DE212012000292U1 - Steuerung von Batterieladezuständen bei Systemen mit getrennten Stromquellen - Google Patents

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Abstract

Steuerung zum Steuern des Ladezustands von einer oder von mehreren Nickel-Zink-Batterien in einer Batteriepackung (153) für ein System (151), welches (a) eine separate Energiequelle (103), die in Verbindung mit der Batteriepackung (153) arbeitet, sowie (b) einen Volllademodus und einen Erhaltungslademodus aufweist, wobei die Steuerung aufweist: eine Kommunikationsschnittstelle zu einer Kommunikation mit einer Lichtmaschine und/oder einer Motorsteuereinheit, und eine Logik für (i) ein Bestimmen, dass sich der Ladezustand der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung (153) unter einem vorbestimmten Niveau befindet, welches dem Volllademodus zugeordnet ist, (ii) ein Anlegen einer Ladung an die Batteriepackung (153), während das System sich in dem Volllademodus befindet, mit einer ersten Spannung, um die eine oder die mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung (153) auf einen vollständig geladenen Zustand zu laden, wobei die Ladung an den vollständig geladenen Zustand von der separaten Energiequelle bereit gestellt wird, und (iii) nachfolgend, während das Systems in dem Erhaltungslademodus arbeitet, ein Anlegen einer Ladung an die Batteriepackung (153) bei einer zweiten Spannung, um die eine oder die mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung (153) in einem Erhaltungsladezustand zu halten, wobei die Ladung an den Erhaltungsladezustand von der separaten Energiequelle bereitgestellt wird, und wobei die Höhe der zweiten Spannung unter der Höhe der ersten Spannung liegt.

Description

  • HINTERGRUND
  • Wiederaufladbare Batterien werden für viele Zwecke verwendet. Eine Anwendung von zunehmender Bedeutung ist die als eine Energiequelle für Automobile und andere Fahrzeuge. In vielen Fällen werden Batterien für ein Kaltstarten von Verbrennungsmotoren verwendet. Sie werden auch verwendet, um die Zubehörteile einer Fahrzeugkabine wie zum Beispiel eine Beleuchtung, Audiosysteme, Navigationssysteme, eine Sitzheizung und so weiter zu betreiben. Mit der Marktetablierung von Hybridautos und aller Elektroautos werden zunehmend wiederaufladbare Batterien verwendet, um den Antrieb des Automobils anzutreiben. Eine weitere häufige Anwendung für wiederaufladbare Batterien liegt in der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), welche eine Notstromversorgung an eine Last für den Fall bereit stellt, dass eine primäre Energiequelle ausfällt. USV-Anlagen werden häufig verwendet, um einen nahezu sofortigen Schutz vor Verlust aufgrund von Stromausfällen für Rechenzentren, Telekommunikationsgeräte und andere kritische elektrische Geräte zu gewährleisten.
  • Batterie-Management-Einheiten (BMU) werden manchmal verwendet, um das Laden zu steuern und um einen geeigneten Ladezustand bei Batteriepackungen für die Anwendungen wie zum Beispiel die automobile Anwendungen und die Anwendungen der unterbrechungsfreien Stromversorgung aufrecht zu erhalten. Eine Lichtmaschine kann verwendet werden, um die elektrische Ladung an die Batterien zu liefern.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Steuersystem ist ausgestaltet oder ausgelegt, um den Ladezustand einer Batterie oder einer Batteriepackung in einem System zu steuern, das eine separate Stromquelle aufweist, die getrennt von der Batterie oder der Batteriepackung ist. Im Betrieb wird die Batterie oder die Batteriepackung angewiesen, mit Unterbrechungen Strom für bestimmte Funktionen bereit zu stellen. Die separate Stromquelle kann zum Beispiel eine elektrische Wechselstromquelle für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung oder ein Motor eines Fahrzeugs wie zum Beispiel eines Mikrohybridfahrzeugs sein. Die Batterie kann eine wässrige Nickel-Zink-Batterie sein. Das Steuersystem kann so ausgestaltet oder ausgelegt sein, um eine oder mehrere der folgenden Funktionen zu implementieren: ein Überwachen des Ladezustands der Batterie oder der Batteriepackung, ein Anweisen einer schnellen Wiederaufladung der Batterie oder der Batteriepackung mit der separaten Stromquelle, wenn die Batterie oder die Batteriepackung nicht ihre Funktionen durchführt, und ein Anweisen einer Ladung auf ein Vollladungsniveaus oder auf ein Erhaltungsladeniveau, das sich von dem Vollladungsniveaus unterscheidet, in Antwort auf die Betriebsbedingungen.
  • Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Ladezustands von einer oder von mehreren Nickel-Zink-Batterien in einer Batteriepackung für ein System, welches eine separate Energiequelle, die in Verbindung mit der Batteriepackung arbeitet, sowie einen Vollladungsmodus und einen Erhaltungslademodus aufweist. Das Verfahren weist auf: ein Bestimmen, dass sich der Ladezustand der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung unter einem vorbestimmten Niveau befindet, welches dem Vollladungsmodus zugeordnet ist, dann ein Anlegen einer Ladung an die Batteriepackung, während das System sich in dem Vollladungsmodus befindet, bei einer ersten Spannung, um die eine oder die mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung auf einen vollständig geladenen Zustand zu laden, wobei die Ladung an den vollständig geladenen Zustand von der separaten Energiequelle bereit gestellt wird, und nachfolgend, während das System in dem Erhaltungslademodus arbeitet, ein Anlegen einer Ladung an die Batteriepackung mit einer zweiten Spannung, um die eine oder die mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung in einem Erhaltungsladezustand zu halten. Die Höhe der zweiten Spannung liegt unter der Höhe der ersten Spannung. Die Ladung an den Ladezustand vollständiger Beladung und die Ladung an den Erhaltungsladezustand werden von der separaten Energiequelle bereitgestellt wird. Nach einem Gesichtspunkt wird das Bereitstellen der Ladung von der separaten Energiequelle, um die eine oder die mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung, erreicht, Leistung von der separaten Energiequelle an eine Lichtmaschine bereitgestellt wird, die elektrisch mit der Batteriepackung gekoppelt ist
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann die separate Stromquelle ein Verbrennungsmotor sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann es eine elektrische Wechselstromquelle sein. Bei einer spezifischen Ausführung enthält die Batteriepackung genau 7 Batterien, während bei einer anderen Ausführung die Batteriepackung genau 8 Batterien enthält.
  • Bei einer besonderen Ausführung liegt die erste Spannung des Verfahrens zwischen ungefähr 1,82 und 1,95 Volt. Bei einer weiteren spezifischen Ausführung liegt die zweite Spannung des Verfahrens zwischen ungefähr 1,75 und 1,87 Volt.
  • Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel wird das Laden der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung in den vollständig geladenen Zustand mit einer Rate von mindestens ungefähr 1 C durchgeführt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Laden der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung in den Erhaltungsladezustand mit einer Rate von mindestens ungefähr 1 C durchgeführt.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann das System ein elektrisches System des Fahrzeugs sein. Bei solchen Fällen, weist das Verfahren vor dem Bestimmen, dass der Ladezustands der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung unter einem vorbestimmten Niveau ist, welches dem Vollladungsmodus zugeordnet ist, ein Entladen der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung unter das vorbestimmte Niveau auf, welches dem Vollladungsmodus zugeordnet ist. Üblicherweise wird das Entladen durchgeführt, um eine elektrische Funktion für das Fahrzeug durchzuführen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist die elektrische Funktion ein Kaltstarten eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs, die Stromversorgung der Elektronik der Fahrgastkabine des Fahrzeugs, und/oder ein Einschalten der Servolenkung des Fahrzeugs.
  • Zusätzlich kann das Verfahren aufweisen: vor dem Betrieb des Systems in dem Erhaltungslademodus, ein teilweises Entladen der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung, um die elektrische Funktion für das Fahrzeug durchzuführen.
  • Bei einem anderen Fall kann das System eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sein. In einem solchen Fall weist das Verfahren vor der Bestimmung, dass der Ladezustand der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung unter einem vorbestimmten Niveau ist, welches dem Vollladungsmodus zugeordnet ist, ein Entladen der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung unter das vorbestimmte Niveau auf, welches dem Vollladungsmodus zugeordnet ist, wobei das Entladen durchgeführt wird, um eine Ersatzleistung für die separate Stromquelle bereit zu stellen.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen bestimmt das Verfahren die Temperatur der Batterie und/oder der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung und berechnet den vollständig geladenen Zustand als eine Funktion der Temperatur. Bei einem Beispiel weist das Berechnen der Spannung, welche zum Laden in den vollständig geladenen Zustand angelegt wird, die Beurteilung der folgenden Gleichung auf: Spannung (vollständig geladen) = 1,9 – 0,002·(Temperatur in Celsius – 22). Bei einem weiteren Ausführungsbeispielen weist das Verfahren das Bestimmen der Temperatur der Batteriepackung und/oder der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung und ein Berechnen des Erhaltungsladezustands als eine Funktion der Temperatur auf.
  • Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Steuerung zum Steuern des Ladezustands von einer oder mehreren Nickel-Zink-Batterien in einer Batteriepackung. Die Batteriepackung kann für die Verwendung in einem System ausgestaltet oder ausgelegt sein, welches (a) eine separate Energiequelle, die in Verbindung mit der Batteriepackung arbeitet, sowie (b) einen Vollladungsmodus und einen Erhaltungslademodus aufweist. Die Steuerung kann gekennzeichnet sein durch: eine Kommunikationsschnittstelle zu einer Kommunikation mit einer Lichtmaschine und/oder einer Motorsteuereinheit, und eine Logik für (i) ein Bestimmen, dass sich der Ladezustand der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung unter einem vorbestimmten Niveau befindet, welches dem Vollladungsmodus zugeordnet ist, (b) ein Anlegen einer Ladung an die Batteriepackung, während das System sich in dem Vollladungsmodus befindet, bei einer ersten Spannung, um die eine oder die mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung auf einen vollständig geladenen Zustand zu laden, und (c) nachfolgend, während das System in dem Erhaltungslademodus arbeitet, ein Anlegen einer Ladung an die Batteriepackung bei einer zweiten Spannung, um die eine oder die mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung in einem Erhaltungsladezustand zu halten. Die Höhe der zweiten Spannung liegt unter der Höhe der ersten Spannung. Weiterhin wird die Ladung für das Laden den vollständig geladenen Zustand von der separaten Energiequelle bereitgestellt.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann die Steuerlogik der Steuerung ferner ausgestaltet oder ausgelegt sein, zu bestimmen, dass die separate Stromquelle betriebsbereit ist, vor dem Anlegen der Ladung an die Batteriepackung bei einer ersten Spannung, um die eine oder die mehreren der Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung auf einen vollständig geladenen Zustand zu laden.
  • Bei einer spezifischen Ausgestaltung liegt die erste Spannung der Steuerung zwischen ungefähr 1,87 und 1,95 Volt. Bei einer weiteren spezifischen Ausgestaltung liegt die zweite Spannung der Steuerung zwischen ungefähr 1,75 und 1,87 Volt.
  • Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel ist die Steuerungslogik der Steuerung ferner ausgestaltet oder ausgelegt für ein Bestimmen der Temperatur der Batteriepackung und/oder der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung, und ein Berechnen des vollständig geladenen Zustands als eine Funktion der Temperatur. In diesem Fall weist das Berechnen des vollständig geladenen Zustands ein Auswerten der folgenden Gleichung auf: Spannung (vollständig geladen) = 1,9 – 0,002·(Temperatur in Celsius – 22)
  • Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Steuerungslogik der Steuerung ferner ausgestaltet oder ausgelegt, um die Temperatur der Batterie und/oder der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung zu bestimmen und den Erhaltungsladezustand als eine Funktion der Temperatur zu berechnen.
  • Bei einem Gesichtspunkt ist die Steuerlogik der Steuerung ferner ausgestaltet oder ausgelegt, um den einen oder die mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung auf den vollständig geladenen Zustand mit einer Rate von mindestens ungefähr 1 C zu laden. Bei anderen Gesichtspunkt ist die Steuerlogik der Steuerung ferner ausgestaltet oder ausgelegt, um den einen oder die mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung auf den Erhaltungsladezustand mit einer Rate von mindestens ungefähr 1 C zu laden.
  • Diese und weitere Merkmale der offenbarten Ausführungsbeispiele werden nachstehend in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschreiben.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A ein Blockschaltbild einer unterbrechungsfreien Stromversorgung, bei welcher eine Stromquelle und eine Last integriert sind.
  • 1B ist ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs, welches ein elektrisches System mit einer Batterie und einer Batterie-Management-Einheit BMU aufweist, um eine elektrische Leistung an einen elektrischen Startermotor und andere elektrische Lasten in dem Fahrzeug bereitzustellen.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung des Ladezustands in einer Batterie bei voller Ladung und bei Erhaltungsladung zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Einführung
  • Gesichtspunkte dieser Offenbarung betreffen ein Batterielademanagement. Die Batterien, welche wie hierin beschrieben verwaltet werden, finden Verwendung bei Systemen, bei denen sie in Verbindung mit einer separaten Energiequelle arbeiten wie zum Beispiel einem Verbrennungsmotor oder einer Wechselstromquelle aus dem Netz. Bei solchen Systemen werden die Batterien angewiesen, wiederholt eine bestimmte Funktion oder bestimmte Funktionen durchzuführen. Bei der Ausführung dieser Funktionen werden die Batterien in unterschiedlichen Ausmaßen entladen. Die Systeme sind so ausgelegt, dass die Ladezustände der Batterien automatisch auf einem hohen Niveau gehalten werden, um den Batterien zu ermöglichen, ihre Funktionen zuverlässig durchzuführen, wenn diese angefordert werden. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen werden die Batterien während der Gelegenheiten wieder aufgeladen, wenn eine separate Stromquelle (wie zum Beispiel ein Verbrennungsmotor) verfügbar wird, um sie aufzuladen.
  • Die Aufrechterhaltung der Batterieladung kann unter Verwendung einer Batterie-Management-Einheit BMU oder andere geeignete Steuerung durchgeführt werden. Eine Batterie-Management-Einheit BMU kann Sensoren oder Eingänge zum Empfangen von Signalen aufweisen, die einen oder mehrere relevante Parameter über die Batterien anzeigen, welche von ihnen gesteuert werden. Zu diesen Parametern gehören die Ladezustände der Batterie, die Temperatur, die Spannung, die zurzeit von den Batterien bereitgestellt wird, die elektrische Ladung (Coulomb), welche nach einem auslösenden Ereignis übergeben worden ist, und so weiter. Die Batterie-Management-Einheit BMU kann auch eine Steuerlogik aufweisen, welche anweist, wann und in welchem Ausmaß deren Batterien zu laden oder zu entladen sind.
  • Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen werden die Batterien in zwei oder mehr unterschiedlichen Betriebsarten geladen. Bei einem ersten Modus, welcher als ein Betriebsmodus vollständiger Ladung bezeichnet wird, werden die Batterien vollständig von einem entladenen Zustand auf einen Ladezustand geladen, welcher als vollständig geladen für die Art der Batterie angesehen wird (zum Beispiel 2,3 V pro Zelle für Bleisäurebatterien und 1,93 V pro Zelle für Nickel-Zink-Batterien). Bei einem anderen Modus, welcher als ein Betriebsmodus des Erhaltungsladens bezeichnet wird, werden die Batterien, welche vollständig aufgeladen worden sind, auf einem Erhaltungsladeniveau gehalten (zum Beispiel 1,87 V pro Zelle für Nickel-Zink-Batterien). Bei dem Erhaltungslademodus können die Batterien als vollständig aufgeladen angesehen werden, aber sie werden bei einer niedrigeren Spannung gehalten. Das Erhaltungsladen kann eine Selbstentladung oder eine Entladung für kleine Lasten kompensieren (das heißt ein Laden, bei dem der Ladezustand relativ hoch bleibt). Das Erhaltungsladen betrifft typischerweise das Einsickern von etwas Ladung in die Batterien während des normalen Betriebs des Systems, bei dem die Batterien verwendet werden.
  • Herkömmlicherweise dient das Erhaltungsladen dazu, die Batterien in einem vollständig geladenen Zustand zu halten. Einige solche herkömmlichen Batterie-Management-Einheiten können ein vollständiges Laden und ein Erhaltungsladen wie verschiedene Betriebsmodi verwenden, aber bei jedem Modus laden diese Batterie-Management-Einheiten die Batterien auf den gleichen Ladezustand vollständiger Ladung. Bei einigen der hier beschriebenen Ausführungen wird der Vollladungsmodus verwendet, wenn die Batterien von einem relativ tief entladenen Zustand geladen werden, und ein Erhaltungsladen wird verwendet, um die Batterien auf einen relativ stark geladenen Zustand, aber auf einem niedrigeren Niveau als die vollständig geladenen Batterien zu halten (zum Beispiel ungefähr 95% der vollen Ladung). Mit anderen Worten, wird der Erhaltungslademodus verwendet, um die Batterien in einem nahezu vollständig geladenen Zustand zu halten, so dass die Batterien für einen Kaltstart eines Motors, zum Betrieb einer unterbrechungsfreien Stromversorgung oder für andere Maßnahmen bereit stehen, bei denen sie zu einem erheblichen Grade entladen werden. Bei einigen Ausführungen sind die Batterien vollständig auf einen eingestellten Spannungspegel der vollständigen Ladung aufgeladen worden und dann wird der Ladespannungspegel auf einen Erhaltungsladepegel zurückgestellt. Diese Vorgehensweise fördert eine lange Lebensdauer ohne eine übermäßige Überladung.
  • In Übereinstimmung mit verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein spezieller Erhaltungslademodus für die Batterien verwendet, bei denen ein kontinuierliches oder ein wiederholtes Laden bis zur vollständigen Aufladung die Batterien beschädigen würde, indem möglicherweise Gase (zum Beispiel Wasserstoff und/oder Sauerstoff) schneller erzeugt werden, als diese sich intern rekombinieren können oder diese sicher entlüftet werden können. Wässrige Nickel-Zink-Batterien sind Beispiele für Batterien, die von dieser Ladestrategie mit den zwei Modi profitieren können. Andere Batterien, die in ähnlicher Weise profitieren können, umfassen Silber-Zink-Batterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien. Zur Vereinfachung werden hier Nickel-Zink-Batterien beschrieben. welche als die Batterien bei den beschriebenen Systemen mit den zwei Modi verwendet werden. Es sollte jedoch klar sein, dass auch andere Batteriesysteme mit den offenbarten Ausführungsbeispielen verwendet werden können.
  • Verschiedene Anwendungen können von den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen profitieren. Zwei Anwendungen, die eine sorgfältige Aufrechterhaltung der Ladung der Batteriepackung erfordern, sind stationäre Reservespeicher (zum Beispiel eine unterbrechungsfreie Stromversorgung oder USV) und Mikrohybrid-Automobile oder andere elektronische Fahrzeugsysteme. Bei verschiedenen Mikrohybrid-Anwendungen wird die Batterie angewiesen, ungefähr 12 bis 48 V zu liefern. USV-Batterien stellen in der Regel eine höhere Spannung bereit. Beide Anwendungen erfordern die genaue Bestimmung und die Aufrechterhaltung des Ladezustands der Batterie, um das Leistungsvermögen und die Lebensdauer zu maximieren.
  • Verschiedene Sensoren und Messtechniken können verwendet werden, um den Ladezustand und andere Batteriezustände zu bestimmen. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird der Ladezustand durch ein Berechnen des Beladens und des Entladens mit einer periodischen Kalibrierung bei einer vollständigen Beladung oder Entladung bestimmt. Bei manchen Systemen wird die Gleichstromimpedanz als ein Mittel zur Messung der Alterung und der Verschlechterung des Leistungsvermögens der Zelle in einer Batteriepackung überwacht.
  • Während die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sich in der Regel auf Batteriepackungen beziehen, versteht es sich, dass ein großer Teil der Offenbarung auch für einzelne Batterien gilt, deren Ladezustände wie hier beschrieben gesteuert werden sollen. Eine Batteriepackung soll als ein Satz von einer beliebigen Anzahl von (in der Regel) identischen Batterien oder einzelnen Batteriezellen verstanden werden. Sie können in einer Reihe, parallel oder einer Mischung aus beiden konfiguriert sein, um die gewünschte Spannung, Kapazität oder Leistungsdichte zu liefern. Die Komponenten der Batteriepackung enthalten die einzelnen Batterien oder Zellen und die Leiterbahnen, welche die elektrische Verbindung zwischen ihnen bereitstellen. Die wiederaufladbaren Batteriepackungen können auch einen Temperatursensor und/oder einen Spannungssensor enthalten, welchen das Batterieladegerät verwendet, um das Ende des Ladevorgangs zu erkennen. Batteriesteuerungen werden verwendet, um die Spannung der gesamten Packung auf einem bestimmen Pegel zu halten.
  • Systemkomponenten einer unterbrechungsfreien Stromversorgung
  • Die 1A zeigt ein Blockschaltbild einer unterbrechungsfreien Stromversorgung, bei welcher eine Last integriert ist. Wie in der Figur dargestellt ist, liefert eine Wechselstromquelle 103 normalerweise die Energie für eine Energieversorgung 105, welche ausgestaltet ist, den Strom bereitzustellen, welcher für eine oder mehrere Lasten 107 benötigt wird. Beispiele für solche Lasen sind kritische Datenverarbeitungs- und Telekommunikationsanlagen. Die Energieversorgung 105 ist ausgelegt oder ausgestaltet sein, um elektrische Energie bei geeigneten Pegeln von Strom und Spannung für die angetriebenen Lasten bereitzustellen. Die Energiequelle 103 ist die primäre Energiequelle für die Lasten, was bedeutet, dass im normalen Betrieb die Lasten 105 ihre gesamte Energie von der Quelle 103 empfangen. Die Energiequelle kann ein elektrisches Versorgungsunternehmen (das Stromnetz), ein Generator, und so weiter sein.
  • Für den Fall, dass eine Wechselstromquelle 103 durch ein unerwartetes (oder auch ein erwartetes) Ereignis nicht mehr verfügbar ist, nimmt eine Pufferbatteriepackung 109 die Stelle der Energiequelle 103 an und liefert die Energie den Lasten 107 sofort oder kurz nachdem die Energiequelle 103 nicht mehr verfügbar geworden ist. Bei einigen Ausführungen ist eine Diode im Stromkreis zwischen der Batterie und der Stromleitung vorgesehen. Die Pufferbatterien 109 sind mit einem Batterieladegerät 111 verbunden, das ausgestaltet ist, den Batterien Ladung zu liefern, wenn sie entladen. In der Regel tritt ein Laden auf, nachdem die Energiequelle 103 zurückgekommen ist und sie ihrer Rolle als primäre Energiequelle für die Versorgung 105 und für die letztendlichen Lasten 107 dienen kann. Wenn Quelle 103 zur Verfügung steht, kann ein Bruchteil von deren elektrischer Leistung für das Ladegerät 111 verfügbar gemacht werden, um die Pufferbatterien 109 auf einen Vollladezustand oder gegebenenfalls auf einen Erhaltungsladezustand zu laden.
  • Die Batterieverwaltungslogik ist in dem System entweder als eine separate Einheit oder in der Energieversorgung 105 eingebunden. Die Batterieverwaltungslogik sorgt dafür, dass die Energieversorgung schnell auf die vollständige Ladung lädt und dann auf ein Erhalten schaltet.
  • Systemkomponenten eines Mikrohybridfahrzeugs
  • Die 1B zeigt ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs mit einem elektrischen System 151, welches eine Batteriepackung 153 und eine Batterieverwaltungseinheit BMU 155 aufweist, um elektrische Energie an einen elektrischen Startermotor 157 und andere elektrische Verbraucher 159 in dem Fahrzeug bereitzustellen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug oder ein Mikrohybridfahrzeug. Ein Hybridfahrzeug hat im Allgemeinen einen vollständig elektrischen Antrieb, welcher den Wagen antreiben kann. Ein Mikrohybrid hat dies nicht. Ein Mikrohybrid ist eine Untermenge des Vollhybrides. Das bedeutet, dass er einen Start-Stopp enthält und er für die Gewinnung regenerativer Bremsenergie verwendet werden kann und er die Batterien in einem Modus wechselnder Beanspruchung verwenden kann (wenn, nach der Aufladung die Batterien entladen, um die Kabinenlasten zu unterstützen), um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.
  • Die Batterieverwaltungseinheit (BMU) 155 und/oder eine Motorsteuereinheit (ECU) 161 steuern Aspekte des elektrischen Systems des Fahrzeugs. Insbesondere können diese Einheiten die Batteriepackung 153 steuern, wenn sie in dem Entlademodus, dem Vollladungsmodus und dem Erhaltungslademodus arbeitet.
  • Der Startermotor 157 und eine Lichtmaschine 163 sind in mechanischer Verbindung mit einem (nicht dargestellten) Verbrennungsmotor. Sowohl die Batterien als auch die Lichtmaschine sind mit Masse 171 verbunden, die das Chassis des Fahrzeugs 151 sein kann. Die Lichtmaschine 163 lädt die Batterien der Packung 153, während der Motor läuft. Sie kann die Batterien in einem Vollladungsmodus oder einem Erhaltungslademodus laden, wie durch die Batterieverwaltungseinheit BMU 155 und/oder die Motorsteuereinheit ECU 161 festgelegt wird. Die Lichtmaschine 163 kann auch die Energie für die Fahrzeuglasten 159 bereitstellen, wenn der Motor läuft. Allerdings kann unter manchen Umständen die Batteriepackung 153 einige oder alle der Lasten 159 antreiben, während der Motor läuft. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist die Lichtmaschine eine digital gesteuerte Lichtmaschine.
  • Wie erwähnt worden, können die Batterien bei einem Mikrohybriden oder einem anderen Fahrzeug verwendet werden, um zum Beispiel zu helfen, das Fahrzeug anzutreiben, einen Kaltstart eines Verbrennungsmotors in dem Fahrzeug durchzuführen, und/oder die Stromversorgung elektronischer Funktionen (zum Beispiel Radio, Beleuchtung, Sitzheizung, elektrische Servolenkung, Navigationssystem und so weiter) in der Fahrgastkabine bereitzustellen. Diese Funktionen werden kollektiv durch den Fahrzeuglastenblock 159 dargestellt. Das Kaltstarten wird durchgeführt, indem die Batteriepackung 153 den Startermotor 157 antreibt, welcher ein Elektromotor zum Drehen eines Verbrennungsmotors ist, um so den Betrieb des Motors aus eigener Kraft in die Wege zu leiten. Er wird mit hohen Strömen und hoher Spannung von der Batteriepackung angetrieben.
  • Die Batterieverwaltungseinheit BMU 155 nimmt als Eingang die Spannung und die Temperatur von der Batteriepackung 153. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur von einem Thermistor 165 bereitgestellt. Wie an anderer Stelle ausführlicher erläutert wird, bestimmt die Batterieverwaltungseinheit BMU 155 allein oder in Verbindung mit der Motorsteuereinheit ECU 161, ob die Batterien der Packung 153 zu laden sind, und, wenn ja, ob sie vollständig geladen oder erhaltungsgeladen werden sollen. Sie trifft diese Entscheidung mittels unter anderem der aktuellen Spannung der Batteriepackung, der Temperatur der Batteriepackung und der Strommenge (oder der Ladung), welche die Batteriepackung durchlaufen hat, seit diese zuletzt geladen worden ist. Ein Block 173 stellt eine Eingabe bereit, welche proportional zu dem Strom in die und aus den Batterien ist. Er kann zur Abschätzung des Ladezustands, für die Messung der Impedanz und/oder zur Überwachung des Ladevorgangs verwendet werden.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kommuniziert die Batterieverwaltungseinheit BMU mit der Motorsteuereinheit ECU über einen ”LIN-Bus”, der ein Kommunikationsprotokoll einer seriellen Einzelleitung ist, welches von den Automobilherstellern spezifisch entwickelt worden ist, um ein kostengünstiges, aber relativ langsames Netzwerk zu schaffen. Die Motorsteuereinheit ECU kann den Zustand des Motors (Aus/Ein), den Eingriff der Zahnräder und der Kupplung und so weiter überwachen. Dieses und/oder andere Informationen können verwendet werden, um die Absicht des Fahrers abzuschätzen. Die Motorsteuereinheit ECU steuert, ob der Motor sich ausschaltet. Sie überprüft alle Batterieparameter und ob einer der Verriegelungen aktiv sind. Zum Beispiel prüft sie, ob die Sicherheitsgurte angelegt worden sind beziehungsweise ob die Verriegelung der Abdeckung nicht eingerückt ist. Diese Arten von Schaltern sind ein Indikator dafür, ob jemand nicht im Fahrzeug oder auch unter der Abdeckung ist – eine Situation, bei der die Motorsteuereinheit ECU den Motor nicht einschaltet, wenn der Ladezustand der Batterien niedrig ist. Wenn die Verriegelungsbedingung ein Anschalten des Motors nicht verbieten und die Batterien sich unterhalb eines Schwellenwert des Ladezustands befinden, kann die Motorsteuereinheit ECU den Motor anweisen, angeschaltet zu bleiben, um die Batterien aufzuladen.
  • In Übereinstimmung mit bestimmten Ausführungsbeispielen, ist die Logik und die dazugehörige Hardware ausgestaltet oder ausgelegt, um verschiedene Batterieladespannungen für den Lademodus und den Erhaltungslademodus anzulegen. Wie erwähnt worden ist, kann eine Batterieverwaltungseinheit BMU und/oder eine Motorsteuereinheit ECU eine solche Logik bereitzustellen. Bei einem Mikrohybridfahrzeug kann die Hardware zusätzlich eine digital gesteuerte Lichtmaschine aufweisen, welche angewiesen werden kann, die Nickel-Zink-Batterien bei einer ersten Spannung zu laden, wenn diese in dem Lademodus sind, und diese bei einer zweiten, niedrigeren Spannung zu laden, wenn sie in dem Erhaltungslademodus sind. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen weist die Lichtmaschine zumindest die folgenden drei Betriebsarten auf: nicht verfügbar, Batterielademodus und Batterieerhaltungslademodus. Für USV-Anwendungen können ein DC-DC-Wandler und die dazugehörige Energiequelle das gleiche Ergebnis erreichen. Ein Schalter kann ebenfalls verwendet werden.
  • Bei bestimmten Fällen, bei denen die Lichtmaschine dem Motors eine übermäßige Belastung auferlegt, kann es vorteilhaft sein, die Lichtmaschine zu deaktivieren und es der Batterie zu erlauben, die Fahrzeuglasten aufrechtzuhalten, bis der Motor die elektrische Lasten des Fahrzeuges wieder ohne eine übermäßige Belastung übernehmen kann. Wenn die Batterien die Verantwortung für die Versorgung der elektrischen Verbraucher übernehmen, während der Motor läuft, kann der Motor benötigt werden, um diese Verantwortung wieder aufzunehmen, wenn der Ladezustand der Batterien unter das vorgegebene Niveau fällt. Schließlich wird der Motor die Batterien wieder aufzuladen haben, idealerweise, wenn eine minimale Last an dem Motor anliegt.
  • Die Lichtmaschine wird in der Regel auf der Grundlage der Lasten bemessen, welche in dem Fahrzeug zu tragen sind. Zum Beispiel kann eine Lichtmaschine ausgelegt sein, 50 bis 200 A in Abhängigkeit von den Funktionen – Sitzheizung und so weiter – zu liefern. Selbst bei kleinen Autos wie zum Beispiel einem 2012 Ford FocusTM kann es sein, dass die Lichtmaschine möglicherweise 150 A bereitstellen können muss, um genug Strom auszugeben, um alle Lasten zu tragen und die Batteriepackung nach dem Kaltstarten wieder aufzuladen. Diese Zahl wird ansteigen, da elektrische Funktionen hinzugefügt werden, die mehr Eigenschaften des Mikrohybrides wie elektrische Servolenkung unterstützen. Allerdings bedeutet der Modus wechselnder Beanspruchung bei der Batterie, dass es zusätzliche Anforderungen beim Laden gibt. Bei einigen Fällen müssen die Batterien eine Ladung bei 200 A akzeptieren, so dass diese Energie aus dem regenerativen Bremsvorgang aufnehmen können.
  • Es ist zu beachten, dass die 1B nur eine Batteriepackung (Packung 153) zeigt. Bei den Ausführungsbeispielen, wie dem einem, das hier dargestellt ist, wird nur eine einzelne Nickel-Zink-Batteriepackung verwendet. Sie versorgt die Elektronik der Fahrgastkabine und das Startsystem des Motors. Das unterscheidet sich von Ausgestaltungen, bei denen zwei verschiedene Batteriesysteme verwendet werden: zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie zur Versorgung der Elektronik der Fahrgastkabine und eine Bleibatterie, um einen Kaltstart des Verbrennungsmotors durchzuführen. Während verschiedene Ausführungen der hier beschriebenen Systeme nur eine Nickel-Zink-Batteriepackung verwenden, um alle Batteriefunktionen bereitzustellen, verwenden bestimmte Ausführungsbeispiele eine Nickel-Zink-Batteriepackung um nur die Fahrzeuglasten anzutreiben oder um nur einen Kaltstart des Motors durchzuführen, und eine separate Batteriepackung für die anderen Anwendungen eingesetzt wird.
  • Zum Beispiel kann eine Nickel-Zink-Batteriepackung für die Kabinenlasten und eine andere Batteriepackung für das Kaltstarten verwendet werden. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel verwendet ein 48-Volt-System zwei Batteriepackungen, eine Batteriepackung mit 12 V in Verbindung mit einer Batteriepackung mit 48 V. Letztere wird verwendet, um die Kabinenlasten zu unterstützen und bei der Ladungsaufnahme zu helfen. Die Kapazität einer solchen Batterie kann bei ungefähr 10 bis 20 Ah liegen und sie kann durch eine Nickel-Zink-Batteriepackung erfüllt werden, welche zylindrische oder prismatische Zellen enthalten kann.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen weisen die Batterieverwaltungseinheit BMU, die Motorsteuereinheit ECU, die digital gesteuerte Lichtmaschine, und/oder andere Komponenten eines Steuerungssystems (insgesamt eine Steuerung) einen Prozessor, einen Chip, einen Karte oder eine Platine, oder eine Kombination aus diesen auf, welche eine Logik enthalten, um eine oder mehrere Steuerfunktionen durchzuführen. Einige Funktionen der Steuerung können in einem einzelnen Chip kombiniert werden, zum Beispiel eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD) Chip oder eine feldprogrammierbare Gatteranordnung (FPGA) oder eine ähnliche Logik. Solche integrierten Schaltungen können die Logik, die Steuerung, die Überwachung und/oder die Ladefunktionen in einem einzelnen programmierbaren Chip kombinieren.
  • Im Allgemeinen wird die Logik verwendet, um das Laden der Batterie zu steuern und die Entladeübergänge können in Hardware und/oder in Software ausgestaltet oder ausgerichtet werden. Mit anderen Worten, können die Anweisungen zur Steuerung der Ladeschaltung und der Entladeschaltung hart codiert sein oder als Software bereitgestellt werden. Es kann gesagt werden, dass die Anweisungen durch eine ”Programmierung” vorgesehen sind. Eine derartige Programmierung soll Logik in jeder Form umfassen, einschließlich einer hart codierten Logik in digitalen Signalprozessoren und andere Vorrichtungen, welche die spezifischen Algorithmen als Hardware implementiert haben. Als Programmierung sollen auch Anweisungen in der Software oder in der Firmware verstanden werden, welche auf einem Allzweck-Prozessor ausgeführt werden können. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden die Anweisungen zum Steuern des Anlegens der Spannung an die Batterien und an die Lasten auf einer Speichervorrichtung gespeichert, welche der Steuerung zugeordnet ist, oder sie werden über ein Netzwerk bereitgestellt. Beispiele für geeignete Speichervorrichtungen beinhalten einen Halbleiterspeicher, einen Magnetspeicher, einen optischen Speicher und dergleichen. Der Computerprogrammcode zum Steuern der angelegten Spannung kann in jeder herkömmlichen rechnerlesbaren Programmiersprache wie zum Beispiel einer Assemblersprache, C, C++, Pascal, Fortran und dergleichen geschrieben werden. Der kompilierte Objektcode oder das Skript wird von dem Prozessor ausgeführt, um die Aufgaben durchzuführen, welche in dem betreffenden Programm aufgeführt sind.
  • Bei den Ausführungsbeispielen, bei denen die Batterie oder die Batteriepackung auf zwei verschiedene Pegel geladen werden soll, einen vollständig geladenen Zustand und einen niedrigeren Erhaltungsladezustand, kann die Steuerungslogik ausgestaltet oder ausgelegt sein, um zu bestimmen, welcher Ladezustand unter den gegebenen Umständen angemessen ist (der Zustand des Motor wird berücksichtigt, der Batterieladezustand, und so weiter), und ein direktes Laden auf den Pegel durchzuführen, welcher dem bestimmten Ladezustand zugeordnet ist.
  • Laden mit hohen Raten und auf eine Erhaltungsspannung
  • Aktuelle Motorsteuereinheiten sind ausgestaltet worden, um Entscheidungen über die Batterie und die Motornutzung basierend auf den Parametern der Motorsteuereinheiten ECUs zu treffen, welche von den Batterieverwaltungseinheiten BMUs empfangen worden sind. Die Motorsteuereinheit ECUs und/oder die Batterieverwaltungseinheiten BMUs treffen diese Entscheidungen gegebenenfalls für Bleibatterien. Die Blei-Säure-Batterien haben jedoch andere Anforderungen als die Nickel-Zink-Batterien und bestimmte andere Batterien. Die Bleibatterien sind langsam bei dem Aufladen und leiden unter einer schlechten Ladungsaufnahme, wenn sie unter einen relativ niedrigen Ladezustand entladen werden.
  • Wenn die Bleibatterien bei ortsfesten Speichern (zum Beispiel bei USV-Anwendungen) verwendet werden, werden sowohl das Wiederaufladen als auch das Erhaltungsladen normalerweise bei einer bestimmten Spannung von ungefähr 2,3 V pro Zelle durchgeführt. Die Spannung wird an der Batterie aufrechterhalten, so dass der vollständig geladene Zustand verfügbar ist, wenn die Hauptstromquelle unterbrochen wird. Dies ist angemessen, da die Bleibatterien relativ langsam wieder aufzuladen sind. Sie brauchen in der Regel mehrere Stunden auch bei hohen Spannungen von 2,5 V pro Zelle, um sich aufzuladen. Für Reserveanwendungen stehen in der Regel jedoch lange Zeiträume zur Verfügung, um die Blei-Säure-Batterien wieder aufzuladen, nachdem diese als Ersatzstromquellen gedient haben. Daher ist die niedrige Laderate erträglich, welche dem Laden bei 2,3 V zugeordnet ist.
  • Der normale Betrieb der Bleibatterien bei einem Mikrohybrid und anderen Fahrzeugen betrifft das Laden und das Erhaltungsladen bei einer festen Spannung zwischen 13,8 und 14,8 V. Ein typischer Algorithmus der Batterieverwaltungseinheit BMU lädt auf 14,4 V und lässt dann die Ladung durchsickern, um zu versuchen, 14,4 V im Normalbetrieb aufrecht zu erhalten. Dieses Durchsickern der Ladung ist die Erhaltungsladung.
  • Wenn das Fahrzeug angehalten wird, erhält die Batteriepackung die elektrischen Funktionen des Fahrzeugs aufrecht, aber nach dem erneuten Starten muss die Batterie wieder aufgeladen werden. Wenn der nächste Stopp erfolgt, bevor der optimale Ladezustand erreicht worden ist, kann sich dann der Ladezustand der Batterien verringern, bis diese nicht mehr in der Lage nicht, den Motor anzulassen. Bevor diese Bedingung auftreten kann, muss die Stopp-Start-Funktionalität des Fahrzeugs deaktiviert werden, um es der Batterie zu ermöglichen, wieder einen akzeptablen Ladezustand zu erreichen. Mit anderen Worten, muss der Verbrennungsmotor des Fahrzeugs weiterhin bei den Situationen laufen, bei denen der Stopp-Start-Algorithmus sonst anweist, dass der Motor zu laufen aufhört. Solche Situationen können ein Halten im Verkehr und ein Fahren im Leerlauf beinhalten. Ein laufender Motor ist notwendig, um die Batterien aufzuladen. Es wäre vorteilhaft, die Batterien zu verwenden, welche eine Schnelladefähigkeit aufweisen, so dass die Stopp-Start-Funktionalität weiterhin mehr benutzt werden kann. Nickel-Zink-Batterien sind eine Art von Batterien, welche viel schneller als die Bleibatterien aufgeladen werden können, was es erlaubt, den Motor häufiger zu stoppen.
  • Ein weiteres Problem, welches sowohl bei den stationären Anwendungen als auch bei den Fahrzeuganwendung angetroffen wird, ist das Leistungsvermögen einer geringen Ladungsaufnahme bei den Blei-Säure-Batterien. Beide Anwendungen können eine Bleibatterie zu niedrigen Ladezuständen treiben. Wenn die Batterie in solch einem Zustand für eine signifikante Zeit verbleibt, kann es dazu führen, dass die Elektroden Bleisulfat bilden, welches bei der Batterie das zukünftige Leistungsvermögen der Ladungsaufnahme verringert.
  • In vielerlei Hinsicht ist die wässrige Nickel-Zink-Batterie im Vergleich zu der Blei-Säure-Batterie besser und sie kann die Blei-Säure-Batterie in manchen Fällen ersetzen.
    • 1. Die Nickel-Zink-Batterie lädt sich schneller wieder auf als die Blei-Säure-Batterie. Eine typische Nickel-Zink-Batteriepackung für USV-Anwendungen kann von einen 0% auf einen 100% Ladezustand (bei 1,9 Volt) in 2 Stunden aufgeladen werden. Im Gegensatz dazu benötigt eine vergleichbare Blei-Säure-Batterie 8 bis 10 Stunden zum Aufladen.
    • 2. Die Batterie wird sich bei niedrigen Ladezuständen nicht verschlechtern. Eine Nickel-Zink-Batterie kann bei 40 bis 50% ihres Ladezustands arbeiten, ohne dass ihr Leistungsvermögen beeinträchtigt wird. Sie kann zuverlässig den Motor auch bei diesen niedrigen Ladezuständen starten.
    • 3. Die Batterie kann bei einem Fahrzeug dazu verwendet werden, sowohl den Motor zu starten als auch die Elektronik der Fahrgastkabine zu versorgen. Eine einzelne Nickel-Zink-Batteriepackung kann beiden Zwecken dienen.
    • 4. Die Batterie hat über einen weiten Temperaturbereich ein gutes Leistungsvermögen, zum Beispiel von ungefähr 5 bis 60°C.
  • Eine Nickel-Zink-Batterie kann vollständig in 2 Stunden oder weniger von einem vollständig entladenen Zustand wieder aufgeladen werden, wenn die Spannung eines Ladeverfahrens mit konstantem Strom und konstanter Spannung zwischen ungefähr 1,9 bis 1,93 V pro Einheitszelle gehalten wird. Leider kann bei dieser Spannung der stationäre Strom bei einer vollen Ladung die Lebensdauer der Zelle verkürzen, da die Rate der Erzeugung von Gas über der Rate der Rekombination des Gases liegt, wodurch ein Gasaustritt durch die wiederverschließbare Entlüftungsöffnung folgt. Dies ist eine Folge der Verwendung eines robusten Separators, der den Transport von Gasen von einer Elektrode zur anderen Elektrode hemmt. Genauer gesagt, hemmt der Separator den Transport von Sauerstoff von der positiven Elektrode zu der negativen Elektrode. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist der Separator ein mikroporöser Polyolefin-Separator. Der Separator wird normalerweise dazu verwendet, um das Eindringen eines Zinkdendriten in die positive Elektrode zu verhindern. Beispiele für Nickel-Zink-Batterien sind in der US-Patentanmeldung mit der Nummer 11/116.113, welche am 26. April 2005 eingereicht worden ist, in der US-Patentanmeldung mit der Nummer 11/346.861 (jetzt US-Patent 7.550.230 ), welche am 1. Februar 2006 eingereicht worden ist, und in der US-Patentanmeldung mit der Nummer 13/549.322 beschrieben, welche am 13. Juli, 2012 eingereicht worden ist.
  • Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist eine Batteriepackung, welche Nickel-Zink-Batterien oder andere ähnliche Batterien enthält, anfällig für Gasentwicklungen während der normalen hohen Beladungsrate in einer Weise, die sowohl eine hohe Beladungsrate als auch ein Erhaltungsladen unterstützt, um die Batterien in einem hohen Ladezustand zu halten. Das Erhaltungsladen wird bei einem festen Spannungspegel (oder Ladezustandsniveau) durchgeführt, welches unter einem separat bestimmten, vollständig geladenen Ladezustand liegt. Wenn die Batterien sich in dem Vollladungsmodus befinden, werden diese auf den vollständig geladenen Zustand aufgeladen, und wenn diese sich in dem Erhaltungslademodus befinden, werden sie nur bei dem niedrigeren Pegel der Erhaltungsladung geladen. Der Pegel der Erhaltungsladung kann gewählt werden, um Probleme mit den Batterien zu vermeiden, die auftreten können, wenn dies wiederholt oder kontinuierlich auf den vollständig geladenen Zustand aufgeladen werden, besonders bei hohen Raten. Wie erwähnt wurde, ist eines dieser Probleme, dass die Gasentwicklung schneller als die Rekombination ist. Zum Beispiel kann eine Nickel-Zink-Batterie während der Beladung Wasserstoff an der Zinkelektrode und Sauerstoff an der Nickelelektrode erzeugen. Bei dem Pegel der vollständigen Beladung übersteigt die Rate der Erzeugung dieser Gase die Rate, mit welcher diese in der Zelle rekombinieren können. Bei dem Pegel der Erhaltungsladung ist die Rate der Erzeugung gleich der (oder niedriger als die) Rate, mit welcher diese in der Zelle rekombinieren können. Der Pegel der vollständigen Beladung und der Pegel der Erhaltungsladung sind typischerweise eine Funktion der Temperatur und sie können auch eine Funktion der Ladungsrate sein
  • Bestimmte Parameter, welche den zwei Modi (unterschiedliche Erhaltungsladung und vollständige Ladung) für eine Nickel-Zink-Batterie zugeordnet sind, werden nachstehend angegeben. Diese Parameter beinhalten die festen Spannungspegel für eine vollständige Ladung und die verschiedenen festen Spannungspegel für die Erhaltungsladung. Geeignete Ladungsraten für die vollständige Ladung und die Erhaltungsladung sind ebenfalls relevant.
  • Betrieb der Batterieverwaltungseinheit (BMU)/der Motorsteuereinheit (ECU)
  • Wie erwähnt worden ist, wird die Logik für die Steuerung der Betriebsarten eines Batteriebetriebs in einem Fahrzeug in der Regel in einer Batterieverwaltungseinheit BMU, in einer Motorsteuereinheit ECU und/oder in einer digital gesteuerten Lichtmaschine implementiert. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen stellt das Steuerungssystem sowohl einen Schnelllademodus als auch einen Erhaltungslademodus bereit, welcher auf einem relativ niedrigen Spannungspegel erreicht wird. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen überwacht die Batterieverwaltungseinheit BMU den Ladezustand der Nickel-Zink-Batterie und meldet den Status über eine Kommunikationsverbindung der Motorsteuereinheit ECU des Fahrzeugs. Die Motorsteuereinheit ECU kann dann entsprechende Entscheidungen treffen, ob die Batterien oder die Lichtmaschine zu verwenden ist, um die elektrische Last des Fahrzeugs anzutreiben. In diesem Zusammenhang kann die Motorsteuereinheit ECU bestimmen, ob zum Beispiel die Ladespannung zu ändern oder eine digital gesteuerte Lichtmaschine zu deaktivieren ist.
  • Bei einigen Implementierungen liefert eine Batterieverwaltungseinheit BMU Informationen über ein Nickel-Zink-Batteriepackung an die Motorsteuereinheit des Fahrzeugs, die unter anderem entscheidet, ob (1) Ladung von der Lichtmaschine an die Batteriepackung zu liefern ist und ob (2) der Motor angehalten werden kann. Die Entscheidung 2 beruht auf dem Ladezustand der Batterien in der Packung. Grundsätzlich müssen die Batterien ausreichend geladen sein, um den Motor neu zu starten, nachdem das Fahrzeug angehalten worden ist. Die Entscheidung 1 wird getroffen, während das Fahrzeug läuft und wenn festgestellt wird, dass der Ladezustand der Batterie niedrig genug ist, um ein weiteres Aufladen zu erfordern. Je nach den Umständen kann die weitere Aufladung entweder eine Erhaltungsladung oder eine vollständige Wiederaufladung sein.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen weisen die Batteriepackung des Mikrohybridfahrzeuges und deren zugehörige Batterieverwaltungseinheit BMU mindestens drei Betriebszustände oder Betriebsarten auf: eine Entladung, eine Beladung auf eine vollständige Aufladung und eine Erhaltungsladung.
  • Bei dem Entladungsmodus können die Nickel-Zink-Batterien sich bis zu einem Punkt entladen, bei dem die vollständige Ladung benötigt wird, wenn die Batterien die Fahrzeuglasten antreiben, während der Verbrennungsmotor nicht in Betrieb ist. Beispiele hierfür sind, die Batterien für ein Kaltstarten des Verbrennungsmotors zu verwenden und das Zubehör der Fahrgastkabine mit Strom zu versorgen, während der Motor ausgeschaltet ist (zum Beispiel während der Motor sich im Leerlauf befindet und ausgeschaltet ist).
  • Zu den Bedingungen, welche ein vollständige Laden der Mikrohybrid-Ni-Zn-Batterien auslösen, gehören ein Einschalten des Verbrennungsmotors – und ein In-Betrieb-Nehmen der Lichtmaschine – nachdem die Batterien einen niedrigen Ladezustand erreicht haben. Zu den Bedingungen, welche ein Erhaltungsladen der Mikrohybrid-Ni-Zn-Batterien auslösen, gehören ein Laufen des Verbrennungsmotors während die Lichtmaschine das Zubehör der Fahrgastkabine mit Strom versorgt. Typischerweise werden die Batterien in einem relativ hohen Ladezustand sein, wenn das Erhaltungsladen angewendet wird. Wenn die Batterien sich in einem relativ niedrigeren Ladezustand befinden, kann ein vollständiges Laden angewendet werden. Bei einigen Fällen bestimmt die Motorsteuereinheit ECU, ob ein vollständiges Laden oder ein Erhaltungsladen anzuwenden ist. Neben der Berücksichtigung des Ladezustands der Batterien kann die Motorsteuereinheit ECU prüfen, ob der Motor sich beschleunigt oder verlangsamt. Eine Beschleunigung kann dazu führen, dass weniger Strom von der Lichtmaschine bereitgestellt wird. So kann eine starke Beschleunigung zu einem Deaktivieren der Lichtmaschine führen oder zu einem Erhaltungsladen führen, wenn sich die Batterien in einem relativ niedrigen Ladezustand befinden. Typischerweise erfordert das Erhaltungsladen nicht einen hohen Stromverbrauch.
  • Wenn jedoch die Brennkraftmaschine in der Nähe der Spitzenleistung arbeitet, zum Beispiel bei einem Beschleunigen oder bei einer Bergauffahrt, kann das System entweder ein Erhaltungsladen der Batterie durchführen und die Lichtmaschine das Zubehör der Fahrgastkabine mit Strom versorgen oder die Lichtmaschine deaktivieren und die Batterie das Zubehör der Fahrgastkabine mit Strom versorgen. Letzteres kann vorteilhaft sein, wenn die Batterie vollständig geladen ist oder wenn sie sich in einem akzeptablen Ladezustand befindet. Bei anderen Bedingungen, bei denen der Fahrzeugmotor nicht so hart arbeitet (leichte Beschleunigung oder eine leichte Steigung), kann dann die Option des Erhaltungsladens vorzuziehen sein. Dies ermöglicht es der Batterie für die Möglichkeit bereit zu sein, den Motor beim Fahren im Leerlauf auszuschalten. Dies stellt eine bedeutende Gelegenheit für Kraftstoffeinsparungen dar.
  • Wie erwähnt worden ist, kann die Nickel-Zink-Batterie relativ schnell laden und damit einen geeigneten Ladezustand für die verschiedenen Fahrzeugfunktionen erhalten, welche sie angewiesen wird, zu unternehmen. Ferner weist die Nickel-Zink-Batterie einen weiten Bereich von Ladezuständen auf, welche zum Starten eines Autos geeignet sind. Dies ist bei extremen Verkehrsbedingungen nützlich, wo die Batterie oft angewiesen wird, die Kraftfahrzeuglasten mit Strom zu versorgen.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen wird das Erhaltungsladen bei niedrigeren als den optimalen Erhaltungsladezuständen durchgeführt, bis die Belastung des Motors auf ein Niveau absinkt, welches ein vollständiges Laden erlaubt.
  • Die Tabelle 1 zeigt ein Zustandsdiagramm in Übereinstimmung mit bestimmten Ausführungen des offenbarten Fahrzeugsteuersystems. Die Zustände (Modi des Batteriebetriebs) werden in Abhängigkeit von dem Belastungsniveau des Motors von den Ladezustand der Nickel-Zink-Batterie bestimmt. Der Ladezustand kann während eines oder vor einem Entladungsbetrieb (zum Beispiel einem Kaltstart oder einer Stromversorgung der Elektronik der Fahrgastkabine) oder nach dem Abfragen von der Batterieverwaltungseinheit BMU festgelegt werden. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann ein hoher Ladezustand mindestens ungefähr 70% sein, kann ein niedriger Ladezustand höchstens ungefähr 40% sein und kann ein mittlerer Ladezustand ein Zustand zwischen dem hohen Ladezustand und dem niedrigen Ladezustand sein. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist ein Motor mit hoher Beanspruchung ein Motor, der mit einem erheblichen Anteil seiner maximalen Kapazität (zum Beispiel maximale Leistung bzw. Umdrehungen pro Minute) arbeitet. Tabelle 1
    Hoher Ladezustand Mittlerer Ladezustand Niedriger Ladezustand
    Motor läuft (geringe Belastung) Erhaltungslademodus Erhaltungslademodus Vollladungsmodus
    Motor läuft (hohe Belastung) Entlademodus Entlademodus Vollladungsmodus
    Motor läuft nicht Entlademodus Entlademodus Nicht anwendbar
  • Bei einer beispielhaften Ausführung, bestimmt die Batterieverwaltungseinheit BMU oder eine andere Steuerungslogik der Batterie zunächst, dass die Nickel-Zink-Batterien in einer Batteriepackung auf einen mittleren Ladezustand der Batterie (zum Beispiel 60%) gesunken sind. Die Batterieverwaltungseinheit BMU informiert die Motorsteuereinheit ECU über den Ladezustand und die Motorsteuereinheit ECU trifft dann eine Entscheidung darüber, ob um die Batterien aufzuladen sind und wenn ja, auf welchem Zustand. Alternativ bestimmt die Batterieverwaltungseinheit BMU selbst, dass die Batterien aufgeladen werden sollen und gegebenenfalls bestimmt sie den Ladepegel und informiert die elektronische Steuereinheit ECU darüber. Die Motorsteuereinheit ECU berücksichtigt den Zustand des Motors und bestimmt, ob die Batterien auf den bestimmten Pegel (Erhaltungsladen) aufzuladen sind. Wenn die Entscheidung getroffen wird, die Batterien aufzuladen, weist die Motorsteuereinheit ECU die Lichtmaschine an, die Ladung bei einem geeigneten Pegel (Pegel für ein vollständiges Laden oder ein Erhaltungsladen) den Nickel-Zink-Batterien zuzuführen. Wie erläutert worden ist, kann eine digital gesteuerte Lichtmaschine für diesen Zweck verwendet werden. Natürlich können andere Mechanismen verwendet werden, um das Laden der Batteriepackung zu steuern. Die Lichtmaschine kann auch das Zubehör der Fahrgastkabine mit Strom versorgen, während die Nickel-Zink-Batterien sich hierfür in dem Erhaltungslademodus oder in dem Vollladungsmodus befinden.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen bestimmt die Batterieverwaltungseinheit BMU, wann die Batterie vollständig aufgeladen ist, indem sie der Stromstärke bei einer Phase konstanter Spannung überwacht oder indem sie den Nettoladungseingang nachverfolgt. Wenn bestimmt worden ist, dass die Batterie vollständig geladen werden soll, dann wird die angelegte Ladespannung auf die Erhaltungsladespannung für die vorherrschende Temperatur abgesenkt. Zum Beispiel kann eine ”12 Volt” Batteriepackung mit sieben Zellen Ladeströme von mehr als 5 C (200 Amp. bei einer 40 Ah Batterie) aufnehmen. Sobald der Zielladezustand erreicht worden ist, kann die Batterie bei einer niedrigeren Spannung (1,82 bis 1,87 V bei Raumtemperatur) erhaltungsgeladen werden, um den Ladezustand zu halten, während die Lichtmaschine gleichzeitig die elektronischen Lasten des Autos unterstützt. Eine vollständige Beladung kann wieder durchgeführt werden, nachdem ein Entladungsereignis aufgetreten ist, welches den Ladezustand der Batterien auf ein Niveau abgesenkt hat, das eine vollständige Beladung erfordert. Mittels zweier Spannungspegel ist es auf diese Weise möglich, sowohl das schnelle Laden als auch die Lebensdauer der Batterie zu optimieren. Das System ist daher bereit, verschiedene Fahrzeuglasten zu bedienen oder verschiedene Stromausfälle zu handhaben, welche in schneller Abfolge auftreten.
  • Ein Beispiel eines Verfahrensablaufes ist in der 2 dargestellt. Zunächst bestimmt die Batterieverwaltungseinheit BMU oder ein anderes Überwachungselement, dass der Ladezustand der Batterie unter einem Schwellenwert ist, welcher dem Vollladungsmodus zugeordnet ist. Block 203. Dann weist die Steuerung die Lichtmaschine an, die Batterie voll aufzuladen. Block 205. Danach, wenn der Akku vollständig geladen ist, weist die Steuerung die Lichtmaschine an, ein Erhaltungsladen bei der Batterie auf einen Ladezustand unter dem der Vollladung durchzuführen. Block 207. Auf diese Weise ist die Batterie wahrscheinlich bereit, zu entladen und ihre Funktionen durchzuführen.
  • Die Tabelle 1 zeigt an, dass, wenn der Motor nicht läuft, die Batterie nicht in einem niedrigen Ladezustand (in der Tabelle als nicht anwendbar angegeben) sein solle. Jedoch gibt es bei bestimmten Implementierungen die Möglichkeit, bei der, wenn der Motor nicht läuft, während er sich aber in einem Betriebsmodus befindet (zum Beispiel steckt der Schlüssel in der Zündung und er ist eingeschaltet) und die Batterie sich in einem niedrigen Ladezustand befindet, das System den Motor anschaltet, um den Ladezustand der Batterie zu erhöhen.
  • Bei einer typischen Implementierung überwacht die Batterieverwaltungseinheit BMU kontinuierlich oder häufig den Batteriestrom oder andere Eigenschaften, um eine schnelle Anpassung des Ladezustands zu ermöglichen. In einigen Fällen werden die Anpassungen in der Größenordnung von Millisekunden oder schneller durchgeführt. Bei einigen Ausführungsbeispielen fragt die Batterieverwaltungseinheit BMU ab oder bestimmt anderweitig planmäßig den Ladezustand.
  • Betrieb für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen weisen die Batteriepackung für die unterbrechungsfreie Stromversorgung und die damit verbundenen die Batterieverwaltungseinheit BMU mindestens drei Betriebszustände oder Betriebsarten auf: ein Entladen, ein vollständiges Laden und ein Erhaltungsladen. In dem Entladungsmodus werden die USV-Nickel-Zink-Batterien bis zu einem Punkt entladen, bei dem das volle Laden benötigt wird. In diesem Modus können die Batterien entladen werden, um den Strom bereitzustellen, während die normale Stromquelle (wie zum Beispiel eine Wechselstromquelle, die in der 1A gezeigt ist) außer Betrieb ist und sie nicht verfügbar ist, die Batterien sofort wieder aufzuladen. Zu den Bedingungen, welche ein vollständiges Laden der Nickel-Zink-Batterien der unterbrechungsfreien Stromversorgung auslösen, gehören: ein Wiederanschließen der Hauptstromquelle, nachdem die Nickel-Zink-Batterien entladen worden sind, um die Lasten mit Strom zu versorgen, während die Hauptstromquelle außer Betrieb war. Zu den Bedingungen, welche ein Erhaltungsladen der Nickel-Zink-Batterien der unterbrechungsfreien Stromversorgung zur Folge haben, gehört die Aufrechterhaltung des Ladezustands der Batterien bei nahezu 100%, nachdem die Batterien auf eine vollständige Beladung gebracht worden sind. Bei einigen Implementierungen für Anwendungen der unterbrechungsfreien Stromversorgung wird ein Erhaltungsladen verwendet, um bei Batterie in vollständiger Beladung zu halten und die Selbstentladung auszugleichen.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen, welche die Nickel-Zink-Batterien verwenden, schaltet das System das Ladegerät ein und aus, wenn die Batteriespannung auf einem Pegel absinkt, welcher auf einen Ladezustand von 90 bis 95% hinweist. Die Ladehysterese bedeutet, dass der Anfangsladezustand zwischen 90 bis 100% variieren kann, wenn ein Stromausfall auftritt.
  • Parameter
  • 1. Ladezustände und Spannungen bei Ni-Zn-Zellen für ein vollständiges Laden und ein Erhaltungsladen
  • Wie erwähnt worden ist, kann, um die vollständige Ladung über eine erweiterte Lebensdauer zu erhalten, bei bestimmten Ausführungsbeispielen die Erhaltungsladespannung an die Nickel-Zink-Batterien angelegt werden, welche ungefähr bei 1,8 bis 1,9 V für einen Bereich von Temperaturen liegt, die bei Raumtemperatur zentriert sind. Die volle Ladespannung kann zwischen ungefähr 1,8 und 1,95 V über den Bereich der Temperaturen liegen.
  • Der Pegel für das vollständige Laden kann eine Funktion der Temperatur sein. Bei einer Implementierung wird der Ladepegel durch den folgenden Ausdruck bestimmt: V = 1,9 – 0,002·(T – 22) wobei T in Grad Celsius angegeben ist. Grundsätzlich verändert er sich um 2 mV pro Zelle und pro Grad Celsius. Für eine Batterie mit 7 Zellen würde dies 14 mV pro 1°C sein.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen wird die Ladespannung als eine inverse Funktion der Temperatur bestimmt. Jedoch kann die Erhaltungsladespannung weniger temperaturempfindlich als die Vollladespannung sein.
  • 2. Laderaten
  • Für Mikrohybridanwendungen kann der Ladestrom für Batterien bis zu 5 C bei bestimmten Ausführungsbeispielen sein. Typischerweise kann der Bereich von ungefähr 1 bis 5 C sein. Als ein Beispiel kann im Betrieb, während die typischen Fahrzeuglasten wie zum Beispiel die Fahrzeugbeleuchtung, das Radio und ein Ventilator mit Strom versorgt werden, eine Zelle von 40 Ah sich um ungefähr 2% entladen (zum Bespiel von ungefähr einen 80% Ladezustand auf einen 78% Ladezustand). Dies entspricht zum Beispiel ungefähr einem Halt von 1 Minute bei 45 A Entladungsniveaus. Der Ladezustand von dieser oder ähnlichen Entladungen können durch Aufladung auf 100 A für ungefähr 30 Sekunden oder weniger zurückgewonnen werden.
  • Natürlich wird das Laden, welches bei einer festen Spannung durchgeführt wird, den Strom bestimmen, welcher der Batterien zugeführt wird, und damit die Laderate, zumindest am Ende eines Ladeprogramms, bei dem die Spannungsregelung gilt. Bei 1 C beträgt die Zeit bei Raumtemperatur, um von 0% Ladezustand auf 80% Ladezustand (32 Ah) aufzuladen, ungefähr 48 Minuten, bevor der Strom aufgrund der Begrenzung der Ladespannung (zum Beispiel 1,9 V) abfällt. Für ein Erhaltungsladen bei zum Beispiel 1,85 V oder niedriger, wird der Strom bei unter 50% Ladezustand abfallen, so dass der Eingangsstrom der gleiche (wie für einen Vollladungsmodus) sein kann, aber nur für eine viel kürzere Zeit. Nachdem die Grenze der Spannung erreicht worden ist, fällt der Strom schneller auf einen niedrigeren Wert ab, als dies bei der 1,9 V Grenze beobachtet wird. Es ist dieser niedrigere Gleichgewichtswert, welcher eine Beschädigung der Batterien während des Erhaltungsladens verhindert.
  • Beschreibung der Nickel-Zink-Batterien
  • Die positive Elektrode
  • Die Nickelhydroxid-Elektrode ist für eine hohe Leistung und eine hohe Energie als die positive Elektrode bei den Nickel-Metallhydrid-Batterien, den Nickel-Cadmium-Batterien und den Nickel-Zink-Batterien verwendet worden. Die positive Nickelelektrode enthält im Allgemeinen ein elektrochemisch aktives Nickeloxid oder ein Hydroxid oder ein Oxyhydroxid und ein oder mehrere Additive, um die Herstellung, den Elektronentransport, die Benetzung, die mechanischen Eigenschaften und so weiter zu verbessern. Zum Beispiel kann die Rezeptur einer positiven Elektrode Partikel aus Nickelhydroxid, ein Zinkoxid, ein Kobaltoxyd (CoO), ein Kobaltmetall, ein Nickelmetall und einen thixotropen Wirkstoff wie zum Beispiel Carboxymethyl-Cellulose (CMC) enthalten. Es ist zu beachten, dass das metallische Nickel und das Kobalt als chemisch reine Metalle oder Legierungen davon bereitgestellt werden können. Die positive Elektrode kann aus einer Paste hergestellt werden, die diese Materialien und ein Bindemittel wie zum Beispiel einen polymeren Fluorkohlenstoff (zum Beispiel TeflonTM) enthält.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen enthält die Nickelhydroxid-Elektrode ein Nickelhydroxid (und/oder ein Nickeloxyhydroxid), ein Kobalt/Kobaltverbindungspulver, ein Nickelpulver und Bindematerialien. Die Kobaltverbindung ist enthalten, um die Leitfähigkeit der Nickelelektrode zu erhöhen. Bei einem Ausführungsbeispiel enthält die positive Nickelelektrode mindestens eines von einem Kobaltoxid, einem Kobalthydroxid und/oder einem Kobaltoxyhydroxid, wobei sie vorzugsweise mit einem Nickelhydroxid (oder einem Nickeloxyhydroxid) beschichtet ist.
  • Eine Nickelschaummatrix kann verwendet werden, um das Elektrodenmaterial des elektroaktiven Nickeloxids (zum Beispiel Ni(OH)2) zu unterstützen. Die Dicke des Schaumsubstrats kann zwischen 15 und 60 Mils (Milli-Inch) betragen. Die Dicke der positiven Elektrode, welche den Nickelschaum enthält, der mit den elektrochemisch aktiven und andere Elektrodenmaterialien gefüllt ist, liegt im Bereich von ungefähr 16 bis 24 Mils, vorzugsweise ungefähr bei 20 Mils. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine Dichte des Nickelschaums von ungefähr 350 g/m2 verwendet und es wird eine Dicke im Bereich von ungefähr 16 bis 18 Mils verwendet.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen weisen die Batterien eine positive Nicht-Nickelelektrode (zum Beispiel ein Silberelektrode oder Luftelektrode) auf. Das Silber-Zink-System verwendet ein Silberoxid als die positive Elektrode, während das Zink-Luft-System eine Gasdiffusionselektrode verwendet, welche eine Katalyse für die Reduktion und die Erzeugung von Sauerstoff enthält.
  • Der Separator
  • Typischerweise weist der Separator kleine Poren auf. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen weist der Separator mehrere Schichten auf. Die Poren und/oder die Laminatstruktur kann einen gewundenen Weg für Zinkdendriten liefern und somit effektiv ein Durchdringen und ein Kurzschließen durch Dendriten verhindern. Vorzugsweise weist der poröse Separator eine Gewundenheit (Tortuosität) von zwischen ungefähr 1,5 und 10 auf, besonders bevorzugt von zwischen ungefähr 2 und 5. Der mittlere Porendurchmesser beträgt vorzugsweise höchstens ungefähr 0,2 Mikrometer und besonders bevorzugt ungefähr zwischen 0,02 und 0,1 Mikrometer. Auch die Porengröße ist vorzugsweise ziemlich gleichförmig in dem Separator. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel weist der Separator eine Porosität von zwischen ungefähr 35 und 55% auf, wobei ein bevorzugtes Material eine Porosität von 45% und eine Porengröße von 0,1 Mikron aufweist.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen weist der Separator mindestens zwei Schichten (und in einigen Fällen genau zwei Schichten) auf, – eine Sperrschicht, um ein Eindringen von Zink zu blockieren, und eine Benetzungsschicht, um die Zelle mit einem Elektrolyten nass zu halten, so dass ein Ionenstrom fließen kann. Dies ist im Allgemeinen nicht der Fall bei Nickel-Cadmium-Zellen, die nur ein einziges Separatorenmaterial zwischen den benachbarten Elektrodenschichten verwenden.
  • Das Leistungsvermögen der Zelle kann gefördert werden, indem die positive Elektrode nass und die negative Elektrode relativ trocken gehalten wird. Somit ist bei einigen Ausführungsbeispielen die Sperrschicht angrenzend zu der negativen Elektrode angeordnet und ist die Benetzungsschicht benachbart zu der positiven Elektrode angeordnet. Diese Anordnung verbessert das Leistungsvermögen der Zelle, indem der Elektrolyt in direktem Kontakt mit der positiven Elektrode gehalten wird.
  • Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Benetzungsschicht benachbart zu der negativen Elektrode angeordnet, und die Sperrschicht ist zu der positiven Elektrode benachbart angeordnet. Diese Anordnung fördert die Rekombination des Sauerstoffs an der negativen Elektrode, indem der Sauerstofftransport zu der negativen Elektrode über den Elektrolyten erleichtert wird.
  • Die Sperrschicht ist typischerweise eine mikroporöse Membran. Jede beliebige mikroporöse Membran, die ionisch leitfähig ist, kann verwendet werden. Oft ist ein Polyolefin mit einer Porosität von zwischen ungefähr 30 und 80 Prozent und einer durchschnittlichen Porengröße zwischen ungefähr 0,005 und 0,3 Mikrometer geeignet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Sperrschicht ein mikroporöses Polypropylen. Die Sperrschicht ist typischerweise ungefähr 0,5 bis 4 Mils dick, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 1,5 und 4 Mils dick.
  • Die Benetzungsschicht (oder Dochtwirkungsschicht) kann aus einem beliebigen geeigneten benetzbaren Separatorenmaterial hergestellt sein. Typischerweise weist die Benetzungsschicht eine relativ hohe Porosität wie zum Beispiel zwischen ungefähr 50 und 85% Porosität auf. Die Beispiele enthalten Polyamidmaterialien wie zum Beispiel auf Nylon basierende Materialien als auch ein benetzbares Polyethylen, ein Polypropylen und auf Zellulose basierende Materialien. Ein besonderes Material ist Zellulose, welche imprägniert und/oder mit Polyvinylalkohol beschichtet ist. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist die Benetzungsschicht zwischen ungefähr 1 und 10 Mils dick, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 3 und 6 Mils dick. Die Beispiele für Separatorenmaterialien, die als ein Benetzungsmaterial eingesetzt werden können, beinhalten NK VL100 (NK Corporation, Tokyo, Japan), Freudenberg FS2213E, Scimat 650/45 (Scimat Limited, Swindon, UK), und Vilene FV4365.
  • Auch andere Separatorenmaterialien, welche im Stand der Technik bekannt sind, können verwendet werden. Wie erwähnt worden ist, sind auf Nylon basierende Materialien und mikroporöse Polyolefine (zum Beispiel Polyethylene und Polypropylene) sehr oft geeignet. Die Ausführungsbeispiele sind auf ein selektives Abdichten der Separatoren gerichtet. Praktisch jedes Separatorenmaterial kann verwendet werden, so lange es über die Anwendung einer hierin beschriebenen Wärmequelle abgedichtet werden kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden Separatorenmaterialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten verwendet, bei anderen Ausführungsbeispielen werden Separatoren, die abdichten, in Verbindung mit solchen verwendet, die unter den Bedingungen nicht abdichten, dass eines oder beide Enden der Rollen freiliegen.
  • Eine weitere Überlegung bei der Ausgestaltung der Elektroden bzw. der Separatoren ist es, ob der Separator als ein einfaches Blatt mit ungefähr der gleichen Breite wie die Elektrode und die Kollektorschicht bereitzustellen ist oder ob eine oder beide Elektroden mit den Separatorenschichten zu umhüllen sind. Bei dem letzteren Beispiel dient der Separator als ein ”Beutel” für eine der Elektrodenschichten und er kapselt effektiv eine Elektrodenschicht ein. Bei einigen Ausführungsbeispielen hilft das Umhüllen der negativen Elektrode in einer Separatorenschicht die Bildung von Dendriten zu verhindern. Die spezifischen Ausführungsbeispiele zum Heißversiegeln der Rollen werden detaillierter nachfolgend in Verbindung mit dem Abschnitt mit dem Titel ”Elektroden und Separator” beschrieben.
  • Der Elektrolyt
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen, welche sich auf Nickel-Zink-Zellen beziehen, begrenzt die Zusammensetzung des Elektrolyten die Bildung von Dendriten und andere Formen der Materialverteilung in der Zinkelektrode. Beispiele für geeignete Elektrolyte sind in dem US-Patent mit der Nummer 5.215.836 von M. Eisenberg beschrieben, welches am 1. Juni 1993 erteilt worden ist, das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Bei einigen Fällen kann der Elektrolyt (1) ein Alkali-Hydroxid oder ein Erdalkali-Hydroxid sein, (2) ein lösliches Alkali-Fluorid oder ein lösliches Erdalkali-Fluorid sein, und (3) ein Borat, ein Arsenat und/oder ein Phosphatsalz (zum Beispiel ein Kaliumborat, ein Kaliummetaborat, ein Natriumborat, ein Natriummetaborat und/oder ein Natrium- oder Kaliumphosphat) sein. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel enthält der Elektrolyt ungefähr 4,5 bis 10 Äquivalente pro Liter Kaliumhydroxid, ungefähr 2 bis 6 Äquivalente pro Liter Borsäure oder Natriummetaborat und ungefähr 0,01 bis 1 Äquivalente von Kaliumfluorid. Ein besonders bevorzugter Elektrolyt für Anwendungen mit einer hohen Rate weist ungefähr 8,5 Äquivalente pro Liter Kaliumhydroxid, ungefähr 4,5 Äquivalente von Borsäure und ungefähr 0,2 Äquivalente von Kaliumfluorid auf.
  • Die Ausführungsbeispiele sind nicht auf die Zusammensetzungen des Elektrolyten beschränkt, welche in dem Eisenberg-Patent dargestellt worden sind. Im Allgemeinen kann jede Zusammensetzungen des Elektrolyten verwendet werden, die den für die Anwendungen von Interesse genannten Kriterien genügt. Unter der Annahme, dass Anwendungen mit einem hohen Leistungsvermögen erwünscht sind, sollte der Elektrolyt eine sehr gute Leitfähigkeit aufweisen. Unter der Annahme, dass eine lange Lebensdauer erwünscht ist, sollte der Elektrolyt der Bildung von Dendriten widerstehen können. Bei der vorliegenden Erfindung verringert die Verwendung von einem KOH Elektrolyten, welcher ein Borat und/oder einem Fluorid enthält, zusammen mit geeigneten Separatorenschichten die Bildung von Dendriten, wodurch eine robustere und langlebigere Energiezelle erhalten wird.
  • Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel enthält die Zusammensetzung des Elektrolyten einen Überschuss von zwischen ungefähr 3 und 5 Äquivalente pro Liter Natriumhydroxid (zum Beispiel KOH, NaOH und/oder LiOH). Dies setzt voraus, dass die negative Elektrode eine Elektrode auf der Basis von Zinkoxid ist. Für negative Elektroden mit Calcium-Zinkat können alternative Rezepturen des Elektrolyten geeignet sein. Bei einem Beispiel weist ein geeigneter Elektrolyt für Calcium-Zinkat die folgende Zusammensetzung auf: ungefähr 15 bis 25 Gewichtsprozente KOH, ungefähr 0,5 bis 5,0 Gewichtsprozente LiOH.
  • In Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Elektrolyt eine Flüssigkeit und ein Gel enthalten. Der Gelelektrolyt kann ein Verdickungsmittel wie zum Beispiel CARBOPOLTM enthalten, das von Noveon aus Cleveland OH erhältlich ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt ein Teil des aktiven Elektrolytmaterials in Form eines Gels vor. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind ungefähr 5 bis 25 Gewichtsprozente des Elektrolyten als Gel vorgesehen und die Gelkomponente weist ungefähr 1 bis 2 Gewichtsprozente CARBOPOLTM auf.
  • In einigen Fällen kann der Elektrolyt eine relativ hohe Konzentration an Phosphat-Ionen enthalten, wie in dem US Patent mit der Nummer 7.550.230 von S. J. Phillips Mohanta beschrieben worden ist und welches den Titel ”Elektrolytzusammensetzung für Nickel-Zink-Batterien” aufweist und am 1. Februar 2006 eingereicht worden, dessen Inhalt hierin für alle Zwecke durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist die Nickel-Zink-Batterie, welche bei den offenbarten Ausführungsbeispielen verwendet wird, ausgestaltet, um in einem Elektrolyten in einem ”ausgehungerten” Zustand betrieben zu werden. Solche Zellen weisen eine relativ geringe Menge Elektrolyt in Bezug auf die Menge des aktiven Elektrodenmaterials auf. Sie können leicht von gefluteten Zellen unterschieden werden, welche eine freie Elektrolytflüssigkeit in den inneren Bereichen der Zelle aufweisen. Zellen mit der ausgehungerten Ausgestaltung werden in der US-Patentanmeldung mit der Nummer 11/116.113 diskutiert, die am 26. April 2005 mit dem Titel ”Gestaltung von Nickel-Zink-Batterien” eingereicht als die US 2006-0240317 A1 veröffentlicht worden ist und die hiermit durch Bezugnahme für alle Zwecke aufgenommen wird. Es kann wünschenswert sein, eine Zelle unter ausgehungerten Bedingungen aus einer Vielzahl von Gründen zu betreiben. Als eine ausgehungerte Zelle soll allgemein eine Zelle verstanden werden, bei welcher das gesamte Hohlraumvolumen innerhalb des Zellenelektrodenstapels nicht vollständig von dem Elektrolyten eingenommen wird. Bei einem typischen Beispiel kann das Hohlraumvolumen einer ausgehungerten Zell nach Befüllung mit dem Elektrolyten mindestens ungefähr 10% des gesamten Hohlraumvolumens vor der Befüllung betragen.
  • Die negative Elektrode
  • Wenn die negative Elektrode bei Nickel-Zink-Zellen verwendet wird, enthält diese eine oder mehrere elektroaktive Zink-Quellen oder Zinkat-Ionen, gegebenenfalls in Kombination mit einem oder mehreren weiteren Materialien, wie zum Beispiel mit einem Tensid beschichtete Partikel, Korrosionsinhibitoren, Benetzungsmittel und so weiter, wie nachfolgend beschrieben wird. Wenn die Elektrode hergestellt worden ist, kann sie durch gewisse physikalische, chemische und morphologische Eigenschaften wie die Ladekapazität, die chemische Zusammensetzung des aktiven Zinks, die Porosität, die Verwindung und so weiter gekennzeichnet werden.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann die elektrochemisch aktive Zinkquelle eine oder mehrere der folgenden Komponenten enthalten: ein Zinkoxid, ein Calcium-Zinkat, ein Zinkmetall und verschiedenen Zinklegierungen. Während der Herstellung kann jede dieser Materialien bereitgestellt werden und/oder während des normalen Formierens erzeugt werden. Als ein besonderes Beispiel wird das Calcium-Zinkat angesehen, das aus einer Paste oder Aufschlämmung hergestellt werden kann, die zum Beispiel ein Calciumoxid und ein Zinkoxid enthalten.
  • Das Aktivmaterial für eine negative Elektrode einer wiederaufladbaren elektrochemischen alkalischen Zink-Zelle kann Partikel aus einem Zinkmetall (oder einer Zinklegierung) aufweisen. Wenn eine Zinklegierung verwendet wird, kann diese bei bestimmten Ausführungsbeispielen Wismut und/oder Indium enthalten. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann diese bis zu ungefähr 20 Teile Blei pro Million enthalten. Eine handelsübliche Quelle für eine Zinklegierung, welche diese Anforderungen an die Zusammensetzung erfüllt, ist PG101, das von der Noranda Corporation aus Canada geliefert wird. Bei einem Ausführungsbeispiel enthält die elektrochemisch aktive Zinkmetallkomponente der Nickel-Zink-Zellen weniger als ungefähr 0,05 Gewichtsprozente Blei. Zinn kann auch in der negativen Zink-Elektrode verwendet werden.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen können die Partikel aus Zinkmetall mit Zinn und/oder Blei beschichtet werden. Die Zinkpartikel können beschichtet werden, indem Blei und Zinnsalze zu einer Mischung hinzugefügt werden, welche die Zinkpartikel, ein Verdickungsmittel und Wasser enthält. Das Zinkmetall kann beschichtet werden, während das Zinkoxid und die anderen Bestandteile der Elektrode vorliegen. Eine Zinkelektrode, die mit Blei oder mit Zinn beschichtete Zinkpartikel aufweist, ist im Allgemeinen weniger anfällig für eine Gasentwicklung, wenn Kobalt im Elektrolyt vorliegt. Die Lebensdauer und die Haltbarkeit der Zellen wird ebenfalls verbessert, da die Zink leitende Matrix erhalten bleibt und die Selbstentladung bei der Lagerung verringert wird. Beispielhafte Zusammensetzungen für Aktivmaterialien, welche für die negative Elektrode der vorliegenden Erfindung geeignet sind, werden weiter in der US-Patentanmeldung von J. Phillips et al. mit der Nummer 12/467.993 mit dem Titel ”Mit Zinkpaste beschichtete Elektrode für weideraufladbare Nickel-Zink-Batterien”, beschrieben, welche am 18. Mai 2009 eingereicht worden ist und deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme für alle Zwecke aufgenommen wird.
  • Das Zink-Aktivmaterial kann in der Form eines Pulvers, einer körnigen Zusammensetzung, von Fasern und so weiter vorliegen. Vorzugsweise weist jede der Komponenten, welche in der Rezeptur der Zinkelektrodenpaste verwendet wird, eine relativ kleine Partikelgröße auf. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit, dass ein Partikel eindringen oder anderweitig den Separator zwischen der positiven und der negativen Elektroden beschädigen kann.
  • Wenn insbesondere die elektrochemisch aktiven Zinkkomponenten (und die anderen teilchenförmigen Elektrodenkomponenten ebenso) berücksichtigt werden, weisen diese Komponenten vorzugsweise eine Partikelgröße auf, die nicht größer als ungefähr 40 oder 50 Mikrometer ist. Bei einem Ausführungsbeispielen beträgt die Teilchengröße weniger als ungefähr 40 Mikron, das heißt, dass der durchschnittliche Durchmesser weniger als ungefähr 40 Mikron ist. Dieser Größenbereich beinhaltet mit Blei beschichtete Zinkpartikel oder Zinkoxid-Partikel. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann das Material dadurch gekennzeichnet werden, dass nicht mehr als ungefähr 1% der Partikel einer Hauptabmessung (zum Beispiel der Durchmesser oder die Hauptachse) mehr als ungefähr 50 Mikrometer aufweisen. Solche Zusammensetzungen können hergestellt werden, indem zum Beispiel gesiebt wird oder durch ein anderweitiges Behandeln der Zinkpartikel die größeren Teilchen entfernt werden. Es ist zu beachten, dass die Bereiche der Partikelgrößen, welche hier angegeben worden sind, für sowohl für Zinkoxide und Zinklegierungen als auch für Zinkmetallpulver gelten.
  • Zusätzlich zu der bzw. den elektrochemisch aktiven Zinkkomponente(n), kann die negative Elektrode ein oder mehrere zusätzliche Materialien aufweisen, die bestimmte Prozesse innerhalb der Elektrode erleichtern oder anderweitig beeinflussen, wie zum Beispiel den Ionentransport, den Elektronentransport (um zum Beispiel die Leitfähigkeit zu erhöhen), die Benetzung, die Porosität, die strukturelle Integrität (zum Beispiel die Bindung), die Gasentwicklung, die Löslichkeit des Aktivmaterials, die Eigenschaften der Barriere (zum Beispiel einer Verringerung der Zinkmenge, welche die Elektrode verlässt), den Korrosionsschutz und so weiter.
  • Verschiedene organische Materialien können der negativen Elektrode zum Zwecke der Bindung, der Dispersion und/oder als ein Ersatz für die Separatoren hinzugefügt werden. Beispiele sind Hydroxyethyl-Zellulose (HEC), Carboxymethylcellulose (CMC), die freie Säureform von Carboxymethylcellulose (HCMS), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polystyrolsulfonat (PSS), Polyvinylalkohol (PVA), Nopcosperse Dispersionsmittel (erhältlich von San Nopco Ltd. aus Kyoto Japan) und so weiter.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen können polymere Materialien wie zum Beispiel PSS und PVA mit der Rezeptur der Paste (im Gegensatz zur Beschichtung) gemischt werden, um scharfe oder große Teilchen in der Elektrode einzugraben, welche ansonsten für den Separator eine Gefahr darstellen könnten.
  • Wenn hier eine Zusammensetzung der Elektroden bestimmt wird, soll diese allgemein als anwendbar angesehen werden sowohl für Zusammensetzungen zum Zeitpunkt der Herstellung (zum Beispiel die Zusammensetzung einer Paste, einer Aufschlämmung oder die Rezeptur für eine trockene Herstellung) als auch für Zusammensetzungen, die sich während des oder nach dem Formieren(s) oder während der oder nach einem oder mehreren Lade-Entlade-Zyklen ergeben, während die Zelle in Betrieb ist, wie zum Beispiel beim Antrieb eines tragbaren Werkzeugs.
  • Verschiedene Zusammensetzungen der negativen Elektroden innerhalb des Umfangs dieser Erfindung sind in den folgenden Dokumenten beschrieben worden, von denen jedes hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird: die internationale Offenlegungsschrift mit der Nummer WO 02/39517 (J. Phillips), die internationale Offenlegungsschrift mit der Nummer WO 02/039520 , die internationale Offenlegungsschrift mit der Nummer WO 02/39521 (J: Phillips), die internationale Offenlegungsschrift mit der Nummer WO 02/039534 und die US-Patentschrift mit der Nummer 2002182501 (J. Phillips). Die Additive für die negativen Elektroden bei den obigen Referenzen umfassen zum Beispiel Siliziumdioxid und Fluoride von verschiedenen Erdalkalimetallen, Übergangsmetallen, Schwermetallen und Edelmetallen.
  • Schließlich ist zu beachten, dass, während eine Anzahl von Materialien zur negativen Elektrode hinzugefügt werden kann, um bestimmte Eigenschaften zu verleihen, einige dieser Materialien oder dieser Eigenschaften über andere Batteriekomponenten als die der negativen Elektrode eingeführt werden können. Zum Beispiel können zur Verminderung der Löslichkeit von Zink in dem Elektrolyten bestimmte Materialien in dem Elektrolyt oder in dem Separator (mit der negativen Elektrode oder auch ohne die negative Elektrode) bereitgestellt werden. Die Beispiele für solche Materialien beinhalten ein Phosphat, eine Fluorid, ein Borat, ein Zinkat, eine Silikat, ein Stearat. Andere Additive für Elektrode als die vorstehend angegeben worden sind, können in dem Elektrolyten und/oder in dem Separator vorgesehen werden und beinhalten Tenside, Ionen aus Indium, Bismut, Blei, Zinn, Calcium und so weiter.
  • Zum Beispiel beinhaltet bei einigen Ausführungsbeispielen die negative Elektrode ein Oxid, wie zum Beispiel ein Wismut-Oxid, ein Indium-Oxid und/oder ein Aluminiumoxid. Das Wismut-Oxid und das Indium-Oxid können mit Zink interagieren und die Gasentwicklung an der Elektrode verringern. Das Wismut-Oxid kann in einer Konzentration zwischen ungefähr 1 und 10 Gewichtsprozent der Rezeptur einer trockenen negativen Elektrode bereitgestellt werden. Dies kann die Rekombination von Sauerstoff erleichtern. Das Indium-Oxid kann in einer Konzentration von zwischen ungefähr 0,05 und 1 Gewichtsprozent der Rezeptur einer trockenen negativen Elektrode bereitgestellt werden. Das Aluminiumoxid kann in einer Konzentration zwischen ungefähr 1 und 5 Gewichtsprozent der Rezeptur einer trockenen negativen Elektrode bereitgestellt werden.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen können ein oder mehrere Zusatzstoffe enthalten sein, um die Korrosionsbeständigkeit des elektroaktiven Zinkmaterials zu verbessern und dadurch eine lange Haltbarkeit zu erleichtern. Die Haltbarkeit kann kritisch für den kommerziellen Erfolg oder Misserfolg einer Batteriezelle sein. Unter der Berücksichtigung, dass Batterien intrinsisch chemisch instabile Vorrichtungen sind, können Schritte unternommen werden, um die Bestandteile der Batterie einschließlich der negativen Elektrode in ihrer chemisch nützlichen Form zu bewahren. Wenn die Elektrodenmaterialien korrodieren oder sich auf einer anderen Weise in einem signifikanten Ausmaß über Wochen oder Monate ohne Nutzung verschlechtern, wird deren Wert durch die kurze Lagerfähigkeit begrenzt.
  • Spezifische Beispiele für die Anionen, die aufgenommen werden können, um die Löslichkeit von Zink in dem Elektrolyten zu verringern, beinhalten ein Phosphat, ein Fluorid, ein Borat, ein Zinkat, ein Silikat, ein Stearat und so weiter. Im Allgemeinen können diese Anionen in einer negativen Elektrode in Konzentrationen bis zu ungefähr 5 Gewichtsprozent der Rezeptur einer trockenen negativen Elektrode vorliegen. Es wird angenommen, dass zumindest ein gewisser Anteil dieser Anionen während der Formierung der Zellen in Lösung gehen und dadurch die Löslichkeit von Zink verringern. Beispiele von Rezepturen der Elektroden einschließlich dieser Materialien sind in den folgenden Patenten und Patentanmeldungen beschrieben worden, von denen jede hierin durch Bezugnahme für alle Zwecke aufgenommen wird: das US-Patent mit der Nummer 6.797.433 und dem Titel ”Rezeptur für eine negative Elektrode einer Zink-Elektrode mit geringer Toxizität und mit Additiven mit negativen Redoxpotentialen zum Zinkpotenzial” von Jeffrey Phillips, welches am 28. September 2004 erteilt worden ist, das US-Patent mit der Nummer 6.835.499 und dem Titel ”Rezeptur für eine negative Elektrode für eine Zink-Elektrode mit geringer Toxizität und mit Additiven mit positiven Redoxpotentialen zum Zinkpotenzial” von Jeffrey Phillips, welches am 28. Dezember 2004 erteilt worden ist, das US-Patent mit der Nummer 6.818.350 und dem Titel ”Alkaline Zellen mit geringer Toxizität und wiederaufladbare Zink-Elektroden” von Jeffrey Phillips, welches am 16. November 2004 erteilt worden ist, und die internationale Offenlegungsschrift mit der Nummer PCT/NZ02/00036 (Veröffentlichungsnummer WO 02/075830 ), welche am 15. März 2002 von Hall et al. eingereicht worden ist.
  • Die leitfähigen Fasern, welche den negativen Elektroden zugegeben werden, können auch zum Zwecke der Bewässerung oder der Benetzung der Elektrode dienen. Mit einem Tensid beschichtete Karbonfasern sind ein Beispiel eines solchen Materials. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Materialien enthalten sein können, um das Benetzen zu erleichtern. Beispiele für solche Materialien beinhalten Titanoxide, ein Aluminiumoxid, ein Siliziumdioxid, ein Aluminiumoxid und ein Siliziumdioxid in Kombination und so weiter. Im Allgemeinen werden diese Materialien, wenn sie vorliegen, in Konzentrationen von bis zu ungefähr 10 Gewichtsprozenten einer Rezeptur einer trockenen negativen Elektrode bereitgestellt. Eine weitere Beschreibung solcher Materialien kann in dem US-Patent mit der Nummer 6.811.926 und dem Titel ”Rezeptur der negativen Zink-Elektrode für wiederaufladbare Zellen mit alkalischem Elektrolyten” von Jeffrey Phillips gefunden werden, welches am 2. November 2004 erteilt worden ist und welches hier durch Bezugnahme für alle Zwecke aufgenommen wird.
  • Die negativen Zinkelektroden enthalten Materialien, welche eine leitfähige Kommunikation zwischen der elektrochemisch aktiven Komponente der negativen Zinkelektrode und der positiven Nickelelektrode aufbauen. Die Erfinder haben gefunden, dass die Einführung der mit oberflächenaktiven Stoffen beschichteten Partikel in die negativen Elektrode die Gesamtstromtragfähigkeit der Elektrode erhöht, insbesondere der mit oberflächenaktiven Stoffen beschichteten Kohlenstoffpartikel, wie in der US-Patentanmeldung mit der Nummer 12/852.345 und dem Titel ”Negative Zinkelektrode mit Karbonfaser” von Jeffrey Phillips beschrieben worden ist, welche am 6. August 2010 eingereicht worden ist und die hierin durch Bezugnahme für alle Zwecke aufgenommen wird.
  • Wie erwähnt worden ist, kann eine Aufschlämmung/eine Paste, welche eine stabile Viskosität aufweist und mit welcher einfach während der Herstellung der Zinkelektrode gearbeitet kann werden, verwendet werden, um die negative Zinkelektrode herzustellen. Solche Aufschlämmungen/Pasten weisen Zinkpartikel auf, welche wahlweise beschichtet werden können, indem Blei und Zinnsalze zu einer Mischung hinzugefügt werden, welche Zinkpartikel, ein Verdickungsmittel und eine Flüssigkeit wie zum Beispiel Wasser enthält. Die Bestandteile wie zum Beispiel ein Zinkoxid (ZnO), ein Wismut-Oxid (Bi2O3), ein Dispersionsmittel und ein Bindemittel wie zum Beispiel Teflon werden ebenfalls hinzugefügt. Die Bindemittel, welche für diesen Gesichtspunkt geeignet sind, beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf: P. T. F. E., Styrol-Butadien-Kautschuk, Polystyrol und HEC. Die Dispersionsmittel, welche für diesen Gesichtspunkt geeignet sind, beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf: eine Seife, ein organisches Dispersionsmittel, ein Dispersionsmittel eines Ammoniumsalzes, ein Dispersionsmittel eines Wachs. Ein Beispiel eines im Handel erhältlichen Dispersionsmittels in Übereinstimmung mit diesem Gesichtspunkt der Erfindung ist NopcosperseTM (Handelsname für eine Reihe von flüssigen Dispersionsmitteln, welche von Nopco Paper Technology Australia Pty Ltd. erhältlich sind). Die Flüssigkeiten für diesen Gesichtspunkt beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf: Wasser, Alkohole, Ether und Mischungen davon.
  • Aufbau der Zelle
  • Die offenbarten Verfahren und Systeme können über einen weiten Bereich an Abmessungen und Formaten der Nickel-Zink-Zellen ausgeführt werden. Zum Beispiel können die hier dargestellten Ausführungsbeispiele sowohl prismatische Zellenformate als auch verschiedene größere Formate von zylindrischen Zellen verwenden, welche für nicht-portable Anwendungen eingesetzt werden. Die Anforderungen an die Kapazität für die Anwendungen bei Fahrzeugen können prismatische Batterien erfordern. Die Anforderungen für die USV-Anwendungen sind manchmal niedriger, so dass in einigen Fällen zylindrische Zellen verwendet werden können.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen kann das Innere des Zellenbehälters oder einer anderen Strukturkomponente der Zelle mit einem Material beschichtet werden, um die Rekombination von Wasserstoff zu unterstützen. Jedes Material, das die Rekombination von Wasserstoff katalysiert, kann verwendet werden. Ein Beispiel für ein solches Material ist Silberoxid.
  • Obwohl die Zelle im Allgemeinen gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, kann es der Zelle erlaubt werden, die Gase zu entlüften, welche während der Beladung und der Entladung der Batterie erzeugt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist eine Nickel-Zink-Zelle ausgestaltet, bei diesem Druck und sogar noch höher (wie zum Beispiel bis zu ungefähr 300 psi (Pfund pro Quadratzoll)) zu arbeiten, ohne dass sie entlüftet zu werden braucht. Dies kann die Rekombination von Sauerstoff und Wasserstoff fördern, welche innerhalb der Zelle erzeugt werden. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist die Zelle ausgestaltet, um einen inneren Druck von bis zu ungefähr 450 psi und sogar bis zu ungefähr 600 psi zu halten. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Nickel-Zink-Zelle ausgebildet, um die Gase bei relativ niedrigen Drücken zu entlüften. Dies kann geeignet sein, wenn die Ausgestaltung die kontrollierte Freisetzung von Wasserstoff und/oder Sauerstoffgasen ohne ihre Rekombination innerhalb der Zelle fördert. Einige Details der Struktur einer Entlüftungskappe und der Platte sowie des Trägersubstrats selbst werden in den folgenden Patentanmeldungen gefunden, die hierin durch Bezugnahme für alle Zwecke aufgenommen sind: die internationale Patentanmeldung mit der Nummer PCT/US2006/015.807, welche am 25. April 2006 eingereicht worden ist, und die internationale Patentanmeldung mit der Nummer PCT/US2004/026859, welche am 17. August 2004 eingereicht worden ist (Veröffentlichung WO 2005/020353 A3 ).
  • Beispiel-Implementierung
  • Bei einigen Mikrohybrid-Systemen weist die Batteriepackung 7 Nickel-Zink-Batterien auf und bei anderen Mikrohybrid-Systemen weist die Batteriepackung 8 Nickel-Zink-Batterien auf. Einige Einzelheiten zu Beispielen der Implementierung folgen:
    Packung mit 8 Zellen: – das Beladen kann auf bis zu 15,2 Volt gehen (höher bei niedrigeren Temperaturen, zum Beispiel bis auf 15,5 Volt) – das Erhaltungsladen kann auf bis zu 13,8 Volt gehen (und auf bis zu 14,8 Volt bei einigen Implementierungen), was im Einklang mit der Spannung steht, welche für die Kabinenelektronik bei vielen Ausgestaltungen für Fahrzeuge akzeptiert wird.
    Packung mit 7 Zellen: – das Beladen bis auf 13,5 Volt (obwohl höhere Spannungen für eine kurze Zeit akzeptabel sein können, um Einschaltströme mit 200 A zu ermöglichen) – das Erhaltungsladen bis auf 12,95 Volt.
  • Die Spannungen für das Erhaltungsladen werden wahlweise mit einem digital gesteuerten Regler auferlegt.
  • Die Batterie wird zwischen 75 bis 85% Ladezustand gehalten
  • Wiederaufladen mit 100 bis 75 A, begrenzt durch die Ausgangsspannung/den Ausgangsstrom der Lichtmaschine
  • Aufladen der Batterie auf 80% Ladezustand in 4 Sekunden bei 13 V nach 20 sec und 15 A Abfluss Elektrische Kennlinien
    Nennspannung 1,65 V
    Typische Kapazität1 40 Ah
    Minimale Kapazität1 39 Ah
    AC Impedanz (1 kHz bei 100% SOC) < 0,6 mΩ
    DC Interner Widerstand (400 A × 10 s Puls bei 50% SOC) < 1,2 mΩ
    Gravimetrische Energiedichte 65 Wh/kg
    Volumetrische Energiedichte 125 Wh/l
    Gravimetrische Leistungsdichte 860 Wh/kg
    Volumetrische Leistungsdichte 1725 Wh/l
    1) bei 25°C mit 1 C Rate der Entladung und dem vom Hersteller empfohlenen Ladealgorithmus Betriebsparameter
    Empfohlener Ladealgorithmus bei 25°C 40 A Ladestrom bis 1,9 V
    1,9 V Ladespannung bis 2 A
    Empfohlener Ladestrom (bei 25°C bis 1,9 V) 40 A
    Kontinuierlicher Ladestrom bei (25°C bis 1,9 V) 160 A
    Maximaler Ladestrom Spitze (< 80% SOC, 10 s, < 160 A Mittel.) 400 A
    Empfohlener Schwellenwert Entladespannung 1,1 V
    Empfohlener Schwellenwert Entladespannung Spitze 0,8 V
    Empfohlener kontinuierlicher Entladestrom (bei 25°C bis 1,1 V) bis zu 120 A
    Maximaler kontinuierlicher Entladestrom (bei 25°C bis 1,1 V) bis zu 400 A
    Maximaler Entladestrom Spitze (30 s, bei 25°C bis 0,8 V) 600 A
    Betriebstemperatur –30°C bis +65°C
    Empfohlene Ladetemperatur 0°C bis 40
    Empfohlene Lagerungstemperatur (kurzfristig) –30°C bis +65°C
    Empfohlene Lagerungstemperatur (langfristig) 0°C bis +40°C
  • Weitere Ausführungsbeispiele
  • In Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein System (zum Beispiel eine Batterieverwaltungseinheit BMU) für Nickel-Zink-Zellen bereitgestellt, damit diese Zellen eine oder mehrere Funktionen einer Batteriepackung in einer unterbrechungsfreien Stromversorgung USV oder in einem Mikrohybridfahrzeug bedienen können. In einigen Fällen arbeitet das System sowohl bei Nickel-Zink-Zellen als auch bei Blei-Säure-Zellen, obwohl diese Zellen sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen wird dies durch eine Übertragung von einem Batterietyp-ID-Code an die Motorsteuereinheit ECU erreicht: einen Code für die Blei-Säure-Batterien und einen anderen Code für die Nickel-Zink-Batterien. Die Motorsteuereinheit ECU kann einen Algorithmus zum Beispiel für die Nickel-Zink-Batterien und einen anderen Algorithmus für die Blei-Säure-Batterien verwenden. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel verwendet die Motorsteuereinheit ECU einen einzigen Algorithmus für jede der zwei Batterietypen. Zum Beispiel weist die Motorsteuereinheit ECU nur einen Algorithmus für die Blei-Säure-Batterien auf. In solchen Fällen kann die Batterieverwaltungseinheit BMU fordern, die der Motorsteuereinheit ECU zugeführten Batterieparameter einzustellen. Die Batterieverwaltungseinheit BMU ändert bestimmte Betriebskennzeichen der Nickel-Zink-Parameter ab, bevor diese an die Motorsteuereinheit ECU ausgegeben werden. Als ein Beispiel kann die Nickel-Zink-Batterie einen 40% Ladezustand aufweisen, aber die Batterieverwaltungseinheit BMU gibt an die Motorsteuereinheit ECU aus, dass sie einen 60% Ladezustand aufweist. Bei diesem Beispiel, wenn die Blei-Säure-Batterie eine 40% Ladezustand aufweist, würde die Motorsteuereinheit ECU anweisen, dass der Motor nicht anhalten wird, bis die Blei-Säure-Batterie auf einen 60% Ladezustand aufgeladen worden sind. Jedoch können die Nickel-Zink-Batterien ihre Funktionen ausreichend bei einem 40% Ladezustand ausführen, so dass es für den Algorithmus der Motorsteuereinheit ECU unpassend wäre, die Entscheidung für das Laden der Batterie auf der Grundlage eines 40% Ladezustand für eine Nickel-Zink-Batterie zu fällen, welche die Motorsteuereinheit ECU nicht versteht.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann die Batterieverwaltungseinheit BMU die Spannung oder den Strom modifizieren, welcher von der Lichtmaschine an die Batterien vorgesehen ist. Dies ermöglicht es der Batterieverwaltungseinheit BMU, die Batterien vor einer Überladung und anderen Problemen zu schützen, die aus den Annahmen der Motorsteuereinheit ECU entstehen können, welche mit einem anderen Batterietyp arbeitet.
  • Das Vorstehende beschreibt die vorliegende Erfindung und ihre gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiele. Zahlreiche Abänderungen und Abwandlungen in der Praxis der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann durchführen. Solche Abänderungen und Abwandlungen sind innerhalb des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche. Die gesamten Offenbarungen aller hierin zitierten Referenzen werden durch Bezugnahme für alle Zwecke aufgenommen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (22)

  1. Steuerung zum Steuern des Ladezustands von einer oder von mehreren Nickel-Zink-Batterien in einer Batteriepackung (153) für ein System (151), welches (a) eine separate Energiequelle (103), die in Verbindung mit der Batteriepackung (153) arbeitet, sowie (b) einen Volllademodus und einen Erhaltungslademodus aufweist, wobei die Steuerung aufweist: eine Kommunikationsschnittstelle zu einer Kommunikation mit einer Lichtmaschine und/oder einer Motorsteuereinheit, und eine Logik für (i) ein Bestimmen, dass sich der Ladezustand der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung (153) unter einem vorbestimmten Niveau befindet, welches dem Volllademodus zugeordnet ist, (ii) ein Anlegen einer Ladung an die Batteriepackung (153), während das System sich in dem Volllademodus befindet, mit einer ersten Spannung, um die eine oder die mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung (153) auf einen vollständig geladenen Zustand zu laden, wobei die Ladung an den vollständig geladenen Zustand von der separaten Energiequelle bereit gestellt wird, und (iii) nachfolgend, während das Systems in dem Erhaltungslademodus arbeitet, ein Anlegen einer Ladung an die Batteriepackung (153) bei einer zweiten Spannung, um die eine oder die mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung (153) in einem Erhaltungsladezustand zu halten, wobei die Ladung an den Erhaltungsladezustand von der separaten Energiequelle bereitgestellt wird, und wobei die Höhe der zweiten Spannung unter der Höhe der ersten Spannung liegt.
  2. Steuerung nach Anspruch 1, wobei die Steuerlogik weiterhin ausgestaltet oder konfiguriert ist, um vor (ii) zu bestimmen, dass die separate Stromquelle betriebsbereit ist.
  3. Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Spannung zwischen ungefähr 1,87 und 1,95 Volt liegt.
  4. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Spannung zwischen ungefähr 1,75 und 1,87 Volt liegt.
  5. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerlogik weiterhin ausgestaltet oder konfiguriert ist für ein Bestimmen der Temperatur der Batteriepackung (153) und/oder der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung (153), und ein Berechnen des vollständig geladenen Zustands als eine Funktion der Temperatur.
  6. Steuerung nach Anspruch 5, wobei das Berechnen des vollständig geladenen Zustands ein Auswerten der folgenden Gleichung aufweist: Spannung (vollständig geladen) = 1,9 – 0,002·(Temperatur in Celsius – 22).
  7. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerlogik weiterhin ausgestaltet oder konfiguriert ist für ein Bestimmen der Temperatur der Batteriepackung (153) und/oder der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung (153), und ein Berechnen des Erhaltungsladezustands als eine Funktion der Temperatur.
  8. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuerlogik weiterhin ausgestaltet oder konfiguriert ist für ein Laden der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung (153) in den vollständig geladenen Zustand in (ii) mit einer Rate von mindestens etwa 1 C.
  9. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuerlogik weiterhin ausgestaltet oder konfiguriert ist für ein Laden der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien der Batteriepackung (153) in den Erhaltungsladezustand in (iii) mit einer Rate von mindestens etwa 1 C.
  10. System (151) aufweisend: ein Batteriepackung (153), eine separate Energiequelle (103), die in Verbindung mit der Batteriepackung (153) arbeitet, einen Volllademodus und einen Erhaltungslademodus sowie eine Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. System nach Anspruch 10, wobei die separate Energiequelle (103) ein Verbrennungsmotor ist.
  12. System nach Anspruch 10, wobei die separate Energiequelle (103) eine Wechselstromquelle ist.
  13. System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Steuerlogik weiterhin ausgestaltet oder konfiguriert ist für ein Bereitstellen der Ladung von der separaten Energiequelle (103), um die eine oder die mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung (153) in (ii) und/oder in (iii) zu laden, wobei die Steuerlogik weiterhin ausgestaltet oder konfiguriert ist für ein Bereitstellen von Leistung von der separaten Energiequelle (103) an eine Lichtmaschine (163), die elektrisch mit der Batteriepackung (153) gekoppelt ist.
  14. System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das System ein elektrisches System eines Fahrzeugs ist.
  15. System nach Anspruch 14, wobei die Steuerlogik weiterhin ausgestaltet oder konfiguriert ist für vor (i) ein Entladen der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung (153) unter das vorbestimmte Niveau, welches dem Volllademodus zugeordnet ist, wobei die Steuerlogik weiterhin ausgestaltet oder konfiguriert ist, dass das Entladen durchgeführt wird, um eine elektrische Funktion für das Fahrzeug durchzuführen.
  16. System nach Anspruch 15, wobei die elektrische Funktion ein Kaltstarten eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs, eine Stromversorgung der Elektronik der Fahrgastkabine des Fahrzeugs, und/oder ein Einschalten der Servolenkung des Fahrzeugs aufweist.
  17. System nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Steuerlogik weiterhin ausgestaltet oder konfiguriert ist für vor (iii) ein teilweises Entladen der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung (153), um die elektrische Funktion für das Fahrzeug durchzuführen.
  18. System nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei das System eine unterbrechungsfreie Stromversorgung ist.
  19. System nach Anspruch 18, wobei die Steuerlogik weiterhin ausgestaltet oder konfiguriert ist für vor (i) ein Entladen der einen oder der mehreren Nickel-Zink-Batterien in der Batteriepackung (153) unter das vorbestimmte Niveau, welches dem Volllademodus zugeordnet ist, wobei die Steuerlogik weiterhin dafür ausgestaltet oder konfiguriert ist, dass das Entladen durchgeführt wird, um eine Ersatzleistung für die separate Stromquelle bereitzustellen.
  20. System nach einem der Ansprüche 10 bis 19, wobei die Batteriepackung (153) genau 7 Batterien enthält.
  21. System nach einem der Ansprüche 10 bis 19, wobei die Batteriepackung (153) genau 8 Batterien enthält.
  22. System nach einem der Ansprüche 10 bis 21, wobei die Steuerung durch eine Batteriemanagementeinheit, eine Motorsteuereinheit und/oder eine digital gesteuerte Lichtmaschine implementiert ist.
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R081 Change of applicant/patentee

Owner name: ZINCFIVE POWER, INC., TUALATIN, US

Free format text: FORMER OWNER: POWERGENIX SYSTEMS, INC., LA JOLLA, CALIF., US

R082 Change of representative

Representative=s name: WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UN, DE

R151 Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years
R152 Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years
R071 Expiry of right