsspannung des Spannungsverlaufs 10 an, weist aber ebenfalls eine anfangs rasche Abnahme der Spannung bis zu ungefähr dem Referenzpunkt C auf, gefolgt von einer leichten Zunahme der Spannung bis zu ungefähr dem Referenzpunkt D. Die anfängliche Abnahme der Spannung, welche durch den Spannungsverlauf 12 dargestellt ist, ist ausgeprägter als die anfängliche Abnahme der Spannung, welche durch den Spannungsverlauf 10 dargestellt ist. Die Zunahme der Spannung zwischen dem Referenzpunkt C und D ist ebenfalls von der im Wesentlichen konstanten Spannung zwischen den Referenzpunkten A und B verschieden. Der Spannungsverlauf 12 ist jedoch zu allen Zeitpunkten unterhalb des Spannungsverlaufs 10.
-
Indem das Alter der elektrochemischen Zelle fortlaufend zunimmt, wie durch die Spannungsverläufe 14 und 16 dargestellt, setzt sich das Schema fort, welches durch die Spannungsverläufe 10 und 12 gebildet wird, wobei jeder nachfolgende Spannungsverlauf (i) mit einer niedrigeren Spannung als der frühere Spannungsverlauf anfängt, (ii) einen tiefer gehenden anfänglichen Abfall der Spannung aufweist, (iii) eine deutlichere Zunahme der Spannung nach dem Abfall der Ausgangsspannung aufweist, und (iv) unterhalb der früheren Spannungsverläufe verbleibt.
-
Das vorangehende Schema setzt sich bis zu dem Alter der durch den Spannungsverlauf 18 dargestellten elektrochemischen Zelle fort. Die ursprüngliche Spannung des Spannungsverlaufs 18 entlang des anfänglichen Abfalls der Spannung verläuft derart, dass die elektrochemische Zelle eine minimale Spannung erreicht, wobei an dem Punkt der Entladungszyklus der elektrochemischen Zelle beendet wird. In manchen Ausführungsformen wird diese minimale Spannung durch ein Batteriesystem erfasst und die elektrochemische Zelle wird in den Leerlauf gebracht, um eine Umpolung der Zelle zu verhindern.
-
Die nacheinander folgende abnehmende ursprüngliche Spannung der Spannungsverläufe 10–18 ist eine Funktion des Kapazitätsverlusts der elektrochemischen Zelle. Der anfängliche Abfall der Spannung, gemeinsam mit der anschließenden Wende, ist eine Funktion des Innenwiderstands (insbesondere der Impedanz des Elektrolyten) der elektrochemischen Zelle und wird mit Bezugnahme auf die 2–4 erläutert.
-
2–4 stellen jeweils einen Spannungsverlauf 30, einen Verlauf des Innenwiderstands 32 und einen Temperaturverlauf 34 einer Zelle während eines Entladungszyklus mit einer konstanten Entladespannung dar. Die Leerspannung 36 der Zelle (open cell voltage) der elektrochemischen Zelle ist ebenfalls in 2 dargestellt. Der Unterschied der Spannung zwischen der Leerspannung 36 der Zelle und dem Spannungsverlauf 30 entspricht dem Spannungsabfall, welcher aus dem Innenwiderstand der Zelle folgt.
-
Die Energie, welche durch die elektrochemische Zelle aufgrund des Innenwiderstands verbraucht wird, trägt wesentlich zu der Temperatur der Zelle bei. Die Rate des Temperaturanstiegs der Zelle ist somit eine Funktion der Energie, welche von der elektrochemischen Zelle verbraucht wird, und die Verlustleistung ist ein Produkt des elektrischen Stroms und desjenigen Spannungsabfalls, welcher aus dem Innenwiderstand der Zelle resultiert. Da der elektrische Strom in dem Entladungszyklus von 2–4 konstant gehalten wird, ist der Spannungsunterschied zwischen der Leerspannung 36 der Zelle und dem Spannungsverlauf 30 der hauptsächliche Grund für die Änderungen der Rate des Temperaturanstiegs. Somit folgt die Neigung des Temperaturverlaufs 34, welche in 2 durch ein Neigungsprofil 42 dargestellt ist, dem Unterschied zwischen der Leerspannung der Zelle 36 und dem Spannungsverlauf 30.
-
2–4 zeigen auf diese Weise, dass sobald der Betrieb einer elektrochemischen Zelle gestartet wird, die Entladespannung der elektrochemischen Zelle sofort von dem Leerlauf-Potential der Zelle (open cell potential) 36 auf den Verlauf der Entladespannung 30 fällt, wobei die Höhe des Spannungsabfalls eine Funktion des Innenwiderstands der Zelle ist. Während die elektrochemische Zelle entladen wird, zeigt 4, dass die Temperatur der Zelle zunimmt, wie durch den Temperaturverlauf 34 gekennzeichnet. Zusätzlich dazu nimmt der Innenwiderstand der elektrochemischen Zelle rasch zu, wie durch der Verlauf des Innenwiderstands 32 von 3 angezeigt.
-
Der zunehmende Innenwiderstand lenkt die Entladespannung nach unten in Richtung zu einer minimalen Entladespannung 38. Die minimale Entladespannung 38 des Spannungsverlaufs 30 entspricht dem maximalen Innenwiderstand 40 des Verlaufs des Innenwiderstands 32.
-
Sobald die Temperatur der Zelle oberhalb einer Schwellentemperatur 44 des Temperaturverlaufs 34 zunimmt, fängt der Innenwiderstand der elektrochemischen Zelle an abzunehmen (siehe hierzu den Verlauf des Innenwiderstands 32 rechts von dem Punkt 40 in 3). Der verringerte Innenwiderstand tritt als eine erhöhte Spannung zu Tage, wie durch den Spannungsverlauf 30 gezeigt. Der erhöhte Spannungsverlauf 30 setzt den Unterschied zwischen dem Spannungsverlauf 30 und der Leerspannung 36 der Zelle herab, was auf diese Weise die Rate verringert, mit welcher die Temperatur der Zelle zunimmt. Die erhöhte Spannung, welche durch den Verlauf der Entladespannung 30 angezeigt wird, zeigt an, dass die Zellspannung ungleichmäßig ist.
-
Solange wie die minimale Entladespannung 38 einer bestimmten Zelle ausreichend hoch ist, kann im Wesentlichen die gesamte Kapazität der elektrochemischen Zelle entladen werden, sogar bei einem ungleichmäßigen Entladungsprofil. Da die Zelle jedoch altert, wird die minimale Entladespannung 38 geringer (siehe hierzu zum Beispiel die Spannungsverläufe 12, 14, und 16 von 1). Falls die elektrochemische Zelle somit eine minimal zulässige Entladespannung 46 besitzt (siehe 2), wenn die Entladespannung die minimal zulässige Entladespannung 46 an dem Punkt 48 erreicht, dann wird die Entladung der elektrochemischen Zelle beendet. Somit kann alles von der Kapazität rechts von dem Punkt 48 von 2 und unterhalb des Spannungsverlaufs 30 nicht verwendet werden, obgleich es im Inneren der Zelle gespeichert ist.
-
Was deshalb benötigt wird, ist ein Batteriesystem und Verfahren, welches einen verbesserten Zugriff auf die Kapazität der elektrochemischen Zelle zur Verfügung stellt.
-
Zusammenfassung
-
Ein elektrochemisches Batteriesystem in einer Ausführungsform weist eine erste elektrochemische Zelle, einen Speicher, in welchem Befehlsanweisungen gespeichert sind, und einen Prozessor auf, welcher dazu eingerichtet ist, die Befehlsanweisungen während eines Entladungszyklus der ersten elektrochemischen Zelle des (i) Herstellens einer ersten Entladespannung der ersten elektrochemischen Zelle, basierend auf einer ersten erfassten Entladespannung, und (ii) des Zulassens einer zweiten Entladespannung der ersten elektrochemischen Zelle nach dem Herstellen der ersten Entladespannung auszuführen, wobei die zweite Entladespannung größer als die erste Entladespannung ist.
-
In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform weist ein elektrochemisches Batteriesystem eine elektrochemische Zelle, und eine Schaltung zur Begrenzung der Spannung auf, wobei die Schaltung zur Begrenzung der Spannung eingerichtet ist, zum (i) Herstellen einer ersten beibehaltenen Entladespannung der elektrochemischen Zelle, basierend auf einer ersten uneingeschränkten Entladespannung der elektrochemischen Zelle, und (ii) Zulassen einer zweiten uneingeschränkten Entladespannung der elektrochemischen Zelle nach dem Herstellen der ersten beibehaltenen Entladespannung, wobei die zweite uneingeschränkte Entladespannung größer als die erste beibehaltene Entladespannung ist.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 stellt die Spannungsverläufe einer typischen elektrochemischen Zelle über die Lebensdauer der Zelle dar, und legt dabei eine verminderte Kapazität über die Lebensdauer der Zelle sowie ein ungleichmäßiges Entladungsprofil im späteren Leben der Zelle offen;
-
2 stellt den Verlauf der Leerspannung der Zelle und den Verlauf der Entladespannung einer typischen elektrochemische Zelle während eines Entladungszyklus dar, während eine konstante Entladerate beibehalten wird, und zeigt eine rasche Abnahme der Entladespannung, gefolgt von einer raschen Zunahme der Entladespannung und dann einen allmählichen Abbau der Entladespannung. Die Rate, bei welcher die elektrochemische Zelle mit der Temperatur während des Entladens zunimmt, ist ebenfalls dargestellt;
-
3 stellt einen Verlauf des Innenwiderstands der oberhalb erörterten elektrochemischen Zelle während des in 2 dargestellten Entladezyklus dar;
-
4 stellt ein Temperaturprofil der oberhalb erörterten elektrochemischen Zelle zusammen mit einer Schwellentemperatur dar, oberhalb welcher der Innenwiderstand, wie in 3 dargestellt, während des in 2 dargestellten Entladezyklus anfängt abzunehmen;
-
5 stellt ein vereinfachtes Schaltbild eines Batteriesystems einschließlich mehrerer elektrochemischer Zellmodule dar, welches für Auflade- oder Entladevorgänge unabhängig gesteuert werden kann;
-
6 stellt ein vereinfachtes Schaltbild der Zellmodule von 5 dar, welches die unabhängig gesteuerten Verbindungsschalter für jede der elektrochemischen Zellen innerhalb der elektrochemischen Zellmodule zeigt;
-
7 stellt eine schematische Darstellung von einer der elektrochemischen Zellen von 6 dar, welche einen Strommesser und ein Spannungsmessgerät zeigt, welche beim Ausführen einer Strategie für das Aufladen und Entladen zusammen mit einer Schaltung zur Begrenzung der Spannung verwendet werden können, welche in die Schaltung der elektrochemischen Zelle geschalten werden kann;
-
8 stellt ein Ablaufdiagramm von einer Vorgehensweise dar, welche von dem Batteriesystem von 1 durchgeführt werden kann, um eine ausgewählte elektrochemische Zelle noch vollständiger zu entladen, ohne es dabei der Entladespannung der elektrochemischen Zelle zu erlauben, unterhalb einer vorbestimmten Schwelle zu fallen;
-
9 stellt den Verlauf der Leerspannung der Zelle und den Verlauf der Entladespannung einer beispielhaften elektrochemischen Zelle während eines Entladungszyklus dar, während eine Entladespannung auf einer vorbestimmten Schwelle beibehalten wird, während es der Entladespannung erlaubt ist, oberhalb der vorbestimmten Schwelle zu floaten;
-
10 stellt einen Verlauf des Innenwiderstands der elektrochemischen Zelle von 9 während des Entladungszyklus dar; und 11 stellt einen Stromverlauf der elektrochemischen Zelle von 9 dar.
-
Beschreibung von Ausführungsformen
-
Zum Zwecke des Förderns eines Verstehens der Prinzipien der Erfindung wird nun auf die Ausführungsformen Bezug genommen, welche in den Zeichnungen veranschaulicht und in der folgenden schriftlichen Beschreibung erläutert sind. Es versteht sich, dass auf diese Weise keine Beschränkung des Schutzumfangs der Erfindung beabsichtigt ist. Es versteht sich zudem, dass die vorliegende Erfindung sämtliche Abänderungen und Modifikationen an den veranschaulichten Ausführungsformen umfasst, und umfasst weitere Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, so wie sie normalerweise für einen Fachmann auftreten, den diese Erfindung betrifft.
-
5 stellt ein Batteriesystem 100 einschließlich mehrerer Module einer Lithium-Ionen Batteriezelle 102 x dar. In der Ausführungsform von 5 sind fünf Module einer Batteriezelle 102 1-5 dargestellt. In alternativen Ausführungsformen können mehr oder weniger Module einer Batteriezelle mit einer verschiedenen oder derselben Chemie vorgesehen sein. Jedes der Module einer Lithium-Ionen Batteriezelle 102 x wird selektiv mit einem elektrischen Verbraucher oder Spannungsquelle 104 durch einen jeweiligen Schalter 106 x verbunden. Jeder von den Schaltern 106 x wird gesteuert durch einen Prozessor 110, welcher mit einem Speicher 112 betriebsbereit verbunden ist. Unterschiedliche Befehlsanweisungen, welche in allen Einzelheiten unterhalb erläutert werden, sind in den Speicher 112 programmiert. Der Prozessor 110 ist funktionsbereit, um die Befehlsanweisungen auszuführen, welche in dem Speicher 112 programmiert sind.
-
Die Module einer Lithium-Ionen Batteriezelle 102 x in dieser Ausführungsform sind identisch und werden in allen Einzelheiten mit Bezugnahme auf 6 und dem Modul einer Lithium-Ionen Batteriezelle 102 5 erörtert. Das Modul einer Lithium-Ionen Batteriezelle 102 5 weist fünf Lithium-Ionen Batteriezellen 114 1-5 auf. Ein Zwei-Wege Verbindungsschalter 116 1-5 hängt mit jeder von den Batteriezellen 114 1-5 zusammen. Die Verbindungsschalter 116 1-5, welche unabhängig durch den Prozessor 110 gesteuert werden (die Steuerungsleitungen werden aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit weggelassen), können abwechselnd die jeweiligen Batteriezellen 114 1-5 mit einem internen Schaltkreis 118 der Batteriezelle verbinden oder die jeweilige Batteriezelle 114 1-5 umgehen. In 6 sind die Verbindungsschalter 116 1, 2, 4, und 5 positioniert, um die jeweiligen Batteriezellen 114 1, 2, 4, und 5 mit dem Schaltkreis 118 der Batteriezelle zu verbinden, während der Verbindungsschalter 116 3 in einer Umgehungstellung positioniert ist, wodurch die jeweilige Batteriezelle 114 3 von dem Schaltkreis 118 der Batteriezelle effektiv elektrisch isoliert ist.
-
Die Lithium-Ionen Batteriezellen 114 1-5 in dieser Ausführungsform sind identisch mit und werden in allen Einzelheiten mit Bezugnahme auf diejenige Lithium-Ionen Batteriezelle 114 1 erörtert, welche in 7 dargestellt ist. Die Lithium-Ionen Zelle 114 1 weist eine negative Elektrode 120 und eine positive Elektrode 122 und einen Separatorbereich 124 zwischen der negativen Elektrode 120 und der positiven Elektrode 122 auf. Die negative Elektrode 120 weist Aktivmaterialien 126, in welche Lithium eingebracht werden kann, inerte Materialien 128, einen Elektrolyt 130 und einen Stromabnehmer 132 auf.
-
Die negative Elektrode 120 kann in unterschiedlichen alternativen Formen vorgesehen sein. Die negative Elektrode 120 kann ein dichtes Li Metall oder eine herkömmliche poröse Kompositelektrode (zum Beispiel Graphitpartikel mit einem Binder gemischt) umfassen. Der Einbau von Li Metall ist erwünscht, da das Li Metall eine höhere spezifische Energie als Graphit bietet.
-
Der Separatorbereich 124 weist einen Elektrolyt mit einem Lithium Kation auf und dient als eine physikalische und elektrische Barriere zwischen der negativen Elektrode 120 und der positiven Elektrode 122, so dass die Elektroden innerhalb der Batteriezelle 114 1 nicht elektronisch verbunden sind, während er die Übertragung von Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode 120 und der positiven Elektrode 122 zulässt.
-
Die positive Elektrode 122 weist ein Aktivmaterial 136, in welches Lithium eingebracht werden kann, ein inertes Material 138, den Elektrolyten 130 und einen Stromabnehmer 140 auf. Das Aktivmaterial 136 in einer Ausführungsform weist eine Form von Schwefel auf und kann vollständig aus Schwefel sein. Ein Spannungsmessgerät 142 ist dazu eingerichtet, die Spannung zwischen der Anode 120 und der Kathode 122 zu erhalten, und ein Ladungsmesser 144 ist vorgesehen, um den Stromfluss in die und aus der Batteriezelle 114 1 heraus zu erfassen. Der Ladungsmesser 144, welcher in verschiedenartigen Ausführungsformen an irgendeiner Stelle entlang des Schaltkreises 118 oder angrenzend an das Zellenmodul 102 1 angeordnet sein kann, kann dazu verwendet werden, um den Stromfluss in und aus allen der Batteriezellen 114 1-5 in dem Zellenmodul 102 1 zu erfassen, da derselbe elektrische Strom durch jede der Batteriezellen 114 1-5 fließen wird, welche mit dem Schaltkreis 118 verbunden sind.
-
Die Lithium-Ionen Batteriezellen 114 x arbeiten auf eine ähnliche Weise wie die Lithium-Ionen Batteriezelle, welche in der US Patentanmeldung Nr. 11/477,404 offenbart ist, eingereicht am 28. Juni 2006, wobei deren Inhalt in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen wird. Mit Bezugnahme auf die Batteriezelle 114 1, werden im Allgemeinen während dem Entladen Elektronen an der negativen Elektrode 120 erzeugt und eine gleiche Menge an Elektronen wird an der positiven Elektrode 122 verbraucht, während das Lithium und die Elektronen sich in die Richtung des Pfeils 146 von 7 bewegen.
-
Bei dem idealen Entladen der Zelle 114 1 werden die Elektronen an der negativen Elektrode 120 erzeugt, weil es eine Extraktion mittels Oxidation von Lithium-Ionen aus dem Aktivmaterial 126 der negativen Elektrode 120 gibt, und die Elektronen werden an der positiven Elektrode 122 verbraucht, weil es eine Reduktion von Lithium-Ionen in das Aktivmaterial 136 der positiven Elektrode 122 gibt. Während des Entladens werden die Reaktionen umgekehrt, wobei sich das Lithium und die Elektronen in der Richtung des Pfeils 148 bewegen.
-
Die Zelle 114 1 unterscheidet sich von den Zellen, welche in der US Patentanmeldung Nr. 11/477,404 offenbart sind, darin, dass die Zelle 114 1 mit einem Zener Schaltkreis 150 umschaltbar verbunden ist. Der Zener Schaltkreis 150 weist einen Widerstand 152 auf, wobei ein erstes Ende elektrisch umschaltbar mit dem Stromabnehmer 140 mit Hilfe eines Schalters 154 verbunden ist. Das zweite Ende des Widerstands 152 ist elektrisch mit einem Widerstand 156 verbunden, welcher im Gegenzug elektrisch mit dem Stromabnehmer 132 verbunden ist.
-
Das zweite Ende des Widerstands 152 ist ebenfalls elektrisch mit einer Basis 158 eines Transistors 160 verbunden. Ein Kollektor 162 des Transistors 160 ist elektrisch mit einem ersten Ende einer Zener-Diode 164 verbunden. Ein zweites Ende der Zener-Diode 164 ist elektrisch mit dem ersten Ende des Widerstands 152 verbunden und ist auf diese Weise elektrisch umschaltbar mit dem Stromabnehmer 140 mit Hilfe des Schalters 154 verbunden. Ein Emitter 166 des Transistors 160 ist elektrisch mit einem Widerstand 168 verbunden, welcher im Gegenzug mit dem Stromabnehmer 132 verbunden ist. Ein Pol (terminal) 170 ist mit dem Zener Schaltkreis 150 zwischen dem Emitter 166 und dem Widerstand 168 verbunden, während ein zweiter Pol 172 mit dem Zener Schaltkreis 150 zwischen den Widerständen 168/156 und dem Stromabnehmer 132 verbunden ist.
-
Der Schalter 154, welcher in dieser Ausführungsform durch den Prozessor 110 gesteuert wird, ist zwischen einer ersten Position (dargestellt in 7), wobei der Schalter 116 1 elektrisch mit dem Kollektor 140 verbunden ist, während der Zener Schaltkreis 150 von dem Kollektor 140 und dem Schalter 116 1 elektrisch isoliert ist, und einer zweiten Position umschaltbar, wobei der Schalter 116 1 nicht direkt elektrisch mit dem Kollektor 140 verbunden ist, während der Zener Schaltkreis 150 elektrisch mit dem Kollektor 140 und dem Schalter 116 1 verbunden ist. Genauer ist in der in 7 dargestellten Position der Pol 170 nicht elektrisch mit dem Schalter 116 1 verbunden und das erste Ende des Widerstands 152 und das zweite Ende der Zener-Diode 164 sind nicht elektrisch mit dem Kollektor 140 verbunden. Wenn die Position des Schalters 154 in eine zweiten Position gesetzt ist, dann ist der Zener Schaltkreis 150 zugeschaltet mit dem Pol 170, welcher elektrisch mit dem Schalter 116 1 und dem ersten Ende des Widerstands 152 verbunden ist und das zweite Ende der Zener-Diode 164 ist elektrisch mit dem Kollektor 140 verbunden.
-
Nun wieder zurück zu 5, die elektrochemischen Module einer Batteriezelle 102 1-5 können dazu verwendet werden, dem Verbraucher/der Spannungsquelle 104 während normalen Entladevorgängen durch das selektive Steuern der Schalter 106 1-5 als geschlossen elektrische Energie bereitzustellen. In ähnlicher Weise können die elektrochemischen Module einer Batteriezelle 102 1-5 durch den Verbraucher/die Spannungsquelle 104 während normaler Aufladevorgänge durch das selektive Steuern der Schalter 106 1-5 als geschlossen erneut aufgeladen werden. Das Aufladen und Entladen der Lithium-Ionen Batteriezellen 114 x innerhalb der Zellmodule 102 x, welche mit dem Verbraucher 104 verbunden sind, kann des Weiteren durch das selektive Steuern der dazugehörigen Verbindungsschalter 116 x selektiv gesteuert werden.
-
In einer Ausführungsform führt der Prozessor 110 diejenigen Befehlsanweisungen, welche in dem Speicher 112 gespeichert sind, in Übereinstimmung mit einer Prozedur 180 von 8 aus, um die elektrochemischen Zellen 114 x selektiv zu entladen. Zuerst werden an dem Block 182 die Kriterien für das Betreiben des Systems 100 in dem Speicher 112 gespeichert. Die Kriterien können in der Form eines Algorithmus mit unterschiedlichen Gewichtungen sein, welche für unterschiedliche Gesichtspunkte vorgesehen sind. So kann beispielsweise die Zeit, seit dem eine Zelle zuletzt vollständig entladen wurde, als eine erste Gewichtung gegeben sein und die letzte bekannte Kapazität der Zelle kann als eine andere Gewichtung gegeben sein. Während zwei Zellen als letztes zum selben Zeitpunkt vollständig entladen worden sein können, kann somit die Zelle mit einer niedrigeren Kapazität eine höhere Punktzahl bei der Verwendung des gespeicherten Algorithmus bekommen. Da eine ”vollständig entladene” Zelle für gewöhnlich noch etwas Kapazität übrig hat, kann die Definition von ”vollständig entladen” von einem System zum anderen variieren, in Abhängigkeit von der Chemie der Zelle, der Anwendung und anderen Kriterien.
-
Das System 100 wird dann mit dem Prozessor 110 betrieben, welcher die Position der Schalter 106 1-5 und der Verbindungsschalter 116 x steuert. Bevor der Verbindungsschalter 116 x, welcher mit einer der elektrochemischen Zellen 114 x verbunden ist, geschlossen wird, wenn ein Verbraucher 104 durch das Batteriesystem 100 mit Energie versorgt wird, dann erhält der Prozessor 110 bei dem Block 184 Daten von dem Spannungsmesser 142, welche für die Spannung der elektrochemischen Zelle 114 x bezeichnend sind. Bei dem Block 186 wird die Spannung der elektrochemischen Zelle 114 x mit einer gespeicherten Schwellenspannung verglichen. Die gespeicherte Schwellenspannung kann dazu ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass die elektrochemischen Zellen 114 x nicht eine Zellumpolung als ein Ergebnis von übermäßigem Entladen durchlaufen.
-
Falls die Spannung der elektrochemischen Zelle 114 x bei dem Block 186 an oder unterhalb der Schwellenspannung ist, dann besitzt die elektrochemische Zelle 114 x nicht ausreichend Kapazität, um dem Verbraucher 104 in Übereinstimmung mit den Kriterien Energie zur Verfügung zu stellen, welche bei dem Block 182 gespeichert werden. Demzufolge ist der Verbindungsschalter 116 x, welcher mit der elektrochemischen Zelle 114 x verbunden ist, nicht geschlossen und der Prozess im Hinblick auf die elektrochemische Zelle 114 x endet an dem Block 188.
-
Falls die Spannung der elektrochemischen Zelle 114 x bei dem Block 186 oberhalb der Schwellenspannung ist, dann besitzt die elektrochemische Zelle 114 x noch etwas Kapazität, um dem Verbraucher 104 Energie zur Verfügung zu stellen. Demzufolge wird bei dem Block 190 der Schalter 154 zu der Position gesteuert, welche in 7 dargestellt ist, wobei der Schalter 116 x mit dem Kollektor 140 elektrisch verbunden ist, während der Zener Schaltkreis 150 von dem Kollektor 140 und dem Schalter 116 x isoliert ist. Der Schalter 116 x wird dann zu einer geschlossenen Position gesteuert (Block 192) und die elektrochemische Zelle 114 x fängt damit an, den Verbraucher 104 mit Energie zu versorgen.
-
Indem die elektrochemische Zelle 114 x dem Verbraucher 104 Energie zur Verfügung stellt, ist die Kapazität der elektrochemischen Zelle 114 x aufgebraucht und die Spannung der elektrochemischen Zelle 114 x weist einen Spannungsverlauf ähnlich zu einem von den Spannungsverläufen 10, 12, 14, 16, oder 18 von 1 auf. Zum Zwecke des Beschreibens der Prozedur 180 wird die elektrochemische Zelle 114 x erachtet, als ob sie den in 2–4 dargestellten Verläufen folgt.
-
Fahren wir fort mit der Prozedur 180, indem sich die elektrochemische Zelle 114 x entlädt, erhält der Prozessor 110 zusätzliche Spannungsdaten von dem Spannungsmesser 142 und vergleicht die erhaltene Spannung mit der Schwellenspannung an dem Block 194. Falls die erhaltene Spannung größer als die Schwellenspannung 46 ist, dann fährt die Prozedur 180 fort zu dem Block 196 und das Steuergerät stellt fest, ob eine zusätzliche Entladung der elektrochemischen Zelle 114 x benötigt wird.
-
Falls an dem Block 196 eine weitere Entladung nicht benötigt wird, wie zum Beispiel aufgrund der Beendigung der Energie für den Verbraucher 104 oder, weil der von anderen elektrochemischen Zellen 114 x bereitgestellte elektrische Strom für den Energiebedarf des Verbrauchers 104 ausreichend ist, dann endet der Entladungszyklus bei dem Block 188. Die Aktionen, welcher durch den Prozessor 110 für den Block 188 gesteuert werden, werden in Abhängigkeit von den besonderen Umständen variieren. Somit kann die Beendigung der Prozedur 180 für eine bestimmte Zelle dazu führen, dass einer oder mehrere der in Verbindung stehenden Schalter 116 x geöffnet sind, und dem Öffnen des in Verbindung stehenden Schalters 106 x.
-
Falls bei dem Block 196 eine zusätzliche Entladung der elektrochemischen Zelle 114 x gewünscht ist, dann kehrt der Prozess zu dem Block 194 zurück. Weil der Verlauf der Entladespannung 30 eine anfänglich starke Abnahme aufweist (siehe hierzu 2), kann die Spannung der elektrochemischen Zelle 114 x unterhalb die Schwellenspannung 46 fallen. Falls bei dem Block 194 die Spannung der elektrochemischen Zelle 114 x niedriger als die Schwellenspannung 46 ist, dann fährt die Prozedur 180 bei dem Block 198 fort und der Schalter 154 wird umgeschaltet. Das Umschalten des Schalters 154 beseitigt die direkte elektrische Verbindung zwischen dem Schalter 116 1 und dem Kollektor 140, während es den Zener Schaltkreis 150 mit dem Kollektor 140 und dem Schalter 116 1 elektrisch verbindet. Der Zener Schaltkreis 150 wird somit in Betrieb genommen.
-
Im Allgemeinen arbeitet der Zener Schaltkreis 150 wie folgt. Wenn die Eingangsspannung des Zener Schaltkreis 150 niedrig ist (das heißt die Spannung zwischen dem Stromabnehmer 132 und dem Stromabnehmer 140 ist niedrig), dann leitet die Zener-Diode 164 nicht. Demzufolge wird die elektrochemische Zelle 144 x daran gehindert, sich zu entladen.
-
Indem die Eingangsspannung des Zener Schaltkreis 150 oberhalb eines Sollwerts zunimmt, welcher durch die Widerstände 152 und 156 gebildet wird, wird die Zener-Diode 164 in die Leitung vorgespannt und die Zener-Diode 164 spannt die Basis 158 in Durchlassrichtung zu dem Emitter 166 an der Anschlussstelle des Transistors 160 vor. Folglich fließt ein elektrischer Strom durch den Transistor 160 und der elektrochemischen Zelle 144 x ist es erlaubt, dem Verbraucher 104 Energie zur Verfügung zu stellen. Der Sollwert der Spannung des Zener Schaltkreis 150 wird somit derart gewählt, dass sie komplementär zu der Schwellenspannung ist, welche bei dem Block 194 zum Einsatz kommt. Der Sollwert für die Spannung des Zener Schaltkreis 150 kann auf diese Weise im Wesentlichen gleich der Schwellenspannung sein, welche bei dem Block 194 zum Einsatz kommt. Der exakte Ablauf der Funktionsweise für einen bestimmten Entladungszyklus, sobald der Zener Schaltkreis 150 zugeschaltet ist, hängt von dem Ausgangszustand der elektrochemischen Zelle 114 x ab, wie unterhalb im Hinblick auf die verbleibenden Blöcke der Prozedur 180 noch genauer erklärt wird.
-
Wenn der Zener Schaltkreis 150 zu anfangs bei dem Block 198 zugeschaltet wird, dann wird bei dem Block 200 ein Vergleich zwischen der minimalen Spannung der elektrochemischen Zelle 114 x und einer vorbestimmten Schwellenspannung durchgeführt. Speziell, wenn der Zener Schaltkreis 150 bei dem Block 198 zugeschaltet ist, dann ist es dem Zener Schaltkreis 150 erlaubt, für eine kurze Zeitdauer tätig zu sein. Während dieser Zeit wird die elektrochemische Zelle 114 x durch den Zener Schaltkreis 150 abwechselnd in einen Entladungszustand und einen Nicht-Entladungszustand gesetzt.
-
Das Umschalten zwischen Entladen/nicht-Entladen des Zener Schaltkreis 150 tritt auf, weil die elektrochemische Zelle 114 x bei einem Zustand betrieben wird, welcher derjenigen Position des Verlaufs der Entladespannung 30 entspricht, welche unterhalb der Schwellenspannung 46 ist. Unter der Annahme, dass zu der Zeit ”0” die anfängliche Eingangsspannung des Zener Schaltkreis 150 bei einer Spannung liegt, welche niedriger als der Sollwert für die Spannung des Zener Schaltkreis 150 ist, leitet die Zener-Diode 164 somit nicht. Demzufolge ist die elektrochemische Zelle 114 x am Entladen gehindert. Die Spannung der elektrochemische Zelle 114 x springt somit zu der Zeit ”T = 1” von einer Spannung unterhalb der Schwelle 46 in Richtung zu der entsprechenden Spannung des Verlaufs der Leerspannung 36 der Zelle von 2 zurück.
-
Der Verlauf der Leerspannung 36 der Zelle von 2 liegt jedoch oberhalb der Schwellenspannung 46, welche in dieser Ausführungsform dem Sollwert für die Spannung der Zener Schaltkreis 150 entspricht. Auf diese Weise springt zu der Zeit ”T = 2” die Spannung der elektrochemischen Zelle 144 x über den Sollwert für die Spannung des Zener Schaltkreis 150 und die Zener-Diode 164 wird in die Leitung vorgespannt. Der elektrochemischen Zelle 144 x ist es somit erlaubt, dem Verbraucher 104 Energie zur Verfügung zu stellen.
-
Das Setzen der elektrochemischen Zelle 144 x in das Entladen treibt die Entladespannung der elektrochemischen Zelle 144 x jedoch in die Richtung zu der Spannung des Verlaufs für die Entladespannung 30 von 2 zu der Zeit ”T = 3”. Indem die elektrochemische Zelle 144 x unterhalb den Sollwert für die Spannung des Zener Schaltkreis 150 (Schwellenspannung 46) zu der Zeit ”T = 4” geht, wird die elektrochemische Zelle 144 x erneut aus dem Entladen herausgenommen. Der Prozessor 110 bildet somit eine Entladespannung der elektrochemischen Zelle 144 x bei dem Sollwert für die Spannung des Zener Schaltkreis 150.
-
Über mehrere Zyklen des Zener Schaltkreis 150 werden die minimale Spannung, welche durch den Spannungsmesser 142 erfasst wird, und die maximale Spannung, welche durch das Spannungsmessgerät 142 erfasst wird, aufgenommen. Dann, bei der Rückkehr zu der Prozedur 180 an den Block 200, wird die minimale aufgenommene Spannung mit der Schwellenspannung des Blocks 200 verglichen, welche dieselbe Schwellenspannung von dem Block 194 sein kann. Falls die minimale aufgezeichnete Spannung niedriger als die Schwellenspannung von Block 200 ist, dann fährt der Prozess fort zu dem Block 202.
-
Bei dem Block 202 stellt der Prozessor fest, ob die maximale Spannung, welche durch das Spannungsmessgerät 142 erfasst wurde, größer als eine Schwellenspannung ist, welche ganz allgemein so ausgewählt wird, dass sie größer als die Schwellenspannung des Blocks 194 ist. Der spezielle Wert wird von den Konstruktionsanforderungen für die bestimmte Umsetzung abhängen. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform ein Wert im Wesentlichen gleich der Schwelle des Blocks 194 ausgewählt werden, um die Entladung der elektrochemischen Zelle 114 x zu maximieren. Alternativ dazu kann ein Wert ausgewählt werden, welcher geringfügig höher als die Schwelle des Blocks 194 ist.
-
Falls die maximale Spannung, welche durch das Spannungsmessgerät 142 erfasst wird, nicht höher als die Schwelle des Blocks 202 ist, dann wurde die elektrochemische Zelle 114 x vollständig entladen und die Prozedur 180 fährt bei dem Block 188 fort. Falls die maximale Spannung, welche durch das Spannungsmessgerät 142 erfasst wird, höher als die Schwelle des Blocks 202 ist, dann wurde die elektrochemische Zelle 114 x nicht vollständig entladen und die Prozedur 180 fährt bei dem Block 204 fort.
-
Die Ergebnisse der Blöcke 200 und 202 stellen auf diese Weise einen Einblick zur Verfügung, ob die Entladespannung niedriger als die Schwellenspannung des Blocks 194 ist, aufgrund von einer anfänglichen raschen Zunahme des Innenwiderstands oder weil die Kapazität der elektrochemischen Zelle 114 x tatsächlich aufgebraucht wurde, das heißt an dem ganz rechten Bereich des Verlaufs der Entladespannung 30 von 2, oder entlang des Verlaufs der Entladespannung 18 von 1.
-
In Ausführungsformen, welche ein Spannungsmessgerät oder Bauteile des Zener Schaltkreis umfassen, welche keine ausreichende Körnigkeit zur Verfügung stellen, um zwischen der minimalen Spannung und der maximalen Spannung zu unterscheiden, während der Zener Schaltkreis
150 zwischen dem Zustand des Entladens und nicht-Entladens umschaltet, können andere Kriterien zum Einsatz kommen, um für die elektrochemische Zelle
114 x den tatsächlichen Kapazitätsabbau und den scheinbaren Abbau zu unterscheiden. Zum Beispiel kann eine periodische Zellencharakterisierung, wie zum Beispiel die Charakterisierungen, welche in dem
US Patent Nr. 7,676,334 beschrieben sind, welches am 9. März 2010 erteilt wurde, dazu verwendet werden, um einen Verlauf der Entladespannung für eine elektrochemische Zelle zu ermitteln. Auf diese Weise können einer oder mehrere geschätzte Zellzustände dazu verwendet werden, um die Entladung der elektrochemischen Zelle
114 x in Übereinstimmung mit der Prozedur
180 zu steuern, anstelle von tatsächlich gemessenen Bedingungen.
-
Bei dem Block 204, falls keine weitere Entladung der elektrochemischen Zelle 114 x benötigt wird, dann fährt der Prozess fort zu dem Block 188 und endet. Falls eine zusätzliche Entladung der elektrochemischen Zelle 114 x benötigt wird, dann fährt die Prozedur 180 fort bei dem Block 200.
-
Bei dem Block 200 wird die minimale Spannung der elektrochemischen Zelle 114 x erneut mit der Schwelle des Blocks 194 verglichen. Für den Fall, dass die elektrochemische Zelle 114 x ihre Temperatur erhöht hat, so dass der Innenwiderstand gesunken ist, dann wird die minimale Spannung der elektrochemischen Zelle 114 x anfangen zu sinken.
-
Speziell indem der Schaltkreis der Zener-Diode 150 zwischen den Zuständen des Entladens und des nicht-Entladens umschaltet, nimmt die Temperatur der elektrochemischen Zelle 114 x fortlaufend zu, aufgrund der Energie, welche innerhalb der elektrochemischen Zelle 114 x verbraucht wird. Zusätzlich dazu kann der Zener Schaltkreis 150 derart positioniert sein, so dass die elektrochemische Zelle 114 x als eine Wärmesenke für den Zener Schaltkreis 150 wirkt. Auf diese Weise trägt der Betrieb des Zener Schaltkreis 150 zu der Zunahme der Temperatur der elektrochemischen Zelle 114 x bei. Da die Temperatur der elektrochemischen Zelle 114 x erhöht ist, nimmt der Innenwiderstand der elektrochemischen Zelle 114 x anfänglich rasch zu, gefolgt von einer raschen Abnahme, wie in 3 dargestellt.
-
Indem der Innenwiderstand der elektrochemischen Zelle 114 x abnimmt, nimmt die minimale potentielle Entladespannung zu, wie durch den Verlauf der Entladespannung 46 rechts von dem Punkt 38 von 2 gekennzeichnet. Sobald die minimale Spannung der elektrochemischen Zelle 114 x oberhalb der Schwellenspannung des Blocks 194 zunimmt, dann führt die Prozedur 180 fort bei dem Block 206. An dem Block 206 wird der Schalter 154 erneut zu der Konfiguration von 7 positioniert und das Entladen der elektrochemischen Zelle 114 x setzt sich wie benötigt bei dem Block 196 fort, wobei es der Entladespannung der elektrochemischen Zelle 114 x erlaubt ist, dem Verlauf der Entladespannung 30 zu folgen.
-
Die Prozedur 180 behält somit die minimale Entladespannung einer Zelle oberhalb einer gewünschten Schwellenspannung bei, während sie das fortlaufende Entladen der Zelle zulässt. Für den Fall, dass die niedrige Entladespannung einer Zelle das Ergebnis eines erhöhten Innenwiderstands ist, welcher nachfolgend abnimmt, dann lässt es die Prozedur 180 zu, dass die Entladespannung der Zelle zu dem normalen Verlauf der Entladespannung 30 zurückkehrt, sobald sich der Innenwiderstand auf ein annehmbares Niveau verringert hat. Die Prozedur 180 kann auf eine Vielzahl von Arten verändert werden, abhängig von der gewünschten Funktionsweise sowie den verfügbaren Daten für eine festgelegte Zelle.
-
So können zum Beispiel bei manchen Ausführungsformen Daten über die Zellentemperatur von einem Thermoelement erhalten werden. Bei solchen Ausführungsformen kann der Wechsel des Schalters 154 bei dem Block 198 lediglich durchgeführt werden, falls festgestellt wird, dass die Temperatur der Zelle unterhalb der Temperaturschwelle ist, zum Beispiel einer Temperaturschwelle 44. In solchen Ausführungsformen kann die Prozedur 180 des Weiteren derart verändert sein, um das Wechseln des Schalters 154 bei dem Block 206 basierend auf der erfassten Zunahme der Zellentemperatur oberhalb der Temperaturschwelle 44 durchzuführen. Falls ausreichend Daten über die Zelle bekannt sind, dann kann die Prozedur 180 ohne eine direkte Spannungseingabe durchgeführt werden, basierend auf der erfassten Temperatur.
-
In manchen Ausführungsformen kann die Prozedur 180 des Weiteren dazu modifiziert sein, um die Entladespannung einer Zelle lediglich basierend auf Daten der Zellencharakterisierung und der Entladezeit zu steuern. Somit kann die Steuerung der Entladespannung zu einem Zeitpunkt entsprechend initiiert werden, an dem sich die Zelle geschätzt bei dem Punkt 48 befindet und zu einem Zeitpunkt entsprechend der geschätzten Zunahme der Entladespannung oberhalb der Schwellenspannung 46 beendet werden.
-
In anderen Ausführungsformen kann die Spannung der Zelle indirekt erfasst werden, um die Entladespannung der Zelle zu steuern. Zum Beispiel wird in einem System, in dem der elektrische Strom, welcher durch die Zelle zur Verfügung gestellt wird, nicht auf einem konstanten Niveau beibehalten, indem der Innenwiderstand der Zelle abnimmt, wird die Ausgangsstromstärke der Zelle zunehmen. Folglich kann ein Strommessgerät dazu verwendet werden, um zu bestimmen, wenn der Innenwiderstand einer Zelle ausreichend abgenommen hat, so dass die Entladespannung der Zelle unterhalb einer gewünschten Schwellenspannung ist.
-
So stellen beispielsweise 9–11 einen Spannungsverlauf 220, und einen Verlauf des Innenwiderstands 222 und einen Verlauf des Entladestroms 224 für eine beispielhafte elektrochemische Zelle dar. Der Verlauf der Leerspannung 226 der Zelle der beispielhaften Zelle ist ebenfalls in 9 dargestellt. 9–11 stellen die Ergebnisse einer modifizierten Prozedur 180 dar, wobei die Spannung der elektrochemischen Zelle bei oder oberhalb einer vorbestimmten Schwellenspannung 228 beibehalten wird. So lange wie die Entladespannung oberhalb der Schwellenspannung 228 ist, ist die Entladespannung somit nicht beschränkt. Der Verlauf der Entladespannung 222 und der Verlauf des Innenwiderstands 224 sind auf diese Weise ähnlich zu einem Verlauf der Entladespannung und dem Verlauf des Innenwiderstands, welchen man erhalten würde, falls die beispielhafte elektrochemische Zelle auf eine Weise gesteuert werden würde, wie sie oberhalb im Hinblick auf die Prozedur 180 beschrieben wird.
-
In 9–11 ist der Entladestrom jedoch nicht konstant. Vielmehr ist es dem Entladestrom erlaubt, in Erwiderung auf die Veränderungen des Innenwiderstands zu variieren. Indem der Innenwiderstand von dem Punkt 230 bis zu dem Punkt 232 zunimmt, fällt der Entladestrom folglich rasch von einer anfänglichen Rate bei dem Punkt 234 auf ein Minimum bei dem Punkt 236. In Systemen, welche einen konstanten Ausgangsstrom benötigen, kann der verringerte elektrische Strom durch einen elektrischen Strom aus einer anderen elektrochemischen Zelle verdrängt werden.
-
Sobald der Innenwiderstand der beispielhaften Zelle nach dem Punkt 232 anfängt abzunehmen, fängt der Entladestrom der beispielhaften Zelle an zuzunehmen, wie durch den Verlauf des Entladestroms 224 rechts von dem Punkt 236 gekennzeichnet. Sobald der Entladestrom auf ein vorbestimmtes Niveau zugenommen hat, wie zum Beispiel das Stromniveau bei dem Punkt 234, dann ist es der Entladespannung der beispielhaften Zelle erlaubt, oberhalb der Schwellenspannung 228 zu floaten. Die uneingeschränkte Entladespannung folgt somit einem typischen Entladungsverlauf. Irgendein ergänzter elektrischer Strom würde im richtigen Verhältnis zu dem erhöhten elektrischen Strom der beispielhaften Zelle verringert werden.
-
Somit kann in dem System von 9–11 ein Stromsensor dazu verwendet werden, um den Ausgangsstrom der beispielhaften Zelle zu erfassen. Die Prozedur 180 kann deshalb dazu modifiziert sein, um die Steuerung der Entladespannung zu initiieren, wenn ein erster erfasster elektrischer Strom unterhalb eine erste Schwelle fällt, basierend auf einer vorbestimmten minimalen Entladespannung, und um eine uneingeschränkte Entladespannung zuzulassen, wenn der erfasste Entladestrom eine andere Schwelle überschreitet.
-
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangegangenen Beschreibung veranschaulicht und erläutert wurde, sollten selbige ihrem Wesen nach als veranschaulichend und nicht als einschränkend angesehen werden. Es versteht sich, dass lediglich die bevorzugten Ausführungsformen vorgestellt wurden und dass sämtliche Änderungen, Modifikationen und weitere Anwendungen, welche in den Erfindungsgedanken der Erfindung hineinkommen, geschützt sein sollen.
