WO2016030137A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern eines ladevorgangs einer mehrzahl von elektrochemischen energiespeichereinrichtungen sowie verfahren und vorrichtung zum durchführen eines ladevorgangs einer mehrzahl von elektrochemischen energiespeichereinrichtungen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum steuern eines ladevorgangs einer mehrzahl von elektrochemischen energiespeichereinrichtungen sowie verfahren und vorrichtung zum durchführen eines ladevorgangs einer mehrzahl von elektrochemischen energiespeichereinrichtungen Download PDF

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WO2016030137A1
WO2016030137A1 PCT/EP2015/067767 EP2015067767W WO2016030137A1 WO 2016030137 A1 WO2016030137 A1 WO 2016030137A1 EP 2015067767 W EP2015067767 W EP 2015067767W WO 2016030137 A1 WO2016030137 A1 WO 2016030137A1
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charging
energy storage
storage devices
group
voltage
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PCT/EP2015/067767
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Jens Becker
Michael Rueger
Triantafyllos Zafiridis
Andre Boehm
Marcus BOEGE
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019—Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/48—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0024—Parallel/serial switching of connection of batteries to charge or load circuit

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling a charging process of a plurality of electrochemical energy storage devices connected to a common charging device, to a method for performing a charging process of a plurality of electrochemical devices connected to a common charging device
  • CCCV constant current constant voltage
  • IU charging method constant-current constant-voltage charging method
  • US 2013/0187602 Al describes a charger for a battery.
  • a plurality of electrochemical energy stores may be used to avoid a sequential one
  • Charging strategy advantageously at least partially loaded in parallel. This can be done, for example, in connection with a charging installation, which makes it possible to connect several electrochemical energy stores simultaneously or in parallel and to connect them in any combination with the charging circuit.
  • electrical properties of the electrochemical energy storage can be taken into account as conditions, monitored and adhered to.
  • an at least partially parallel charging method can be used for time-optimized and / or gentle charging of electrochemical energy stores or batteries. For example, a total charge time of several batteries to be charged can be reduced, a life of batteries to be charged can be increased and can be a utilization of a
  • a charging group in the first-mentioned step of determining, can be formed from, for example, two energy storage devices, and in the first-mentioned step of generating, a control signal can be generated with which the charging device is controlled such that the two
  • Energy storage devices are loaded in parallel.
  • the previous charging group can be changed, for example, a further energy storage device can be added, so that a new charging group results, which is now three
  • Energy storage devices comprises. In the repeated step of generating a new control signal can now be generated with the same
  • the mentioned steps of determining and generating can be carried out repeatedly, for example, until all are connected to the common one
  • Charging device connected energy storage devices are charged.
  • An electrochemical energy store may be a galvanic or electrochemical secondary cell, a battery cell, a battery or an accumulator.
  • An electrochemical energy store may be a so-called battery pack with a plurality of battery cells,
  • An electrochemical energy store may also be part of a battery pack with a plurality of electrochemical energy stores.
  • the electrical property can be used as a selection criterion for selecting energy storage devices.
  • the method may include a step of detecting the at least one electrical characteristic of at least one of the plurality of energy storage devices. This can be considered the electric
  • Characterized a state of charge, an electrical voltage, an internal resistance, a capacitance, a cell chemistry, a charging voltage, a maximum charge voltage and / or a maximum charge current of the plurality of energy storage devices are detected.
  • the step of detecting may be sequential during the charging process be executed repeatedly.
  • the at least one electrical property can be negotiated with the electrochemical energy storage and / or determined by measuring.
  • Framework conditions can be formed, which have the at least one detected electrical property.
  • the charging process can be carried out particularly efficiently with regard to time and energy requirements.
  • Minimum voltage energy storage device can in this case a minimum electrical voltage and additionally or alternatively a lowest
  • the repeating the step of determining can be carried out when the end of charge voltage of at least one energy storage device is reached in the charging group.
  • the charging group to the at least one energy storage device whose
  • Property is an electrical voltage
  • repeating the step of determining can be carried out when the electrical voltage of the at least one energy storage device in the charging group reaches an electrical voltage of at least one charging group external energy storage device.
  • the charging group can be around the at least one charging group-external energy storage device whose electrical voltage is reached by the at least one energy storage device in the charging group, are increased.
  • the method may include a step of grouping the plurality of energy storage devices using at least one electrical characteristic of the plurality of energy storage devices into a first terminal group for connection to a first charging circuit
  • the plurality of energy storage devices may be used using at least one electrical characteristic of the plurality of energy storage devices
  • Energy storage devices are grouped into at least one further connection group for connection to at least one further charging circuit of the charging device.
  • the at least one electrical property can in this case represent a selection criterion and / or grouping criterion.
  • the method can be carried out in conjunction with a charging device having at least two charging circuits.
  • Load distribution or power distribution can be loaded better balanced. By grouping can be achieved that a charging current as evenly as possible or proportional to the
  • first charge groups from at least one energy storage device of the first connection group and second charge groups from at least one energy storage device of the second connection group can be determined. Accordingly, in the steps of generating control signals for output to the first charging circuit of Charger and other control signals for output to the second
  • Charging circuit of the charging device are generated. In this way, two charging groups can be charged in parallel at the two charging circuits.
  • the method can be extended in a corresponding manner to further charging circuits.
  • a plurality of electrochemical energy storage devices connected to a common charging device are presented, wherein the
  • the method of performing is thus in connection with a
  • the at least one control signal can, for example, cause a first voltage limit to be approached and kept constant until one
  • Energy storage device is fully charged with the lowest maximum voltage. Thereafter, this energy storage device can be disconnected from the charging device.
  • the at least one control signal can, for example, also cause a next higher voltage limit to be approached. In other words, in this case, first the energy storage device with the lowest voltage can be charged to a voltage level of the energy storage device with the second lowest voltage. If both
  • Energy storage devices have reached a comparable potential, they can be connected in parallel and charged together to the potential of the energy storage device with the third lowest voltage. Also, this energy storage device with the third lowest voltage can then be connected in parallel to the other two. This procedure can be repeated until, for example, the plurality of
  • Energy storage devices are connected in parallel.
  • the procedure can be applied, for example, inversely analogous when reaching end of charge voltages of the energy storage devices.
  • the energy storage devices can be separated from the charger and the
  • Charging voltage gradually be increased as needed to fully charge the remaining energy storage devices.
  • the approach presented here also provides a control unit which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
  • a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and, as a function thereof, controls and / or
  • the control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces may be part of a so-called system ASIC, which performs various functions of the system
  • Control unit includes.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • a system for charging a plurality of electrochemical energy storage devices having the following features: an embodiment of the aforementioned control device; and a charging device for at least partially parallel charging of the plurality of electrochemical energy storage devices, wherein the charging device has an interface to the control device and at least one charging circuit, wherein the charging device via the interface
  • the charging device may in particular also have a plurality of charging circuits.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
  • FIG. 1 is a schematic representation of a charging system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flow chart of a method of controlling a charge in accordance with an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a flowchart of a method for performing a
  • FIGS. 4A to 5B show various charging diagrams of charging processes for electrochemical energy storage devices.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a charging system 100 or system for charging a plurality of electrochemical energy storage devices according to an embodiment of the present invention.
  • the charging system 100 has a control unit 110 with a
  • the control unit 110 and the charging device 120 of the charging system 100 are connected to one another in a data-transfer-capable manner by means of the bidirectionally executed interface 116.
  • electrochemical energy storage devices 132, 134, 136 and 138 are shown, which are electrically conductively connected to connection points of the charging system 100 and to the charging device 120.
  • Energy storage devices 132, 134, 136, and 138 may be associated with a vehicle that is connected to the charging system 100 to charge its energy storage device 132, 134, 136, and 138.
  • the controller 110 is configured to use the
  • Charger 120 performed charging of the plurality of
  • electrochemical energy storage devices 132, 134, 136 and 138 are electrochemical energy storage devices 132, 134, 136 and 138.
  • control unit 110 is designed to provide, via the interface 116 and the charging device 120, at least one electrical characteristic of at least one energy storage device of the plurality of Energy storage devices 132, 134, 136 and 138 read.
  • the at least one electrical property is, for example, a state of charge, an electrical voltage, an internal resistance, a capacitance, a cell chemistry, a charging end voltage, a maximum permissible charging voltage and additionally or alternatively a maximum permissible voltage
  • the determination device 112 of the control device 110 is designed to use the at least one electrical property
  • Energy storage devices 132, 134, 136 and 138 includes.
  • the charging group includes the energy storage devices 132, 138.
  • the determining device 112 is configured to provide the generation device 114 with information regarding the charging group.
  • the generation device 114 of the control device 110 is designed to read in or receive the information regarding the charge group from the determination device 112. Also, the generator 114 is configured to generate a first control signal for output to the interface 116. The first control signal is designed to control the charging device 120 in such a way that parallel charging in the charging group
  • an electrical property of the energy storage devices 132, 138 of the charging group may change.
  • the determination device 112 is designed to continuously update the current electrical properties of the
  • Energy storage devices 132, 134, 136 and 138 to receive and based on the current characteristics of a composition of
  • Determining means 112 is configured to determine, using the current characteristics of the energy storage devices 132, 134, 136 and 138, a changed charge group, which now additionally the Energy storage devices 134, 136 includes. Furthermore, the determination device 112 is designed to provide the generation device 114 with information regarding the changed charge group. The generating device 114 is configured accordingly to generate a modified control signal adapted to the changed charging group and to output it to the interface 116. In this case, the modified control signal is designed to allow parallel charging of the energy storage device 132, 134, 136, 138 contained in the modified charging group by means of the
  • the control unit 110 is thus designed to group the energy storage devices 132, 134, 136, 138 chronologically successively into different charging groups and to charge the energy storage devices 132, 134, 136, 138 located in the respective charging groups suitable control signals to the
  • the energy storage devices 132, 134, 136, and 138 are automotive batteries installed in vehicles. In purely electric vehicles, for example, energy storage devices
  • Hybrid vehicles can for example a
  • the charging device 120 may have a charging device 140 with a single charging circuit 142 or with a plurality of charging circuits 142, 144.
  • a charging device 140 with a single charging circuit 142 or with a plurality of charging circuits 142, 144.
  • two charging circuits 142, 144 are shown in FIG.
  • Energy storage devices 132, 134, 136 and 138 are divided into two terminal groups, wherein energy storage devices 132, 134, 136 and 138 of the first charging group via the first charging circuit 142 and
  • the Charging circuits 142, 144 are formed to the plurality of
  • the first charging circuit 142 is configured to provide a constant current high current charge in a low current state
  • the second charging circuit 144 is as a
  • Low-current charging circuit configured to pre-charge a group of energy storage devices 132, 134, 136, 138 to a
  • a corresponding discharge can be carried out, for example, for diagnostic purposes.
  • a discharge charge i. the final charging operation is performed, which can not usually be performed with high current, but is described by the range in which the current decreases logarithmically, since the pack voltage reaches the end-of-charge voltage.
  • Charging system 100 have a different number of charging circuits of the charging device 140 and / or a suitable number of connection points for connecting a different with respect to FIG. 1 number of energy storage devices.
  • controller 110 may also be part of
  • Charger 120 or may be together with the charger 120 part of a common device.
  • FIG. 2 shows a flow chart of a method 200 for controlling a charging process of a plurality of electrochemical energy storage devices connected to a common charging device according to an exemplary embodiment of the present invention. According to the embodiment of the present invention shown in FIG. 2, the
  • Method 200 thereby in possible steps of detecting 210, grouping 220, determining 230, generating 240, detecting 210, Repeating 250 of determining and re-executing 260 the generating.
  • the method 200 for controlling a charging operation can advantageously be carried out using or in conjunction with the charging system from FIG. 1.
  • one or more electrical properties of one or more energy storage devices are detected.
  • a state of charge, an electrical voltage, an internal resistance, a capacitance, a cell chemistry, a charge end voltage, a maximum allowable charge voltage and additionally or alternatively a maximum allowable charge current of the plurality of energy storage devices can be detected as an electrical property.
  • the electrical property of an energy storage device can be detected, for example, by evaluating an electrical signal transmitting information about the electrical property.
  • Step 210 may be omitted if the required electrical
  • the optional step 220 of grouping may be executed if more than one
  • step 220 of grouping the
  • Energy storage devices for example, in a first connection group to
  • a charge group is determined which comprises at least one energy storage device of the plurality of energy storage devices.
  • the charging group is determined using at least one electrical property of the energy storage devices. If step 220 has been executed, one charge group can be determined per connection group.
  • a first control signal is generated for output to an interface to the charging device. This is the first one
  • Control signal formed in order to effect at least partially parallel charging of the combined energy storage devices in the charging group.
  • step 220 If step 220 has been executed, one control signal can be generated per connection group. This allows parallel loading of
  • step 210 of the capture is optionally executable again.
  • step 210 of detecting an electrical property of a
  • Energy storage device to be detected for example, a continuous measurement or information acquisition with respect to current limits,
  • a charging group can be determined in which the superheated energy storage device is no longer contained.
  • the current load group may thus be in its
  • composition to be changed Such a change of
  • Composition of the charging group may also be useful when new energy storage devices are connected to the charging device or removed.
  • step 250 of retry the already described step 230 may be executed again to change a modified load group having a changed number of times with respect to the existing load group
  • the modified charging group can be determined using at least one electrical property of at least one of the plurality of energy storage devices.
  • step 260 of re-executing the already described step 240 of generating may be performed again to generate a modified control signal for output to the interface to the loader.
  • the modified control signal is designed to charge the
  • steps 250, 260 in particular may be repeatedly executed to determine a new composition of the charging group in response to changing electrical characteristics of the energy storage devices, and one suitable for charging the respective energy storage devices To provide control signal.
  • step 230 of the determination for example, energy storage device with the lowest charging voltage are combined into a charging group.
  • Charging group were increased up to a predetermined intermediate voltage.
  • FIG. 3 shows a flowchart of a method 300 for performing a charging process of a plurality of to a common charging device connected, electrochemical energy storage devices according to an embodiment of the present invention.
  • the method 300 for performing a charging process is advantageously feasible in connection with the method for controlling from FIG. 2. Also, the method 300 of performing a charge using or in conjunction with the
  • the method 300 includes a step 310 of performing at least some of the steps of the method of FIG. 2 to determine at least one charge group of energy storage devices and to provide at least one control signal for charging the energy storage devices of the charge group.
  • the control signal is used to control the
  • the loading step 320 may be performed, for example, using the loader described with reference to FIG.
  • FIG. 4A shows a charging diagram 400 of a charging process for electrochemical energy storage devices.
  • the position diagram 400 shown in FIG. 4A shows a sequential charging process of two identically constructed batteries or energy storage devices with different capacity and different state of charge, for 100s2p and 100s3p.
  • the illustration in FIG. 4A is hereby schematic and neither to scale nor to the detail.
  • the charging diagram 400 is shown as a Cartesian coordinate system, wherein the time t is plotted on an abscissa axis of the charging diagram 400 and both electrical voltage U and electric current I are plotted on an ordinate axis.
  • a graph U 0 represents a course of a charging voltage of the first
  • a graph Ui represents a course of a charging voltage of the second Energy storage device and represents a graph Ii a course of a charging current of the second energy storage device.
  • Fig. 4A the usual charging method is shown, which is based on a person transforming or infecting the batteries one after the other.
  • FIG. 4B an improved charging method will be described with reference to FIG. 4B, in which batteries can be automatically combined to form charging groups.
  • FIG. 4B shows a charging diagram 450 of a charging process for electrochemical energy storage devices.
  • the location diagram 450 shown in FIG. 4B shows a parallel charging process of two identically constructed batteries or energy storage devices with different capacity and different state of charge, e.g. 100s2p and 100s3p.
  • the representation in FIG. 4B here is schematic and neither true to scale nor true to detail.
  • the charging diagram 450 is represented as a Cartesian coordinate system, wherein the time t is plotted on an abscissa axis of the charging diagram 450 and both electrical voltage U and electric current I are plotted on an ordinate axis.
  • the charging process illustrated in charging diagram 450 results, for example, when one of the methods of FIGS. 2 and 3 is carried out using the charging system of FIG. 1.
  • Both are up to a first time ti and between the first time ti and a subsequent second time t 2
  • a graph U 0 / Ui represents a profile of a common charging voltage of the two energy storage devices and represents a graph l 0 + li a course of a common charging current of the two energy storage devices.
  • loading of the charging group takes place, for example, up to the first time t.sub.i, the second energy storage device in this case being a member of the charging group.
  • a loading of the changed charging group takes place, wherein in addition to the second
  • FIG. 5A shows a charging diagram 500 of a charging process for electrochemical energy storage devices.
  • the location diagram 500 shown in FIG. 5A shows a sequential charging process of two different batteries or energy storage devices with different capacitance, charge end voltage and different state of charge, eg. B. LiNiCoAl and
  • the charging diagram 500 is represented as a Cartesian coordinate system, wherein the time t is plotted on an abscissa axis of the charging diagram 500, and both electrical voltage U and electric current I are plotted on an ordinate axis.
  • a graph U 0 represents a course of a charging voltage of the first
  • Energy storage device and represents a graph l 0 a course of a charging current of the first energy storage device.
  • a second energy storage device is charged up to a voltage limit U max> i.
  • a graph Ui represents a course of a charging voltage the second energy storage device and represents a graph Ii a course of a charging current of the second energy storage device.
  • FIG. 5B shows a charging diagram 550 of a charging process for electrochemical energy storage devices. In particular, this is shown in FIG. 5B
  • the charging diagram 550 is represented as a Cartesian coordinate system, wherein the time t is plotted on an abscissa axis of the charging diagram 550 and an electrical axis U and electrical current I are plotted on an ordinate axis.
  • the charging process illustrated in the charging diagram 550 results, for example, when one of the methods from FIGS. 2 and 3 takes effect
  • the voltage limit U max> 0 has a second energy storage device, the voltage limit U max> i.
  • Charging voltage of a first energy storage device Charging voltage of a first energy storage device, a graph l 0 of a course of a charging current of the first energy storage device, a graph Ui a curve of a charging voltage of a second energy storage device and a graph of a curve Ii a charging current of the second
  • the graph U 0 of the course of the charging voltage of the first energy storage device and the graph Ii of the course of the charging current of the second energy storage device overlapping as a graph UQ / II are located.
  • the first time ti becomes the second Energy storage device charged to a voltage limit corresponding to a value of the charging voltage U 0 of the first energy storage device.
  • the two energy storage devices are brought to an equal potential.
  • Voltage limit U max> i charged the second energy storage device.
  • the two energy storage devices are further charged together in parallel with the common charging voltage UQ / U I at the voltage limit U max> i until the second energy storage device is charged.
  • loading of the charging group takes place, for example, up to the first time t.sub.i, the second energy storage device in this case being a member of the charging group.
  • a loading of the modified charging group takes place with reference to FIG. 1
  • Electrochemical energy storage devices 132, 134, 136 and 138 represent a selection and / or grouping criterion for controlling and possibly also for carrying out the charging process.
  • the at least one electrical property is, for example, a
  • the at least one electrical property comprises a maximum permissible charging current. This is also specified and communicated to maintain the guaranteed lifetime, for example, by the battery management system of the respective energy storage device.
  • the at least one electrical property represents a cell internal resistance and / or a capacitance. These parameters determine a charging current distribution between parallel-connected energy storage devices and are, for example, either by the battery management system of the respective
  • Energy storage device communicates or measured or estimated by the charging system or charger.
  • energy storage devices 132, 134, 136 and 138 or batteries with different electrical properties, such as
  • a significant advantage here is that in a charging system 100 or a
  • Charging devices 140 are necessary, which cause high hardware costs in their individual execution, but only such a power amplifier with higher performance. Since many components can be saved and the
  • the entire charging system 100 can be realized significantly cheaper and more compact.
  • the charging system 100 for charging energy storage devices 132, 134, 136 and 138, in particular battery packs advantageously more than one
  • Frame parameters of the at least one installed charging circuit 142, 144 can be adjustable.
  • Energy storage devices 132, 134, 136 and 138 are available without the above limitations.
  • a fast charge can sometimes be performed, i. H. a charge with high capacity relative to cell capacity in a short time. This is particularly necessary if several batteries are to be charged within a predetermined time, but this can only be done sequentially.
  • Energy storage devices 132, 134, 136 and 138 needs to be spent. In time-critical applications, for example, more energy can be transmitted and stored in the same time than it is stored in a single time
  • the sum of the energy storage devices 132, 134, 136 and 138 can thus in particular at substantially the same load of
  • Energy storage devices 132, 134, 136 and 138 are charged faster.
  • the energy storage devices 132, 134, 136 and 138 can also be loaded more gently, for example, with a constant or only slightly reduced charging time, by focusing on the individual
  • Energy storage device calculated with less power is charged. This also causes less losses in the form of heat.
  • an exemplary embodiment comprises an "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen. Dabei weist das Verfahren (200) einen Schritt (230) des Bestimmens einer Ladegruppe aus zumindest einer Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen auf. Auch weist das Verfahren (200) einen Schritt (240) des Erzeugens eines ersten Steuersignals zur Ausgabe an eine Schnittstelle zu der Ladevorrichtung auf. Hierbei ist das erste Steuersignal ausgebildet, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der Ladegruppe mittels der Ladevorrichtung zu bewirken. Ferner weist das Verfahren (200) einen Schritt (250) des Wiederholens des Bestimmens auf, um eine veränderte Ladegruppe mit einer bezüglich der Ladegruppe veränderten Anzahl von Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen zu bestimmen. Zudem weist das Verfahren (200) einen Schritt (260) des erneuten Durchführens des Erzeugens auf, um ein zweites Steuersignal zur Ausgabe an die Schnittstelle zu der Ladevorrichtung zu erzeugen. Dabei ist das zweite Steuersignal ausgebildet, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der veränderten Ladegruppe mittels der Ladevorrichtung zu bewirken.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen sowie Verfahren und
Vorrichtung zum Durchführen eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen, auf ein Verfahren zum Durchführen eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen
Energiespeichereinrichtungen, auf entsprechende Vorrichtungen sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
An Ladeeinrichtungen zum Laden von Batteriepacks kann üblicherweise ein Akkumulator angeschlossen und geladen werden. Die anzuschließenden Akkumulatoren unterscheiden sich jedoch oft erheblich. Lithium- oder Bleibasierte Batterien können üblicherweise nach dem CCCV-Verfahren (CCCV = constant current constant voltage) bzw. Konstantstrom- Konstantspannungs- Ladeverfahren, auch als IU-Ladeverfahren bezeichnet, geladen werden.
Beispielsweise beschreibt die US 2013/0187602 AI einen Auflader für eine Batterie.
Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen
Energiespeichereinrichtungen, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein Verfahren zum Durchführen eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen, ferner eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können mehrere elektrochemische Energiespeicher zur Vermeidung einer sequenziellen
Ladestrategie vorteilhafterweise zumindest teilweise parallel geladen werden. Dies kann beispielsweise in Verbindung mit einer Ladeinstallation erfolgen, die es ermöglicht, mehrere elektrochemische Energiespeicher simultan bzw. parallel anzuschließen und in beliebiger Kombination mit der Ladeschaltung zu verbinden. Für den Ladevorgang können hierbei elektrische Eigenschaften der elektrochemischen Energiespeicher als Rahmenbedingungen berücksichtigt, überwacht und eingehalten werden.
Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung somit ein zumindest teilweise paralleles Ladeverfahren zur zeitoptimierten und/oder schonenden Ladung von elektrochemischen Energiespeichern bzw. Batterien eingesetzt werden. So kann beispielsweise eine Gesamtladedauer mehrerer zu ladender Batterien reduziert werden, kann eine Lebensdauer von zu ladenden Batterien erhöht werden und kann eine Auslastung einer
Ladeeinrichtung und damit eine Wirtschaftlichkeit erhöht werden. Es kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erreicht werden, dass sich bei dem Ladevorgang ein Ladestrom möglichst gleichmäßig bzw. proportional in Relation zu Ladestromgrenzen auf die Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen verteilt, um mit maximal zulässigem Gesamtstrom laden zu können. Ein Parallelschalten von elektrochemischen Energiespeichern kann, sofern dieselben im Wesentlichen dieselbe Spannungslage haben bzw. wenn Rahmenbedingungen beachtet werden, üblicherweise unkompliziert erfolgen.
Es wird ein Verfahren zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen
Energiespeichereinrichtungen vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bestimmen einer Ladegruppe aus zumindest einer Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen;
Erzeugen eines ersten Steuersignals zur Ausgabe an eine Schnittstelle zu der Ladevorrichtung, wobei das erste Steuersignal ausgebildet ist, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der Ladegruppe mittels der Ladevorrichtung zu bewirken;
Wiederholen des Schritts des Bestimmens, um eine veränderte Ladegruppe mit einer bezüglich der Ladegruppe veränderten Anzahl von
Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung mindestens einer elektrischen
Eigenschaft zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen zu bestimmen; und erneutes Durchführen des Schritts des Erzeugens, um ein zweites Steuersignal zur Ausgabe an die Schnittstelle zu der Ladevorrichtung zu erzeugen, wobei das zweite Steuersignal ausgebildet ist, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der veränderten Ladegruppe mittels der Ladevorrichtung zu bewirken.
Beispielsweise kann im erstgenannten Schritt des Bestimmens eine Ladegruppe aus beispielsweise zwei Energiespeichereinrichtungen gebildet werden und im erstgenannten Schritt des Erzeugens kann ein Steuersignal erzeugt werden, mit dem die Ladevorrichtung so angesteuert wird, dass die beiden
Energiespeichereinrichtungen parallel geladen werden. lm wiederholten Schritt des Bestimmens kann die bisherige Ladegruppe verändert, beispielsweise eine weitere Energiespeichereinrichtung hinzugefügt werden, sodass sich eine neue Ladegruppe ergibt, die nun drei
Energiespeichereinrichtungen umfasst. Im wiederholten Schritt des Erzeugens kann nun ein neues Steuersignal erzeugt werden, mit dem dieselbe
Ladevorrichtung nun so angesteuert wird, dass die drei
Energiespeichereinrichtungen der neuen Ladegruppe parallel geladen werden.
Die genannten Schritte des Bestimmens und Erzeugens können beispielsweise solange wiederholt ausgeführt werden, bis alle an die gemeinsame
Ladevorrichtung angeschlossenen Energiespeichereinrichtungen aufgeladen sind.
Weisen zwei Energiespeichereinrichtungen derselben Bauart denselben
Ladezustand auf, so können sie im Schritt des Bestimmens zu einer Lad zusammengefasst werden.
Bei einem elektrochemischen Energiespeicher kann es sich um eine galvanische bzw. elektrochemische Sekundärzelle, eine Batteriezelle, eine Batterie bzw. einen Akkumulator handeln. Ein elektrochemischer Energiespeicher kann ein sogenannter Batteriepack mit einer Mehrzahl von Batteriezellen sein,
beispielsweise für ein Elektrofahrzeug oder dergleichen. Ein elektrochemischer Energiespeicher kann auch Teil eines Batteriepacks mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern sein. Die elektrische Eigenschaft kann als ein Selektionskriterium zur Auswahl von Energiespeichereinrichtungen verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Erfassens der mindestens einen elektrischen Eigenschaft von zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen aufweisen. Hierbei kann als die elektrische
Eigenschaft ein Ladezustand, eine elektrische Spannung, ein Innenwiderstand, eine Kapazität, eine Zellchemie, eine Ladeschlussspannung, eine maximal zulässige Ladespannung und/oder ein maximal zulässiger Ladestrom der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen erfasst werden. Der Schritt des Erfassens kann während des Ladevorgangs zeitlich aufeinanderfolgend wiederholt ausgeführt werden. Im Schritt des Erfassens kann die mindestens eine elektrische Eigenschaft mit den elektrochemischen Energiespeichern ausgehandelt werden und/oder durch Messen ermittelt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Ladegruppe und die veränderte Ladegruppe unter Berücksichtigung von genau quantifizierbaren
Rahmenbedingungen gebildet werden können, welche die mindestens eine erfasste elektrische Eigenschaft aufweisen. Somit kann der Ladevorgang besonders effizient im Hinblick auf zeitliche und energetische Anforderungen ausgeführt werden.
Auch kann im Schritt des Bestimmens eine Ladegruppe aus zumindest einer spannungsminimalen Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen bestimmt werden. Die zumindest eine
spannungsminimale Energiespeichereinrichtung kann hierbei eine minimale elektrische Spannung und zusätzlich oder alternativ einen niedrigsten
Ladezustand der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine besonders energieeffiziente Ladestrategie zur Anwendung gebracht werden kann. Gemäß einer Ausführungsform, bei der die mindestens eine elektrische
Eigenschaft eine Ladeschlussspannung ist, kann das Wiederholen des Schritts des Bestimmens ausgeführt werden, wenn die Ladeschlussspannung zumindest einer Energiespeichereinrichtung in der Ladegruppe erreicht ist. Dabei kann die Ladegruppe um die zumindest eine Energiespeichereinrichtung, deren
Ladeschlussspannung erreicht ist, verkleinert werden. Eine solche
Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch elektrochemische
Energiespeichereinrichtungen, die unterschiedliche Maximalspannungen aufweisen, zumindest teilweise parallel geladen werden können. Gemäß einer Ausführungsform, wobei die mindestens eine elektrische
Eigenschaft eine elektrische Spannung ist, kann das Wiederholen des Schritts des Bestimmens ausgeführt werden, wenn die elektrische Spannung der zumindest einen Energiespeichereinrichtung in der Ladegruppe eine elektrische Spannung von zumindest einer ladegruppenexternen Energiespeichereinrichtung erreicht. Hierbei kann die Ladegruppe um die zumindest eine ladegruppenexterne Energiespeichereinrichtung, deren elektrische Spannung von der zumindest einen Energiespeichereinrichtung in der Ladegruppe erreicht ist, vergrößert werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen in einer nach ihrer elektrischen Spannung gestaffelten Ladestrategie besonders schonend und zugleich wirtschaftlich geladen werden können.
Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Gruppierens der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen in eine erste Anschlussgruppe zum Anschluss an eine erste Ladeschaltung der
Ladevorrichtung und in eine zweite Anschlussgruppe zum Anschluss an eine zweite Ladeschaltung der Ladevorrichtung aufweisen. Auch kann im Schritt des Gruppierens die Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen in zumindest eine weitere Anschlussgruppe zum Anschluss an zumindest eine weitere Ladeschaltung der Ladevorrichtung gruppiert werden. Die mindestens eine elektrische Eigenschaft kann hierbei ein Selektionskriterium und/oder Gruppierungskriterium repräsentieren. Dabei kann das Verfahren in Verbindung mit einer Ladevorrichtung mit zumindest zwei Ladeschaltungen ausgeführt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil eines weiter optimierten Ladeverfahrens, da
Energiespeichereinrichtungen unterschiedlicher Zellchemien und damit
Spannungslagen oder ähnlicher Kapazität gruppiert und damit, was eine
Lastverteilung bzw. Stromverteilung angeht, besser ausbalanciert geladen werden können. Durch das Gruppieren kann erreicht werden, dass sich ein Ladestrom möglichst gleichmäßig bzw. proportional in Relation zu den
Ladestromgrenzen auf die Energiespeichereinrichtungen verteilt, um mit maximal zulässigem Gesamtstrom laden zu können.
In diesem Fall können in den Schritten des Bestimmens erste Ladegruppen aus zumindest einer Energiespeichereinrichtung der ersten Anschlussgruppe und zweite Ladegruppen aus zumindest einer Energiespeichereinrichtung der zweiten Anschlussgruppe bestimmt werden. Entsprechend können in den Schritten des Erzeugens Steuersignale zur Ausgabe an die erste Ladeschaltung der Ladevorrichtung und weitere Steuersignale zur Ausgabe an die zweite
Ladeschaltung der Ladevorrichtung erzeugt werden. Auf diese Weise können zwei Ladegruppen parallel an den beiden Ladeschaltungen geladen werden. Das Verfahren kann dabei in entsprechender Weise auf weitere Ladeschaltungen erweitert werden.
Es wird auch ein Verfahren zum Durchführen eines Ladevorgangs einer
Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen vorgestellt, wobei das
Verfahren folgende Schritte aufweist:
Ausführen einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens, um zumindest ein Steuersignal zum Laden der Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen bereitzustellen; und
Laden der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung des zumindest einen bereitgestellten Steuersignals.
Das Verfahren zum Durchführen ist somit in Verbindung mit einer
Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens zum Steuern vorteilhaft ausführbar. Wenn Energiespeichereinrichtungen mit unterschiedlicher
Maximalspannung zusammengeschaltet werden sollen, kann somit insbesondere ein stufenweises Ladeverfahren zum Einsatz kommen. Das zumindest eine Steuersignal kann beispielsweise bewirken, dass eine erste Spannungsgrenze angefahren und so lange konstant gehalten wird, bis eine
Energiespeichereinrichtung mit der niedrigsten Maximalspannung vollgeladen ist. Danach kann diese Energiespeichereinrichtung von der Ladevorrichtung getrennt werden. Das zumindest eine Steuersignal kann beispielsweise auch bewirken, dass dann eine nächsthöhere Spannungsgrenze angefahren wird. Anders ausgedrückt kann hierbei zunächst die Energiespeichereinrichtung mit der niedrigsten Spannung auf ein Spannungsniveau der Energiespeichereinrichtung mit der zweitniedrigsten Spannung geladen werden. Wenn beide
Energiespeichereinrichtungen ein vergleichbares Potential erreicht haben, können dieselben parallel geschaltet und gemeinsam bis auf das Potential der Energiespeichereinrichtung mit der drittniedrigsten Spannung geladen werden. Auch diese Energiespeichereinrichtung mit der drittniedrigsten Spannung kann dann parallel zu den anderen beiden geschaltet werden. Dieses Vorgehen kann wiederholt werden, bis beispielsweise die Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen parallel geschaltet sind. Das Vorgehen kann beim Erreichen von Ladeschlussspannungen der Energiespeichereinrichtungen beispielsweise invers analog angewendet werden. Nach und nach können die Energiespeichereinrichtungen von der Ladevorrichtung getrennt und die
Ladespannung sukzessive wie benötigt angehoben werden, um die verbliebenen Energiespeichereinrichtungen vollzuladen.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in
entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einem Steuergerät kann ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder
Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer
hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des
Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Es wird insbesondere auch ein System zum Laden einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen vorgestellt, wobei das System folgende Merkmale aufweist: eine Ausführungsform des vorstehend genannten Steuergeräts; und eine Ladevorrichtung zum zumindest teilweise parallelen Laden der Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen, wobei die Ladevorrichtung eine Schnittstelle zu dem Steuergerät und zumindest eine Ladeschaltung aufweist, wobei die Ladevorrichtung über die Schnittstelle
datenübertragungsfähig mit dem Steuergerät verbunden ist, wobei die Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen an die zumindest eine Ladeschaltung der Ladevorrichtung anschließbar sind.
Somit kann in Verbindung mit dem System zum Laden eine Ausführungsform des vorstehend genannten Steuergeräts vorteilhaft verwendet bzw. eingesetzt werden. Dabei kann die Ladevorrichtung insbesondere auch eine Mehrzahl von Ladeschaltungen aufweisen.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer, einem Steuergerät oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ladesystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Ladevorgangs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Durchführen eines
Ladevorgangs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und Figuren 4A bis 5B verschiedene Ladediagramme von Ladevorgängen für elektrochemische Energiespeichereinrichtungen.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ladesystems 100 bzw. Systems zum Laden einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Ladesystem 100 weist ein Steuergerät 110 mit einer
Bestimmungseinrichtung 112 sowie einer Erzeugungseinrichtung 114, eine Schnittstelle 116 und eine Ladevorrichtung 120 auf. Das Steuergerät 110 und die Ladevorrichtung 120 des Ladesystems 100 sind mittels der bidirektional ausgeführten Schnittstelle 116 datenübertragungsfähig miteinander verbunden.
Ferner sind in Fig. 1 eine Mehrzahl von lediglich beispielhaft vier
elektrochemische Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 gezeigt, die elektrisch leitfähig an Anschlussstellen des Ladesystems 100 bzw. an der Ladevorrichtung 120 angeschlossen sind. Jede der
Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 kann einem Fahrzeug zugeordnet sein, dass zum Aufladen seiner Energiespeichereinrichtung 132, 134, 136 und 138 an das Ladesystem 100 angeschlossen ist.
Das Steuergerät 110 ist ausgebildet, um einen unter Verwendung der
Ladevorrichtung 120 durchgeführten Ladevorgang der Mehrzahl von
elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 zu steuern.
Hierbei ist das Steuergerät 110 ausgebildet, um über die Schnittstelle 116 und die Ladevorrichtung 120 mindestens eine elektrische Eigenschaft von zumindest einer Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 einzulesen. Bei der mindestens einen elektrischen Eigenschaft handelt es sich hierbei zum Beispiel um einen Ladezustand, eine elektrische Spannung, einen Innenwiderstand, eine Kapazität, eine Zellchemie, eine Ladeschlussspannung, eine maximal zulässige Ladespannung und zusätzlich oder alternativ einen maximal zulässigen
Ladestrom zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138.
Die Bestimmungseinrichtung 112 des Steuergerätes 110 ist ausgebildet, um unter Verwendung der mindestens einen elektrischen Eigenschaft eine
Ladegruppe zu bestimmen, die zumindest eine der Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 umfasst. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Ladegruppe die Energiespeichereinrichtungen 132, 138. Ferner ist die Bestimmungseinrichtung 112 ausgebildet, um der Erzeugungseinrichtung 114 eine Information hinsichtlich der Ladegruppe bereitzustellen.
Die Erzeugungseinrichtung 114 des Steuergerätes 110 ist ausgebildet, um die Information hinsichtlich der Ladegruppe von der Bestimmungseinrichtung 112 einzulesen bzw. zu empfangen. Auch ist die Erzeugungseinrichtung 114 ausgebildet, um ein erstes Steuersignal zur Ausgabe an die Schnittstelle 116 zu erzeugen. Das erste Steuersignal ist dabei ausgebildet, um die Ladevorrichtung 120 so anzusteuern, dass ein paralleles Laden der in der Ladegruppe
enthaltenen Energiespeichereinrichtung 132, 138 durchgeführt wird.
Im Verlauf des Ladevorgangs kann sich eine elektrische Eigenschaft der Energiespeichereinrichtungen 132, 138 der Ladegruppe verändern. Um solche Veränderungen berücksichtigen zu können, ist die Bestimmungseinrichtung 112 ausgebildet, um fortlaufend aktuelle elektrische Eigenschaften der
Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 zu empfangen und basierend auf den aktuellen Eigenschaften eine Zusammensetzung der
Ladegruppe zu verändern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die
Bestimmungseinrichtung 112 ausgebildet, um unter Verwendung der aktuellen Eigenschaften der Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 eine geänderte Ladegruppe zu bestimmen, die nun zusätzlich die Energiespeichereinrichtungen 134, 136 umfasst. Ferner ist die Bestimmungseinrichtung 112 ausgebildet, um der Erzeugungseinrichtung 114 eine Information hinsichtlich der veränderten Ladegruppe bereitzustellen. Die Erzeugungseinrichtung 114 ist entsprechend ausgebildet, um ein an die veränderte Ladegruppe angepasstes verändertes Steuersignal zu erzeugen und an die Schnittstelle 116 auszugeben. Hierbei ist das veränderte Steuersignal ausgebildet, um ein paralleles Laden der in der veränderten Ladegruppe enthaltenen Energiespeichereinrichtung 132, 134, 136, 138 mittels der
Ladevorrichtung 120 zu bewirken.
Das Steuergerät 110 ist somit ausgebildet, um die Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136, 138 zeitlich aufeinanderfolgend in unterschiedliche Ladegruppe zu gruppieren und zum Laden der sich in den jeweiligen Ladegruppen befindlichen Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136, 138 geeignete Steuersignale an die
Ladevorrichtung 120 auszugeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel stellen die Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 Autobatterien dar, die in Fahrzeugen verbaut sind. In rein elektrischen Fahrzeugen können beispielsweise Energiespeichereinrichtungen
132, 134, 136 und 138 mit einer Kapazität von bis zu 85 Kilowattstunden verbaut sein, wobei zukünftig auch Batterien mit einer größeren Kapazität eingesetzt werden können. Hybridfahrzeuge können beispielsweise eine
Energiespeichereinrichtung 132, 134, 136 und 138 mit einer Kapazität von bis zu 10 Kilowattstunden oder mehr als 10 Kilowattstunden aufweisen.
Die Ladevorrichtung 120 kann eine Ladeeinrichtung 140 mit einer einzigen Ladeschaltung 142 oder mit einer Mehrzahl von Ladeschaltungen 142, 144 aufweisen. Beispielhaft sind in Fig. 1 zwei Ladeschaltungen 142, 144 gezeigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 in zwei Anschlussgruppen unterteilt werden, wobei Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 der ersten Ladegruppe über die erste Ladeschaltung 142 und
Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 der zweiten Ladegruppe über die zweite Ladeschaltung 144 geladen werden können. Die Ladeschaltungen 142, 144 sind dabei ausgebildet, um die Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 unter Verwendung von Steuersignalen des Steuergeräts 110 zu laden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die erste Ladeschaltung 142 ausgebildet, um eine Hochstromladung mit konstantem Strom in einem niedrigen
Ladezustandsbereich bzw. SOC-Bereich (SOC = State of Charge) unter 80% durchzuführen. Die zweite Ladeschaltung 144 ist als eine
Niederstromladeschaltung ausgebildet, um vorbereitend eine Vorladung einer Gruppe von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136, 138 auf ein
gemeinsames Mindestspannungsniveau und/oder eine Entladung mit konstanter Spannung durchzuführen. Eine entsprechende Entladung kann beispielsweise zu Diagnosezwecken durchgeführt werden. Ferner kann eine Endladung, d.h. der abschließende Ladevorgang durchgeführt werden, der üblicherweise nicht mehr mit hohem Strom durchgeführt werden kann, sondern durch den Bereich beschrieben ist, in dem der Strom logarithmisch abnimmt, da die Packspannung die Ladeschlussspannung erreicht.
Auch wenn in Fig. 1 beispielhaft zwei Ladeschaltungen 142, 144 sowie vier Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 gezeigt sind, kann das
Ladesystem 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel eine hiervon abweichende Anzahl von Ladeschaltungen der Ladeeinrichtung 140 und/oder eine geeignete Anzahl von Anschlussstellen zum Anschließen einer bezüglich Fig. 1 abweichenden Anzahl von Energiespeichereinrichtungen aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Steuergerät 110 auch Teil der
Ladevorrichtung 120 sein oder kann zusammen mit der Ladevorrichtung 120 Teil einer gemeinsamen Vorrichtung sein.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß dem Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das
Verfahren 200 dabei in mögliche Schritte des Erfassens 210, des Gruppierens 220, des Bestimmens 230, des Erzeugens 240, des Erfassens 210, des Wiederholens 250 des Bestimmens und des erneuten Durchführens 260 des Erzeugens auf. Das Verfahren 200 zum Steuern eines Ladevorgangs ist unter Verwendung bzw. in Verbindung mit dem Ladesystem aus Fig. 1 vorteilhaft durchführbar.
In dem optionalen Schritt 210 des Erfassens werden eine oder mehrere elektrische Eigenschaften einer oder mehrerer Energiespeichereinrichtungen erfasst. Dabei kann als elektrische Eigenschaft beispielsweise ein Ladezustand, eine elektrische Spannung, ein Innenwiderstand, eine Kapazität, eine Zellchemie, eine Ladeschlussspannung, eine maximal zulässige Ladespannung und zusätzlich oder alternativ ein maximal zulässiger Ladestrom der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen erfasst werden. Die elektrische Eigenschaft einer Energiespeichereinrichtung kann beispielsweise durch Auswerten eines eine Information über die elektrische Eigenschaft übertragendes elektrisches Signal erfasst werden.
Der Schritt 210 kann entfallen, wenn die erforderlichen elektrischen
Eigenschaften bereits vorliegen. Der optionale Schritt 220 des Gruppierens kann ausgeführt, wenn mehr als eine
Ladeschaltung zum Laden der Energiespeichereinrichtungen zur Verfügung steht. In dem Schritt 220 des Gruppierens werden die
Energiespeichereinrichtungen unter Verwendung der vorhanden oder im Schritt 210 des Erfassens erfassten Eigenschaften der Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen beispielsweise in eine erste Anschlussgruppe zum
Anschluss an eine erste Ladeschaltung der Ladevorrichtung und in eine zweite Anschlussgruppe zum Anschluss an eine zweite Ladeschaltung der
Ladevorrichtung gruppiert. Im Schritt 230 des Bestimmens wird eine Ladegruppe bestimmt, die zumindest eine Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen umfasst. Die Ladegruppe wird dabei unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Energiespeichereinrichtungen bestimmt. Wenn der Schritt 220 ausgeführt wurde, kann pro Anschlussgruppe je eine Ladegruppe bestimmt werden. In dem Schritt 240 des Erzeugens wird ein erstes Steuersignal zur Ausgabe an eine Schnittstelle zu der Ladevorrichtung erzeugt. Hierbei ist das erste
Steuersignal ausgebildet, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der in der Ladegruppe zusammengefassten Energiespeichereinrichtungen zu bewirken.
Wenn der Schritt 220 ausgeführt wurde, kann pro Anschlussgruppe je ein Steuersignal erzeugt werden. Dies ermöglicht ein paralleles Laden von
Energiespeichereinrichtungen der beiden Anschlussgruppen. Zwischen dem Schritt 240 des Erzeugens und dem Schritt 250 des Wiederholens des Bestimmens ist optional erneut der Schritt 210 des Erfassens ausführbar. Im Schritt 210 des Erfassens kann eine elektrische Eigenschaft einer
Energiespeichereinrichtung erfasst werden. Dazu kann beispielsweise eine kontinuierliche Messung bzw. Informationsaquise bzgl. Stromgrenzen,
Temperatur usw. durchgeführt werden. Ergibt sich daraus, dass es
beispielsweise sinnvoll ist, eine sich in einer aktuellen Ladegruppe befindliche Energiespeichereinrichtung aufgrund Überhitzung aus der aktuellen Ladegruppe auszuschließen, so kann im Schritt 250 eine Ladegruppe bestimmt werden, in der die überhitze Energiespeichereinrichtung nicht mehr enthalten ist. In dem Schritt 250 des Bestimmens kann die aktuelle Ladegruppe somit in ihrer
Zusammensetzung verändert werden. Eine solche Veränderung der
Zusammensetzung der Ladegrupppe kann auch dann sinnvoll sein, wenn neue Energiespeichereinrichtungen an die Ladevorrichtung angeschlossen oder entfernt werden.
Dadurch können aktuelle Eigenschaften der Energiespeichereinrichtungen erfasst werden, die beispielsweise verwendet werden können, um eine
Zusammensetzung bestehender Gruppierungen von
Energiespeicherspeichereinrichtungen zu überprüfen und gegebenenfalls zu ändern.
In dem Schritt 250 des Wiederholens kann der bereits beschriebene Schritt 230 erneut ausgeführt werden, um eine veränderte Ladegruppe mit einer bezüglich der bestehenden Ladegruppe veränderten Anzahl von
Energiespeichereinrichtungen zu bestimmen. Die veränderte Ladegruppe kann dabei unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen bestimmt werden.
Im Schritt 260 des erneuten Durchführens kann der bereits beschriebene Schritt 240 des Erzeugens erneut durchgeführt werden, um ein geändertes Steuersignal zur Ausgabe an die Schnittstelle zu der Ladevorrichtung zu erzeugen. Dabei ist das geänderte Steuersignal ausgebildet, um ein Laden der
Energiespeichereinrichtungen der im Schritt 250 bestimmten geänderten
Ladegruppe zu bewirken.
Auch wenn es in Fig. 2 nicht explizit gezeigt ist, so können insbesondere die Schritte 250, 260 mehrfach wiederholt ausgeführt werden, um ansprechend auf sich ändernde elektrische Eigenschaften der Energiespeichereinrichtungen jeweils eine neue Zusammensetzung der Ladegruppe zu bestimmen und ein zum Laden der jeweiligen Energiespeichereinrichtungen geeignetes Steuersignal bereitzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden im Schritt 230 des Bestimmens beispielsweise Energiespeichereinrichtung mit der geringsten Ladespannung in eine Ladegruppe zusammengefasst. Durch ein erneutes Ausführen des Schritts
210 kann erkannt werden, dass die Energiespeichereinrichtungen der
Ladegruppe bis zu einer vorgegebenen Zwischenspannung erhöht wurden.
Durch das Wiederholen 250 des Schritts 230 des Bestimmens kann nun beispielsweise die Ladegruppe um weitere Energiespeichereinrichtungen erweitert werden, deren Ladespannung bereits im Bereich der
Zwischenspannung liegt. Durch ein erneutes Ausführen des Schritts 210 kann erkannt werden, dass beispielsweise eine der Energiespeichereinrichtungen der aktuellen Ladegruppe bis zu einer Ladeschlussspannung dieser
Energiespeichereinrichtung erhöht wurde. Durch das Wiederholen 250 des Schritts 230 des Bestimmens kann nun beispielsweise die aktuelle Ladegruppe um die Energiespeichereinrichtung verkleinert werden, deren
Ladeschlussspannung erreicht wurde.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Durchführen eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 300 zum Durchführen eines Ladevorgangs ist in Verbindung mit dem Verfahren zum Steuern aus Fig. 2 vorteilhaft durchführbar. Auch ist das Verfahren 300 zum Durchführen eines Ladevorgangs unter Verwendung bzw. in Verbindung mit dem
Ladesystem aus Fig. 1 vorteilhaft durchführbar.
Das Verfahren 300 weist einen Schritt 310 des Ausführens zumindest einiger der Schritte des Verfahrens aus Fig. 2 auf, um zumindest eine Ladegruppe von Energiespeichereinrichtungen zu bestimmen und zumindest ein Steuersignal zum Laden der Energiespeichereinrichtungen der Ladegruppe bereitzustellen. In einem Schritt 320 des Ladens wird das Steuersignal verwendet, um die
Energiespeichereinrichtungen der Ladegruppe zu laden. Der Schritt 320 des Ladens kann beispielsweise unter Verwendung der anhand von Fig. 1 beschriebenen Ladevorrichtung durchgeführt werden.
Fig. 4A zeigt ein Ladediagramm 400 eines Ladevorgangs für elektrochemische Energiespeichereinrichtungen. Insbesondere zeigt das in Fig. 4A dargestellte Lagediagramm 400 einen sequenziellen Ladevorgang zweier baugleicher Batterien bzw. Energiespeichereinrichtungen mit unterschiedlicher Kapazität und unterschiedlichem Ladezustand, z. B. 100s2p und 100s3p. Die Darstellung in Fig. 4A ist hierbei schematisch und weder maßstabsgetreu noch detailgetreu. Das Ladediagramm 400 ist als ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt, wobei an einer Abszissenachse des Ladediagramms 400 die Zeit t aufgetragen ist und an einer Ordinatenachse sowohl elektrische Spannung U als auch elektrische Stromstärke I aufgetragen sind.
Bis zu einem ersten Zeitpunkt ti wird beispielsweise eine erste
Energiespeichereinrichtung bis zu einer Spannungsgrenze Umax aufgeladen. Dabei repräsentiert ein Graph U0 einen Verlauf einer Ladespannung der ersten
Energiespeichereinrichtung und repräsentiert ein Graph l0 einen Verlauf eines Ladestroms der ersten Energiespeichereinrichtung. Zwischen dem Zeitpunkt ti und einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t2 wird beispielsweise eine zweite Energiespeichereinrichtung bis zu der Spannungsgrenze Umax aufgeladen. Dabei repräsentiert ein Graph Ui einen Verlauf einer Ladespannung der zweiten Energiespeichereinrichtung und repräsentiert ein Graph Ii einen Verlauf eines Ladestroms der zweiten Energiespeichereinrichtung.
In Fig. 4A ist das übliche Ladeverfahren gezeigt, das darauf basiert, dass eine Person die Batterien nacheinander um- oder ansteckt. Nachfolgend wird anhand von Fig. 4B ein verbessertes Ladeverfahren beschrieben, bei dem Batterien automatisiert zu Ladegruppen zusammengefasst werden können.
Fig. 4B zeigt ein Ladediagramm 450 eines Ladevorgangs für elektrochemische Energiespeichereinrichtungen. Insbesondere zeigt das in Fig. 4B dargestellte Lagediagramm 450 einen parallelen Ladevorgang zweier baugleicher Batterien bzw. Energiespeichereinrichtungen mit unterschiedlicher Kapazität und unterschiedlichem Ladezustand, z. B. 100s2p und 100s3p. Die Darstellung in Fig. 4B ist hierbei schematisch und weder maßstabsgetreu noch detailgetreu. Das Ladediagramm 450 ist als ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt, wobei an einer Abszissenachse des Ladediagramms 450 die Zeit t aufgetragen ist und an einer Ordinatenachse sowohl elektrische Spannung U als auch elektrische Stromstärke I aufgetragen sind. Der in dem Ladediagramm 450 dargestellte Ladevorgang ergibt sich beispielsweise bei Ausführung eines der Verfahren aus Fig. 2 und Fig. 3 unter Verwendung des Ladesystems aus Fig. 1.
Bis zu einem ersten Zeitpunkt ti sowie zwischen dem ersten Zeitpunkt ti und einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t2 werden beide
Energiespeichereinrichtungen zumindest teilweise parallel bis zu einer
Spannungsgrenze Umax aufgeladen. Bis zu dem ersten Zeitpunkt ti sind ein Graph U0 eines Verlaufs einer Ladespannung einer ersten
Energiespeichereinrichtung, ein Graph l0 eines Verlaufs eines Ladestroms der ersten Energiespeichereinrichtung, ein Graph Ui eines Verlaufs einer
Ladespannung einer zweiten Energiespeichereinrichtung und ein Graph Ii eines Verlaufs eines Ladestroms der zweiten Energiespeichereinrichtung dargestellt. Bis zu dem ersten Zeitpunkt ti wird die zweite Energiespeichereinrichtung bis zu einer Spannungsgrenze aufgeladen, die einem Wert der Ladespannung U0 der ersten Energiespeichereinrichtung entspricht. Anders ausgedrückt werden die beiden Energiespeichereinrichtungen auf ein gleich großes Potenzial gebracht. Zwischen dem ersten Zeitpunkt ti und dem zweiten Zeitpunkt t2 werden die zwei Energiespeichereinrichtungen gemeinsam parallel bis zu der Spannungsgrenze Umax aufgeladen. Dabei repräsentiert ein Graph U0/Ui einen Verlauf einer gemeinsamen Ladespannung der beiden Energiespeichereinrichtungen und repräsentiert ein Graph l0+li einen Verlauf eines gemeinsamen Ladestroms der beiden Energiespeichereinrichtungen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 erfolgt beispielsweise bis zu dem ersten Zeitpunkt ti ein Laden der Ladegruppe, wobei die zweite Energiespeichereinrichtung hierbei ein Mitglied der Ladegruppe ist. Zwischen dem ersten Zeitpunkt ti und dem zweiten Zeitpunkt t2 erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 1 beispielsweise ein Laden der veränderten Ladegruppe, wobei zusätzlich zu der zweiten
Energiespeichereinrichtung nun die erste Energiespeichereinrichtung zu der veränderten Ladegruppe gehört.
Fig. 5A zeigt ein Ladediagramm 500 eines Ladevorgangs für elektrochemische Energiespeichereinrichtungen. Insbesondere zeigt das in Fig. 5A dargestellte Lagediagramm 500 einen sequenziellen Ladevorgang zweier unterschiedlicher Batterien bzw. Energiespeichereinrichtungen mit unterschiedlicher Kapazität, Ladeschlussspannung und unterschiedlichem Ladezustand, z. B. LiNiCoAl und
LiFeP04. Die Darstellung in Fig. 5A ist hierbei schematisch und weder maßstabsgetreu noch detailgetreu. Das Ladediagramm 500 ist als ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt, wobei an einer Abszissenachse des Ladediagramms 500 die Zeit t aufgetragen ist und an einer Ordinatenachse sowohl elektrische Spannung U als auch elektrische Stromstärke I aufgetragen sind.
Bis zu einem ersten Zeitpunkt ti wird beispielsweise eine erste
Energiespeichereinrichtung bis zu einer Spannungsgrenze Umax>0 aufgeladen. Dabei repräsentiert ein Graph U0 einen Verlauf einer Ladespannung der ersten
Energiespeichereinrichtung und repräsentiert ein Graph l0 einen Verlauf eines Ladestroms der ersten Energiespeichereinrichtung. Zwischen dem ersten Zeitpunkt ti und einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t2 wird beispielsweise eine zweite Energiespeichereinrichtung bis zu einer Spannungsgrenze Umax>i aufgeladen. Dabei repräsentiert ein Graph Ui einen Verlauf einer Ladespannung der zweiten Energiespeichereinrichtung und repräsentiert ein Graph Ii einen Verlauf eines Ladestroms der zweiten Energiespeichereinrichtung.
Fig. 5B zeigt ein Ladediagramm 550 eines Ladevorgangs für elektrochemische Energiespeichereinrichtungen. Insbesondere zeigt das in Fig. 5B dargestellte
Lagediagramm 550 einen parallelen Ladevorgang zweier unterschiedlicher Batterien bzw. Energiespeichereinrichtungen mit unterschiedlicher Kapazität, Ladeschlussspannung und unterschiedlichem Ladezustand, z. B. LiNiCoAl und LiFeP04. Die Darstellung in Fig. 5B ist hierbei schematisch und weder maßstabsgetreu noch detailgetreu. Das Ladediagramm 550 ist als ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt, wobei an einer Abszissenachse des Ladediagramms 550 die Zeit t aufgetragen ist und an einer Ordinatenachse sowohl elektrische Spannung U als auch elektrische Stromstärke I aufgetragen sind. Der in dem Ladediagramm 550 dargestellte Ladevorgang ergibt sich beispielsweise bei Ausführung eines der Verfahren aus Fig. 2 und Fig. 3 unter
Verwendung des Ladesystems aus Fig. 1.
Bis zu einem ersten Zeitpunkt ti, zwischen dem ersten Zeitpunkt ti und einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t2, zwischen dem zweiten Zeitpunkt t2 und einem nachfolgenden dritten Zeitpunkt 3 und zwischen dem dritten Zeitpunkt 3 und einem nachfolgenden vierten Zeitpunkt tj werden beide
Energiespeichereinrichtungen zumindest teilweise parallel bis zu
Spannungsgrenzen Umax>0 und Umax>i aufgeladen. Dabei weist eine erste
Energiespeichereinrichtung die Spannungsgrenze Umax>0 auf und weist eine zweite Energiespeichereinrichtung die Spannungsgrenze Umax>i auf.
Bis zu dem ersten Zeitpunkt ti sind ein Graph U0 eines Verlaufs einer
Ladespannung einer ersten Energiespeichereinrichtung, ein Graph l0 eines Verlaufs eines Ladestroms der ersten Energiespeichereinrichtung, ein Graph Ui eines Verlaufs einer Ladespannung einer zweiten Energiespeichereinrichtung und ein Graph Ii eines Verlaufs eines Ladestroms der zweiten
Energiespeichereinrichtung dargestellt. Hierbei sind der Graph U0 des Verlaufs der Ladespannung der ersten Energiespeichereinrichtung und der Graph Ii des Verlaufs des Ladestroms der zweiten Energiespeichereinrichtung überlappend als ein Graph UQ/II eingezeichnet. Bis zu dem ersten Zeitpunkt ti wird die zweite Energiespeichereinrichtung bis zu einer Spannungsgrenze aufgeladen, die einem Wert der Ladespannung U0 der ersten Energiespeichereinrichtung entspricht. Anders ausgedrückt werden die beiden Energiespeichereinrichtungen auf ein gleich großes Potenzial gebracht.
Zwischen dem ersten Zeitpunkt ti und dem dritten Zeitpunkt 3 sind ein Graph UQ/UI eines Verlaufs einer gemeinsamen Ladespannung der beiden
Energiespeichereinrichtungen und ein Graph l0+ li eines Verlaufs eines gemeinsamen Ladestroms der beiden Energiespeichereinrichtungen dargestellt. Dabei werden zwischen dem ersten Zeitpunkt ti und dem zweiten Zeitpunkt t2 die zwei Energiespeichereinrichtungen gemeinsam parallel bis zu der
Spannungsgrenze Umax>i der zweiten Energiespeichereinrichtung aufgeladen. Zwischen dem zweiten Zeitpunkt t2 und dem dritten Zeitpunkt 3 werden die zwei Energiespeichereinrichtungen gemeinsam parallel mit der gemeinsamen Ladespannung UQ/UI bei der Spannungsgrenze Umax>i weiter geladen, bis die zweite Energiespeichereinrichtung aufgeladen ist.
Zwischen dem dritten Zeitpunkt 3 und dem vierten Zeitpunkt I4 sind der Graph U0 des Verlaufs der Ladespannung der ersten Energiespeichereinrichtung, der Graph l0 des Verlaufs des Ladestroms der ersten Energiespeichereinrichtung, der Graph Ui des Verlaufs der Ladespannung der zweiten
Energiespeichereinrichtung und der Graph Ii des Verlaufs des Ladestroms der zweiten Energiespeichereinrichtung dargestellt. Dabei wird zwischen dem dritten Zeitpunkt 3 und dem vierten Zeitpunkt I4 die erste Energiespeichereinrichtung bis zu ihrer Spannungsgrenze Umax>0 aufgeladen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 erfolgt beispielsweise bis zu dem ersten Zeitpunkt ti ein Laden der Ladegruppe, wobei die zweite Energiespeichereinrichtung hierbei ein Mitglied der Ladegruppe ist. Zwischen dem ersten Zeitpunkt ti und dem dritten Zeitpunkt 3 erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 1 beispielsweise ein Laden der veränderten Ladegruppe, wobei zusätzlich zu der zweiten
Energiespeichereinrichtung nun die erste Energiespeichereinrichtung zu der veränderten Ladegruppe gehört. Ferner erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 1 zwischen dem dritten Zeitpunkt 3 und dem vierten Zeitpunkt I4 beispielsweise ein Laden einer erneut veränderten Ladegruppe, wobei die erneut veränderte Ladegruppe lediglich die erste Energiespeichereinrichtung aufweist.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1, 2, 3, 4B und 5B werden im Folgenden einige Details und Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung zusammenfassend und mit anderen Worten nochmals erläutert.
Die mindestens eine elektrische Eigenschaft der Mehrzahl von
elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 repräsentiert ein Selektions- und/oder Gruppierungskriterium zum Steuern und gegebenenfalls auch zum Durchführen des Ladevorgangs. Bei der mindestens einen elektrischen Eigenschaft handelt es sich beispielsweise um eine
Zellchemie bzw. daraus resultierende Spannungsgrenzen bzw. Spannungslimits. Diese werden in der Regel zwecks Einhaltung von Sicherheitsabständen beispielsweise von einem Batteriemanagementsystem der jeweiligen
Energiespeichereinrichtung vorgegeben und kommuniziert. Alternativ umfasst die mindestens eine elektrische Eigenschaft einen maximal zulässigen Ladestrom. Dieser wird zur Einhaltung der garantierten Lebensdauer beispielsweise vom Batteriemanagementsystem der jeweiligen Energiespeichereinrichtung ebenfalls vorgegeben und kommuniziert. Alternativ repräsentiert die mindestens eine elektrische Eigenschaft einen Zellinnenwiderstand und/oder eine Kapazität. Diese Parameter bestimmen eine Ladestromverteilung zwischen parallel angeschlossenen Energiespeichereinrichtungen und werden beispielsweise entweder vom Batteriemanagementsystem der jeweiligen
Energiespeichereinrichtung kommuniziert oder durch das Ladesystem bzw. Ladegerät ausgemessen bzw. abgeschätzt.
Falls Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 bzw. Batterien mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, beispielsweise mit
unterschiedlichem Ladungszustand und/oder unterschiedlicher
Maximalspannung, wie zum Beispiel Umax>0 und Umax,i, durch Anschluss an das Ladesystem 100 zusammengeschaltet und geladen werden sollen, kann ein stufenweises Ladeverfahren gemäß den Verfahren aus Fig. 2 bzw. Fig. 3 zum Einsatz kommen. Dazu wird beispielsweise zunächst die
Energiespeichereinrichtung mit der niedrigsten Spannung auf das Niveau der Energiespeichereinrichtung mit der zweitniedrigsten Spannung geladen. Haben beide Energiespeichereinrichtungen ein vergleichbares elektrisches Potential erreicht, können sie parallel geschaltet werden. Nun werden die parallel geschalteten Energiespeichereinrichtungen gemeinsam beispielsweise bis auf ein Potential einer Energiespeichereinrichtung mit der drittniedrigsten Spannung geladen. Auch diese Energiespeichereinrichtung kann dann parallel zu den anderen beiden geschaltet werden. Dieses Vorgehen kann wiederholt werden, bis alle Energiespeichereinrichtungen parallel geschaltet sind. Der Vorgang kann beim Erreichen der individuellen Ladeschlussspannung, beispielsweise Umax>0 und Umax,i, invers analog angewendet werden. Nach und nach werden die einzelnen Energiespeichereinrichtungen wieder von dem Ladesystem 100 bzw. der Ladeeinrichtung 140 getrennt und wird die Ladespannung sukzessive angehoben, um die restlichen Energiespeichereinrichtungen vollzuladen. Dazu wird zunächst die niedrigste Spannungsgrenze, beispielsweise Umax,i,
angefahren und so lange konstant gehalten, bis die Energiespeichereinrichtung mit dieser niedrigsten Maximalspannung vollgeladen ist. Anschließend wird diese Energiespeichereinrichtung von dem Ladesystem 100 getrennt und es wird die nächsthöhere Spannungsgrenze angefahren, beispielsweise Umax>0. Ein wesentlicher Vorteil hierbei ist, dass in einem Ladesystem 100 bzw. einer
Ladestation mit n Anschlüssen für n Energiespeichereinrichtungen bzw.
Fahrzeuge mit Energiespeichereinrichtungen nicht mehr n einzelne
Ladeeinrichtungen 140 notwendig sind, die in Ihrer einzelnen Ausführung hohe Hardware- Kosten verursachen, sondern lediglich eine solche Endstufe mit höherer Leistung. Da viele Bauelemente eingespart werden können und der
Verschaltungsaufwand massiv sinkt, kann das gesamte Ladesystem 100 deutlich günstiger und kompakter realisiert werden. Somit kann an das Ladesystem 100 zum Laden von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138, insbesondere Batteriepacks, vorteilhafterweise mehr als eine
Energiespeichereinrichtung gleichzeitig angeschlossen und mittels des
Ladesystems 100 geladen werden. Rahmenparameter der zumindest einen installierten Ladeschaltung 142, 144 können dabei einstellbar sein.
Des Weiteren kann vermieden werden, dass bei einem CCCV- Verfahren, gemäß dem beispielsweise Lithium- oder Blei-basierte Batterien üblicherweise geladen werden, eine Ladeeffizienz im Bereich der letzten 20% des Ladezustands erheblich reduziert ist. Somit kann auch bei einem Ladevorgang mehrerer solcher Energiespeichereinrichtungen eine verfügbare Ladehardware in verbessertem Maße ausgenutzt werden. Ein möglicher Ladestrom ist
unabhängiger von einer geringen Kapazität der zu ladenden
Energiespeichereinrichtung und einem daraus resultierenden zu kleinen maximal zulässigen Ladestrom, von einem hohen Ladezustand bei Lithium-basierten bzw. auf dem CCCV- Ladeverfahren basierenden Zellchemien und von einer zu hohen oder zu niedrigen Zelltemperatur. Somit kann erreicht werden, dass die nutzbaren Kapazitäten des Ladesystems 100 zur Ladung der Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 ohne die oben genannten Einschränkungen zur Verfügung stehen.
Da eine Ladedauer häufig ein kritischer Parameter ist, kann herkömmlicherweise bisweilen eine Schnellladung durchgeführt werden, d. h. eine Ladung mit relativ zur Zellkapazität hohem Strom in kurzer Zeit. Dies ist insbesondere notwendig, wenn innerhalb einer vorgegebenen Zeit mehrere Batterien geladen werden sollen, dies aber nur sequenziell ausgeführt werden kann. Eine solche
Notwendigkeit der Schnellladung kann jedoch durch Anwendung der Verfahren 200 und/oder 300 sowie des Ladesystems 100 vermieden werden, so dass aufgrund reduzierter erforderlicher Stromstärken eine verlangsamte Alterung und Degradation von Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 und somit eine verlängerte Lebensdauer erreicht werden können. Dies ist eine Folge sowohl aus elektrochemischen wie auch thermischen Effekten durch eine verringerte Verlustleistung, die sich aus R*T2 ergibt. Weniger Verluste bedingen zudem, dass gegebenenfalls auch weniger Energie zur Kühlung der
Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 aufgewendet werden braucht. In zeitkritischen Anwendungen kann so beispielsweise mehr Energie in derselben Zeit übertragen und gespeichert werden, als es durch ein
sequenzielles Laden einzelner Energiespeichereinrichtungen möglich wäre. Die Summe der Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 kann also insbesondere bei im Wesentlichen gleicher Belastung der
Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 schneller geladen werden. Optional können die Energiespeichereinrichtungen 132, 134, 136 und 138 bei gleichbleibender oder nur leicht reduzierter Ladedauer ferner beispielsweise auch schonender geladen werden, indem auf die individuelle
Energiespeichereinrichtung gerechnet mit geringerem Strom geladen wird. Dadurch fallen zudem weniger Verluste in Form von Wärme an.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"- Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (200) zum Steuern eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung (120) angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138), wobei das Verfahren (200) folgende Schritte aufweist:
Bestimmen (230) einer Ladegruppe aus zumindest einer
Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138);
Erzeugen (240) eines ersten Steuersignals zur Ausgabe an eine
Schnittstelle (116) zu der Ladevorrichtung (120), wobei das erste Steuersignal ausgebildet ist, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der Ladegruppe mittels der Ladevorrichtung (120) zu bewirken;
Wiederholen (250) des Schritts des Bestimmens, um eine veränderte Ladegruppe mit einer bezüglich der Ladegruppe veränderten Anzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) zu bestimmen; und erneutes Durchführen (260) des Schritts des Erzeugens, um ein zweites Steuersignal zur Ausgabe an die Schnittstelle (116) zu der
Ladevorrichtung (120) zu erzeugen, wobei das zweite Steuersignal ausgebildet ist, um ein zumindest teilweise paralleles Laden der veränderten Ladegruppe mittels der Ladevorrichtung (120) zu bewirken. Verfahren (200) gemäß Anspruch 1, mit einem Schritt (210) des
Erfassens der mindestens einen elektrischen Eigenschaft von zumindest einer der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138), wobei als die mindestens eine elektrische Eigenschaft ein
Ladezustand, eine elektrische Spannung, ein Innenwiderstand, eine Kapazität, eine Zellchemie, eine Ladeschlussspannung (Umax; Umax>0, Umax.i). eine maximal zulässige Ladespannung und/oder ein maximal zulässiger Ladestrom der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) erfasst wird.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (230) des Bestimmens eine Ladegruppe aus zumindest einer spannungsminimalen Energiespeichereinrichtung der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) bestimmt wird.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die mindestens eine elektrische Eigenschaft eine Ladeschlussspannung (Umax; Umax>0, Umax>i) ist, wobei der Schritt (250) des Wiederholens des Bestimmens ausgeführt wird, wenn die Ladeschlussspannung (Umax; Umax.o, Umax>i) zumindest einer Energiespeichereinrichtung in der Ladegruppe erreicht ist, wobei die Ladegruppe um die zumindest eine Energiespeichereinrichtung, deren Ladeschlussspannung (Umax; Umax>0, Umax.i) erreicht ist, verkleinert wird.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die mindestens eine elektrische Eigenschaft eine elektrische Spannung ist, wobei das Wiederholen (250) des Schritts des Bestimmens ausgeführt wird, wenn die elektrische Spannung der zumindest einen Energiespeichereinrichtung in der Ladegruppe eine elektrische
Spannung von zumindest einer ladegruppenexternen
Energiespeichereinrichtung erreicht, wobei die Ladegruppe um die zumindest eine ladegruppenexterne Energiespeichereinrichtung, deren elektrische Spannung von der zumindest einen
Energiespeichereinrichtung in der Ladegruppe erreicht ist, vergrößert wird. Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (220) des Gruppierens der Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) unter Verwendung mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Mehrzahl von
Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) in eine erste Anschlussgruppe zum Anschluss an eine erste Ladeschaltung (142) der Ladevorrichtung (120) und in eine zweite Anschlussgruppe zum
Anschluss an eine zweite Ladeschaltung (144) der Ladevorrichtung (120), und wobei in den Schritten (230, 250) des Bestimmens erste Ladegruppen aus zumindest einer Energiespeichereinrichtung der ersten Anschlussgruppe und zweite Ladegruppen aus zumindest einer Energiespeichereinrichtung der zweiten Anschlussgruppe bestimmt werden, und in den Schritten des Erzeugens (240, 260) Steuersignale zur Ausgabe an die erste Ladeschaltung (142) der Ladevorrichtung (120) und weitere Steuersignale zur Ausgabe an die zweite
Ladeschaltung (144) der Ladevorrichtung (120) erzeugt werden.
Verfahren (300) zum Durchführen eines Ladevorgangs einer Mehrzahl von an eine gemeinsame Ladevorrichtung (120) angeschlossenen, elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138), wobei das Verfahren (300) folgende Schritte aufweist:
Ausführen (310) eines Verfahrens (200) gemäß einem der
vorangegangen Ansprüche, um Steuersignale zum Laden der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) bereitzustellen; und
Laden (320) der Mehrzahl von Energiespeichereinrichtungen (132, 134, 136, 138) unter Verwendung der Steuersignale.
Vorrichtung (100, 110), die ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (200; 300) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche durchzuführen.
9. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines
Verfahrens (200; 300) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche durchzuführen. 10. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten
Computerprogramm nach Anspruch 9.
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