BESCHREIBUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein adaptives Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Im Stand der Technik ist das CC-CV-Ladeverfahren (auch als Ula-Ladeverfahren, U=Spannung, I=Strom, a= Abschalten, bezeichnet) zur Ladung wiederaufladbarer Batterien bekannt. Das Ladeverfahren kann in zwei Phasen unterteilt werden. In einer ersten Phase, wird die Batterie mit einem konstanten Ladestrom geladen. Hierbei nimmt die Spannung der Batterie zu. Bei Erreichen einer Schwellspannung beginnt die zweite Phase, wobei die Spannung konstant gehalten wird und der Ladestrom variabel ist. Der Ladestrom nimmt in der zweiten Phase ab. Wird ein minimaler Ladestrom erreicht, wird das Ladeverfahren beendet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen-Batterien) weisen eine reale Produktlebenszeit von ca. 5 bis 20 Jahren auf. Um eine bestmögliche Amortisierung der Lithium-Ionen- Batterien zu erzielen, wäre es wünschenswert, die potenzielle Lebensdauer der Batterien voll auszuschöpfen. Die Lebensdauer von Li-Ionen-Batterien hängt von unterschiedlichen Parametern ab. Eine Aufgabe ist es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, damit die potenzielle Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien bestmöglich ausgeschöpft wird.

Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein adaptives Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie zur Verfügung gestellt, umfassend den Schritt: Laden der Batterie mit einem konstanten Ladestrom I _Lad während einer CC-(Constant Current) Phase und Laden der Batterie mit einer konstanten Spannung U _Lad während einer CV-(Constant Voltage) Phase, umfassend den Schritt: Anpassen des

Ladestroms I _Lad an einen Parameter der Batterie.

Die erfindungsgemäße Ausführungsform führt zu einer kürzeren Ladezeit bei gleichzeitiger Erhöhung der potenziellen Lebensdauer der betreffenden Batterie. Insbesondere kann zunächst ein maximaler Ladestrom während der CC-Phase gewählt werden, der im Laufe der Alterung der Batterie zunehmend reduziert wird. Beispielsweise kann bei einer sehr alten Batterie der Ladestrom als ein Drittel des maximalen Ladestroms bestimmt werden. Es kann dadurch sichergestellt werden, dass ein maximal hoher Ladestrom je nach Alterungszustand der Batterie gewählt werden kann, was zu einer jeweils maximal schnellen Ladung der Batterie führt.

Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung geeignet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen.

Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen

beschrieben.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei der während einer CC-Phase konstante Ladestroms I _Lad über die Zeit streng monoton fallend ist und/oder kontinuierlich fallend ist und/oder eine Absenkung bei jedem Ladezyklus aufweist und/oder konstant an einer aufeinanderfolgenden Serie von Ladezyklen ist.

Während des Ladevorgangs wird der Ladestrom konstant gehalten. Allerdings wird erfindungsgemäß von Ladezyklus zu Ladezyklus der verwendete Ladestrom reduziert. Hierdurch kann der Plating-Effekt verhindert werden. Alternativ kann beim Übergang von einem Ladezyklus zum nächsten Ladezyklus eine deutliche Reduktion des Ladestroms und bei einem oder bei den nachfolgenden Übergängen derselbe Ladestrom eingesetzt werden. Bei einem darauffolgenden Ladezyklus kann wieder eine Reduktion des Ladestroms erfolgen, sodass insgesamt eine streng monoton fallende Kurve des Ladestroms entlang einer wachsenden Anzahl an Ladezyklen erfolgt.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei der Parameter die Alterung bzw. der Alterungsfortschritt der Batterie ist.

Durch eine Anpassung des Ladestroms an den Alterungsfortschritt der Batterie kann der Effekt des Lithium-Platings vermieden werden. Eine lange Lebensdauer der Batterie kann hiermit sichergestellt werden.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren ein CC-CV-Ladeverfahren ist.

Durch eine Verwendung eines Standard-CC-CV-Ladeverfahrens können die Vorgaben der Batteriehersteller erfüllt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie ist und/oder wobei die Anode der Batterie Graphit oder Silizium aufweist. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien kann durch das erfindungsgemäße

Verfahren eine Verlängerung der Lebensdauer der Batterie und eine minimale Ladedauer erreicht werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei sich die Alterung aus der Einsatzzeit der Batterie, dem Ladungsdurchsatz und/oder der Anzahl der Ladezyklen ergibt.

Der Ladungsdurchsatz ist ein guter Indikator des Alterungsfortschritts der Batterie. In einer alternativen Ausführungsform kann der Alterungsfortschritt aus einer

Kombination von Einsatzzeit der Batterie und/oder dem Ladungsdurchsatz und/oder der Anzahl der Ladezyklen bestimmt werden.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend den Schritt: Anpassen des Ladestroms I _Lad mittels eines Batteriemodells und/oder einer daraus abgeleiteten Größe und/oder wobei der Ladestrom I _Lad über die Zeit streng monoton fallend ist und/oder wobei der Ladestom I _Lad über die Zeit konstante Abschnitte aufweist. Durch die Verwendung eines Modells kann eine schnelle und exakte Bestimmung des Ladestroms vorgenommen werden. Es ist wesentlich, dass es sich bei der Erfindung nicht um eine (verbesserte) Anpassung von Parametern während eines einzelnen Ladevorgangs handelt. Vielmehr sollen die Ladeparameter in Abhängigkeit des Alterungszustands der Batterie vor einem jeweiligen Ladevorgang berechnet werden. D.h. dass der einhundertste Ladevorgang der Batterie eine andere (niedrigere) maximale Stromrate für die CC-Ladung verwenden wird, als dies beim ersten Ladevorgang der Fall ist.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die Größe eine Impedanz, ein Impedanzwert der Batterie und/oder die Kapazität der Batterie ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei der konstante Ladestrom I _Lad während einer CC-(Constant Current) Phase von Ladezyklus zu Ladezyklus eine Reduktion aufweist, wobei die Reduktion mit der Abnahme der Kapazität der Batterie korreliert und/oder wobei die Reduktion mit der Zunahme eines Impedanzwertes

(Innenwiderstands) der Batterie korreliert.

Durch eine Anpassung des Ladestroms entsprechend der Korrelation zur aktuellen Kapazität bzw. zu einem bestimmten aktuellen Impedanzwert der Batterie kann ein jeweils größtmöglicher Ladestrom verwendet werden, ohne dass eine dramatische Zunahme des Impedanzwerts und/oder eine dramatische Abnahme der Kapazität der Batterie erfolgt. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei von Ladezyklus zu Ladezyklus die Batterie weniger gekühlt bzw. erhitzt wird.

Durch eine Anpassung der Temperatur an die Anzahl der Ladezyklen bzw. an die aktuelle Kapazität bzw. an den aktuellen Impedanzwert der Batterie kann eine dramatische Zunahme des Impedanzwerts und/oder eine dramatische Abnahme der Kapazität der Batterie verhindert werden.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei der konstante Ladestrom I _Lad während einer CC-(Constant Current) Phase von Ladezyklus zu Ladezyklus eine Reduktion aufweist, wobei die kumulierte Reduktion einen Betrag von 5% bis 50% des ersten Ladestroms I _Lad , bevorzugt von 10%> bis 30%> des ersten Ladestroms I _Lad , insbesondere bevorzugt 20%> des ersten Ladestroms I _Lad , ist. Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, ein altersabhängiges

Ladeverfahren für wiederaufladbare Batterien zur Verfügung zu stellen. Hierbei kann ein CC-CV-Ladeverfahren verwendet werden, wobei in der ersten Phase, der Constant Current-Phase (CC-Phase), ein konstanter Ladestrom verwendet wird, der der Alterung der Batterie angepasst wird. Je älter die Batterie ist, umso geringer kann der konstante Ladestrom gewählt werden. Die Alterung kann anhand der Anzahl der Ladezyklen, des Impedanzwerts der Batterie und/oder der Kapazität der Batterie bestimmt werden. Auf diese Weise kann die Lebensdauer der Batterie deutlich verlängert werden, wodurch sich ein kostengünstiger Einsatz der Batterie ergibt. Durch die erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann dem Lithium-Plating-Effekt entgegengewirkt werden.

Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den

Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen

Fig. 1 eine Darstellung eines CC-CV-Ladeverfahrens,

Fig. 2 eine Entwicklung der Kapazität bei Ladeströmen l _Lad i< l _Lad 2< l _Lad 3 bei zyklischer Belastung und einem CC-CV-Ladeverfahren,

Fig. 3 eine Entwicklung des Impedanzwerts bei Ladeströmen l _Lad i< l _Lad 2< l _Lad 3 bei zyklischer Belastung und einem CC-CV-Ladeverfahren, Fig. 4 eine erfindungsgemäße Reduktion des Ladestroms während der CC-Phase eines CC-CV-Ladeverfahrens in Abhängigkeit vom Alterungsfortschritt der betreffenden Batterie, Fig. 5 unterschiedliche CC-CV-Ladeverfahren, wobei je nach Alterungsfortschritt unterschiedlich hohe Ladeströme 14, 15, 16 verwendet werden und

Fig. 6 Kurven 21, 24 von Ladeströmen. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt die Strom- und Spannungskurven 1, 2, 19, 20 während eines CC-CV- Ladeverfahrens. In einer ersten Phase bis zum Zeitpunkt ti erfolgt die Ladung mit einem konstanten Strom I _Lad 1 · Hierbei steigt die Spannung 2 bis zu einer Spannung U _Lad (CC-Phase: Constant Current). Bei Erreichen dieser Spannung U _Lad wird die Spannung konstant gehalten und der Strom I _Lad 19 nimmt ab. Bei Erreichen eines minimalen Stroms I _en d wird das Ladeverfahren abgebrochen (CV-Phase: Constant Voltage).

Fig. 2 zeigt ein zyklisches Alterungsverhalten 3, 4, 5 von Li-Ionen-Batterien (Li- Ionen-Zellen), wobei stets das CC-CV-Ladeverfahren mit unterschiedlichen

Ladeströmen l _Lad i< l _Lad 2< l _Lad 3 angewandt wurde. Ein hoher Ladestrom I _Lad 3 führt nach relativ wenigen äquivalenten Vollzyklen (Ladezyklen) zu einer erheblichen Abnahme der relativen Kapazität 3 der Batterie. Durch einen geringeren Ladestrom l _Lad 2 kann die Verringerung der relativen Kapazität 4 verzögert werden und ein sehr kleiner Ladestrom l _Lad 3 kann eine dramatische Abnahme der Kapazität 5 verhindern. Dennoch kann die grundsätzliche Tendenz der Abnahme der relativen Kapazität 5 durch die Zunahme der Anzahl der Ladezyklen nicht verhindert werden. Fig. 3 zeigt die Entwicklung des Impedanzwerts 6, 7, 8 der Batterie über eine

Zunahme der Ladezyklen. Es ergibt sich, dass bei einem hohen Ladestrom I _Lad 3 der Impedanzwert 6 bereits nach wenigen Ladezyklen stark zunimmt. Geringere

Ladeströme I _Lad i, l _Lad 2 führen dazu, dass die rasante Zunahme des Impedanzwerts 7, 8 erst bei einer deutlich höheren Anzahl von Ladezyklen stattfindet. Die grundsätzliche Tendenz, dass der Impedanzwert 8 der Batterie mit der Anzahl der Ladezyklen zunimmt, kann nicht verhindert werden.

Den Figuren 2 und 3 kann ein abknickendes Verhalten der Kapazität 3, 4 und des Impedanzwerts 6, 7 der Batterie entnommen werden. Eine zu geringe Kapazität bzw. ein zu hoher Impedanzwert haben zur Folge, dass die Batterie nicht mehr einsatzfähig ist und ausgetauscht werden muss. Die Figuren 2 und 3 haben gezeigt,

dass die Höhe des Ladestroms i _Lad einen Einfluss auf die Lebensdauer der

betreffenden Batterie hat. Äquivalente Vollzyklen entsprechen einer äquivalenten Menge von Ladungsdurchsatz.

Fig. 4 zeigt eine Kennlinie 9 als Beziehung zwischen dem Alterungsfortschritt 10, 11, 12 einer Batterie und unterschiedlichen Ladeströmen I _Lad i , l _Lad 2, l _Lad 3- Hierbei kann mit zunehmendem Alter der Batterie, also mit zunehmender Anzahl der Ladezyklen, eine Verringerung des eingesetzten Ladestroms I _Lad erfolgen, wobei der Ladestrom I _Lad der konstante Ladestrom während der CC-Phase des CC-CV-Ladeverfahrens ist. Beispielsweise kann nach nur wenigen Ladezyklen bzw. einem geringen

Alterungsfortschritt 10 die Batterie mit einem hohen Ladestrom l _Lad 3 geladen werden. Nach einem Fortschritt der Alterung der Batterie kann ein verringerter Ladestrom l _Lad 2 verwendet werden. Ist die Batterie bereits sehr alt, kann ein sehr kleiner

Ladestrom I _Lad i verwendet werden. Hierdurch kann ein„Abknicken" entsprechend den Figuren 2 und 3, also die dramatische Zunahme des Impedanzwerts bzw. die dramatische Abnahme der Kapazität der Batterie hinausgezögert bzw. verhindert werden. Hierdurch wird eine lange Lebensdauer der betreffenden Batterie

sichergestellt. Fig. 5 zeigt unterschiedliche Ladeströme 13, 14, 15, 16, 17, 18 während eines CC- CV-Ladeverfahren. Hierbei kann ein hoher Ladestrom 13 bei einer neuen Batterie und niedrige Ladeströme 17, 18 bei alten Batterien verwendet werden, um eine lange Lebensdauer der betreffenden Batterie zu erzielen.

Fig. 6 zeigt erfindungsgemäße Kurven 21, 24 von Ladeströmen über die Zeit bzw. über den Alterungsfortschritt der Batterie bzw. über die Anzahl der Ladezyklen bzw. über den Ladungsdurchsatz bzw. über äquivalente Vollzyklen. Die Kurve 21 stellt eine optimale Wahl von Ladeströmen dar, wobei jeweils diskrete Punkte je nach Zeit gewählt werden. Die Kurve 24 zeigt eine alternative Kurve mit fallenden

Kurvenabschnitten 22 und konstanten Kurvenabschnitten 23. Während den konstanten Abschnitten 23 wird für mehrere Ladezyklen derselbe Ladestrom verwendet. Darauffolgend ergibt sich eine Reduktion 22 des gewählten Ladestroms. Die Kapazität einer Batterie nimmt mit der Zunahme der Ladezyklen ab. Wird der Ladestrom bei jedem Ladezyklus gleich groß gewählt, so wird der Ladevorgang immer schneller beendet. Allerdings ergibt sich hierdurch, da in den späteren

Ladezyklen ein zu großer Ladestrom gewählt wird, eine drastische Zunahme des Impedanzwerts und eine drastische Abnahme der Kapazität (Plating). Außerdem wird zu Lebensdauerbeginn der Batterie kein optimal schneller Ladevorgang durchgeführt, da zu Lebensdauerbeginn ein höherer Ladestrom gewählt werden könnte.

Erfindungsgemäß wird daher der Ladestrom an den Alterungsfortschritt angepasst, wodurch sehr schnelle Ladevorgänge am Beginn der Lebensdauer der Batterie erreicht werden können. Ferner wird das Plating vermieden.

Es sei angemerkt, dass der Begriff„umfassen" weitere Elemente oder

Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff„ein" und„eine" mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt. Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1 Strom während einer CC-Phase

2 Spannungskurve während einer CC-Phase

3 Kapazitätsverlauf bei hohem Ladestrom l _Lad 3

4 Kapazitätsverlauf bei mittlerem Ladestrom l _Lad 2

5 Kapazitätsverlauf bei kleinem Ladestrom I _Lad i

6 Verlauf des Impedanzwerts bei hohem Ladestrom I _Lad 3

7 Verlauf des Impedanzwerts bei mittlerem Ladestrom I _Lad 2

8 Verlauf des Impedanzwerts bei kleinem Ladestrom I _Lad i

9 Kennlinie als Beziehung zwischen Alterungsfortschritt der Batterie und Ladestrom

10 geringes Alter der Batterie

11 mittleres Alter der Batterie

12 hohes Alter der Batterie

13 hoher Ladestrom I _Lad 3

14 Kennlinie bei hohem Ladestrom l _Lad 3

15 Kennlinie bei mittlerem Ladestrom l _Lad 2

16 Kennlinie bei kleinem Ladestrom I _Lad i

17 mittlerer Ladestrom l _Lad 2

18 kleiner Ladestrom I _Lad i

19 Stromkurve während einer CV-Phase

20 Spannung während einer CV-Phase

21 erste erfindungsgemäße Kurve des Ladestroms

22 fallender Kurvenabschnitt

23 konstanter Kurvenabschnitt

24 zweite erfindungsgemäße Kurve des Ladestroms

ti Grenzzeitpunkt CC-Phase und CV-Phase

t ₂ Ende des Ladevorgangs

lend Ladestrom bei Abbruch der CV-Phase

I _Lad i kleiner Ladestrom