Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit wenigstens einer wiederaufladbaren Batterie.

Bei einer derartigen Vorrichtung ist wenigstens eine wiederaufladbare Batterie über einen elektrischen Wandler, der beispielsweise von einem DC/DC-Wandler oder DC/AC -Wandler gebildet sein kann, an ein übergeordnetes System ange schlossen. Mit dem elektrischen Wandler kann elektrische Energie der wieder aufladbaren Batterie entnommen oder dieser zugeführt werden. Typischerweise kann eine derartige Vorrichtung auch mehrere wiederaufladbare Batterien um fassen, wobei dann jeder wiederaufladbaren Batterie ein an das übergeordnete System angeschlossener elektrischer Wandler zugeordnet ist.

Wiederaufladbare Batterien erlangen in der carbonreduzierten und carbonfreien Energieversorgung eine steigende Bedeutung. Dies gilt sowohl für mobile An wendungen als auch für stationäre Anwendungen. Die mobilen Anwendungen reichen vom klassischen Automobil über verschiedene Arten von Nutzfahrzeu- gen bis zu mobilen Arbeitsmaschinen und Schiffen. Die stationären Anwendun gen betreffen vor allem die Erzeugung von elektrischem Strom als Inselnetz oder zur Einspeisung in öffentliche Netze.

Ein wesentlicher Aspekt für eine wirtschaftliche Nutzung von wiederaufladba ren Batterien sind die Gebrauchskosten je Betriebsstunde und damit verbunden die Lebensdauer einer wiederaufladbaren Batterie. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge nannten Art bereitzustellen, welcher bei geringem konstruktivem Aufwand eine hohe Funktionalität aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin dung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit wenigstens einer wiederaufladbaren Batterie und einem dieser zugeordneten elektrischen Wandler, welcher an ein übergeordnetes System angeschlossen ist. Der elektrische Wandler ist ausgebil det elektrische Energie aus der wiederaufladbaren Batterie zu entnehmen oder in diese einzuspeisen. Mittels des elektrischen Wandlers werden Kenngrößen der wiederaufladbaren Batterie während deren Betriebs ermittelt. Alternativ oder zu sätzlich sind Mittel zur Beeinflussung der Betriebsweise der wiederaufladbaren Batterie vorgesehen.

Die Funktion der erfmdungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch erhöht, dass der oder die elektrischen Wandler nicht nur dazu genutzt werden, um Energie aus den wiederaufladbaren Batterien zu entnehmen oder in diese einzuspeisen und dabei für eine Ankopplung der wiederaufladbaren Batterie an ein übergeordnetes System zu sorgen.

Vielmehr werden erfmdungsgemäß mit dem oder den elektrischen Wandlern Kenngrößen der wiederaufladbaren Batterie erfasst, wobei diese Erfassung in- situ, das heißt direkt an der Vorrichtung, und vorteilhaft fortlaufend und auch zeitaufgelöst erfolgt. Durch die Erfassung dieser Kenngrößen werden Informa tionen über die aktuellen Betriebszustände der wiederaufladbaren Batterie ge wonnen, wodurch eine umfassende Kontrolle der wiederaufladbaren Batterie er möglicht wird. Erfmdungsgemäß ist nicht nur eine Kontrolle im Sinne eines Mo nitorings der wiederaufladbaren Batterie möglich. Vielmehr können, insbeson- dere abhängig von den erfassten Kenngrößen, Steuervorgänge durchgeführt wer den, die an den aktuellen Betriebszustand der wiederaufladbaren Batterie ange passt sind oder auch die Betriebszustände der wiederaufladbaren Batterie opti mieren können. Dabei wird vorteilhaft mittels der Kenngrößen der Alterungszustand der oder jeder wiederaufladbaren Batterie bestimmt.

Weiterhin werden mittels der Kenngrößen alterungsrelevante Betriebsweisen der oder jeder wiederaufladbaren Batterie bestimmt.

Schließlich ist die Betriebsweise der oder jeder wiederaufladbaren Batterie der- art beeinflusst, dass deren Gebrauchsdauer erhöht wird.

Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nur eine wiederaufladbare Batterie aufweisen, der ein elektrischer Wandler zugeordnet ist.

Besonders vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Mehrfach anordnung von wiederaufladbaren Batterien auf. Jede wiederaufladbare Batterie ist über einen elektrischen Wandler an das übergeordnete System angeschlossen.

Eine derartige Mehrfachanordnung von wiederaufladbaren Batterien mit jeweils einem zugeordneten elektrischen Wandler eignet sich besonders gut für die Steu erung der Betriebsweisen der wiederaufladbaren Batterie.

Vorteilhaft kann dazu die Betriebsweise dieser wiederaufladbaren Batterie ge- zielt derart modifiziert werden, dass für diese ein Betriebszustand erzielt wird, bei welchem die Gebrauchs-, das heißt Lebensdauer dieser wiederaufladbaren Batterie erhöht wird. Die anderen wiederaufladbaren Batterien werden dann so gesteuert, dass mit diesen die Modifikation der Betriebsweise der ersten wieder aufladbaren Batterie kompensiert wird, so dass für das Gesamtsystem, und ins- besondere das übergeordnete System zu jedem Zeitpunkt deren geforderte Ei genschaften erfüllt sind. Bei einer wechselnden vorzugsweise periodischen Mo difikation von Betriebsweisen von wiederaufladbaren Batterien kann die Steue rung besonders vorteilhaft derart erfolgen, dass im Wechsel oder sogar gleich zeitig einige wiederaufladbaren Batterien der Mehrfachanordnung in einer dieser Lebensdauer erhöhenden Betriebsweise betrieben werden.

Für eine derartige Steuerung kann der oder jeder elektrische Wandler ein Steu ermittel zur Beeinflussung der Betriebsweise der oder jeder wiederaufladbaren Batterie bilden.

Alternativ oder zusätzlich kann eine an dem oder jeden elektrischen Wandler angeschlossene Steuereinheit zur Beeinflussung der Betriebsweise der oder je der wiederaufladbaren Batterie vorgesehen sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der oder jeder elektrische Wandler von einem DC/DC-Wandler gebildet.

In diesem Fall können der oder die DC/DC-Wandler an ein Gleichspannungsnetz angeschlossen sein, wobei dieses das übergeordnete System bildet.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist der oder jeder elektrische Wandler von einem DC/AC -Wandler gebildet.

In diesem Fall können als übergeordnetes System Systeme mit Motoren vorge sehen sein. Gemäß einer ersten Variante können die DC/AC -Wandler an einen Motor angeschlossen werden, wobei die DC/AC -Wandler unterschiedliche Teil wicklungen des Motors speisen.

Gemäß einer zweiten Variante kannjeder DC/AC -Wandler jeweils an einen Mo tor angeschlossen sein, wobei die Motoren über ein Summiergetriebe verbunden sind. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind zur Messung von Kenngrößen Sensoren vorgesehen, die in einem elektrischen Wandler integriert oder diesem zugeordnet sind.

Vorteilhaft werden als Kenngrößen Strom und Spannung einer wiederaufladba- ren Batterie erfasst.

Hierzu kann zur Erfassung von Kenngrößen einer wiederaufladbaren Batterie deren Lade- und/oder Entladestrom mittels eines elektrischen Wandlers modifi ziert werden.

Dabei wird durch die Modifikation des Lade- und/oder Entladestroms für die wiederaufladbare Batterie die Spannung in Abhängigkeit des Stroms bestimmt.

Anhand dieser Strom-Spannungs-Kennlinie kann der Alterungszustand einer wiederaufladbaren Batterie besonders gut analysiert werden, insbesondere wenn diese zeitabhängig erfasst wird.

Gemäß einer weiteren Variante ist der Lade- und/oder Entladestrom dadurch modifiziert, dass mittels eines elektrischen Wandlers einem Gleichstrom ein Wechselstrom mit variabler Frequenz und Amplitude überlagert ist. Der Wech selstrom ist vorzugsweise sinusförmig.

In diesem Fall wird als Kenngröße der komplexe Wechselstromwiderstand der wiederaufladbaren Batterie bestimmt. Durch Variation der Frequenz des überlagerten Wechselstroms mit simultaner Messung von Strom und Spannung entspricht dieser in-situ-Betrieb dem Verfah ren einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie. Eine mehrfache Durchfüh rung mit Variation von Frequenz und Amplitude führt zu charakteristischen Kur ven, welche zugeordnet zu Temperatur und Ladezustand zum Alterungszustand verschiedener Komponenten der Batterie Informationen liefern können. Die In formationen zu Temperatur und Ladezustand liefert die Batterie über ihr BMS (B atteri eManagementSy stem) .

Vorteilhaft können in dem oder jedem elektrischen Wandler ermittelte Messda- ten in der Steuereinheit ausgewertet werden.

Alternativ oder zusätzlich können in dem oder jedem elektrischen Wandler er fasste Messdaten an eine externe Rechnereinheit auslesbar sein, wobei die Rech nereinheit zur Auswertung der Messdaten ausgebildet ist.

Insbesondere kann die Rechnereinheit Bestandteil einer Cloud sein. Die Ankopplung an die Rechnereinheit kann mit einer berührungslos arbeiten den Datenübertragungsstrecke erfolgen, wobei insbesondere Funksignale zur Datenübertragung verwendet werden.

Damit ist eine flexible, räumlich von der Vorrichtung völlig entkoppelte Aus wertung der Daten der wiederaufladbaren Batterie möglich. Dabei können die Messdaten fortlaufend oder nur während Wartungsvorgängen übertragen werden.

Vorteilhaft enthalten die Messdaten eine individuelle Kennung für die jeweilige wiederaufladbare Batterie.

Dadurch sind die Messdaten eindeutig der wiederaufladbaren Batterie zugeord net, für welche diese aufgenommen wurden. Die Messdaten können somit spe zifisch für eine Kontrolle des Alterungszustands dieser wiederaufladbaren Bat terie verwendet werden.

Weiter vorteilhaft werden die Messdaten chiffriert übertragen. Damit können nur autorisierte Personen Zugang zu den Messdaten erhalten.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind anhand der Messdaten Leitlinien oder Handlungsempfehlungen für den Betrieb von wiederaufladbaren Batterien zur Erhöhung deren Gebrauchsdauer erstellbar. Weiter vorteilhaft sind aus den Messdaten Informationen für die Weiterentwick lung von wiederaufladbaren Batterien ableitbar.

Damit können Entwicklungsprozesse bei der Entwicklung von wiederaufladba ren Batterien erheblich effizienter gestaltet werden.

Besonders vorteilhaft wird bei einer Mehrfachanordnung von wiederaufladbaren Batterien in einem zyklischen Betrieb jeweils Energie von einer Batterie den je weils anderen Batterien zugeführt, wodurch diese anderen Batterien erwärmt werden.

Dieser zyklische Betrieb wird so durchgeführt, dass innerhalb jedes Zyklus jede Batterie einmal Energie an die jeweils anderen Batterien überträgt. Dieser Be- trieb wird für eine vorgegebene Zeit aufrechterhalten, um so kalte Batterien ef fizient zu erwärmen. Die so erwärmten Batterien sind besser für Lade- und Ent ladevorgänge einsetzbar, als zu kalte Batterien.

Bei diesem Betriebsmodus wird der Umstand ausgenutzt, dass bei einer Batterie im kalten Zustand der technisch erlaubte Entladestrom erheblich höher als der Ladestrom ist.

Dieser Betriebsmodus funktioniert besonders gut, wenn wenigstens drei Batte rien vorgesehen sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand den Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 : Erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Figur 2: Zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 3 : Drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 4: Darstellung des Verlaufs des komplexen Widerstands einer wieder aufladbaren Batterie in Abhängigkeit der Modulationsfrequenz eines überlagerten Wechselstroms.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung F Die Vorrichtungen 1 gemäß den Figuren 1 bis 3 weisen jeweils eine Mehrfachanordnung von wiederaufladbaren Batterien 2 auf, die beispiels weise als Lithium-Ionen-Batterien ausgebildet sein können. Die wiederauflad- baren Batterien 2 einer Mehrfachanordnung sind im vorliegenden Fall identisch ausgebildet, was jedoch nicht zwingend ist.

Generell kann eine Vorrichtung 1 auch nur eine wiederaufladbare Batterie 2 auf- weisen. Ebenso kann die Vorrichtung 1 mehr als zwei wiederaufladbare Batte rien 2 aufweisen. Bei allen Ausführungsbeispielen ist jeder wiederaufladbaren Batterie 2 ein elektrischer Wandler zur Ankopplung an ein übergeordnetes System zugeordnet.

Die wiederaufladbaren Batterien 2 werden mit dem jeweils zugeordneten elektri schen Wandler so betrieben, dass die wiederaufladbare Batterie 2 mit einem La destrom geladen werden kann oder mit einem Entladestrom Energie aus der wie- deraufladbaren Batterie 2 entnommen werden kann um diese dem übergeordne ten System zuzuführen.

Bei der Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 ist jeder wiederaufladbaren Batterie 2 ein elektrischer Wandler in Form eines DC/DC-Wandlers 3 zugeordnet. Das über- geordnete System ist in diesem Fall in Form eines Gleichspannungsnetzes 4 aus gebildet. Dieses kann dann über DC/AC -Wandler Motoren antreiben oder ein Inselnetz bilden oder in ein öffentliches Stromnetz Energie einspeisen.

Bei der Vorrichtung 1 gemäß Figur 2 ist jeder wiederaufladbaren Batterie 2 ein elektrischer Wandler in Form eines DC/AC -Wandlers 5 zugeordnet. Das über geordnete System ist im vorliegenden Fall von einem Motor 6 gebildet. Über die DC/AC -Wandler 5 wird Energie in getrennte Teil Wicklungen des Motors 6 ein gespeist.

Auch bei der Vorrichtung 1 gemäß Figur 3 ist jeder wiederaufladbaren Batterie 2 ein elektrischer Wandler in Form eines DC/AC -Wandlers 5 zugeordnet. Das übergeordnete System ist von zwei Motoren 6a, 6b gebildet, die über ein Sum miergetriebe 7 gekoppelt sind. Mit jedem DC/AC -Wandler 5 wird ein Motor 6a, 6b angesteuert.

Erfindungsgemäß werden mit den elektrischen Wandlern Kenngrößen erfasst, anhand derer Informationen über den Betriebszustand der zugeordneten wieder aufladbaren Batterie 2 ermittelt werden.

Dabei wird mittels den Kenngrößen der Alterungszustand der oder jeder wieder aufladbaren Batterie 2 bestimmt.

Weiterhin werden mittels den Kenngrößen alterungsrelevante Betriebsweisen der oder jeder wiederaufladbaren Batterie 2 bestimmt.

Hierzu sind zur Messung von Kenngrößen Sensoren vorgesehen, die in einem elektrischen Wandler integriert oder diesem zugeordnet sind.

Erfindungsgemäß erfolgt weiterhin eine Beeinflussung der Betriebsweise der wiederaufladbaren Batterie 2, insbesondere in Abhängigkeit der ermittelten Kenngrößen. Dabei ist der Betriebsweise der oder jeder wiederaufladbaren Batterie 2 derart beeinflusst, dass deren Gebrauchsdauer erhöht wird.

Für die Beeinflussung der Betriebsweise der wiederaufladbaren Batterie 2 sind geeignete Steuermittel vorgesehen. Diese können generell von den elektrischen Wandlern selbst gebildet sein.

Alternativ oder zusätzlich ist als Steuermittel eine Steuereinheit 8 vorgesehen, die an die elektrischen Wandler angeschlossen ist, wie die Figuren 1 bis 3 zeigen.

Mit den Steuermitteln wird gezielt die Betriebsweise der wiederaufladbaren Bat terie 2 modifiziert und zwar derart, dass deren Lebensdauer beziehungsweise Gebrauchsdauer erhöht wird. Die Steuerung kann vorteilhaft in Abhängigkeit der ermittelten Kenngrößen erfolgen.

Wird bei den Vorrichtungen 1 der Figuren 1 bis 3 die Betriebsweise einer der wiederaufladbaren Batterien 2 so gesteuert, dass deren Gebrauchsdauer erhöht wird, so wird die weitere wiederaufladbare Batterie 2 so gesteuert, dass die ge- forderten Eigenschaften des Gesamtsystems hiervon unbeeinträchtigt bleiben.

Die Steuereinheit 8 kann auch zur Auswertung von mit den elektrischen Wand lern generierten Messdaten eingesetzt werden. Im vorliegenden Fall ist hierzu eine Rechnereinheit 9 vorgesehen, die über eine bidirektionale Datenübertra gungsstrecke 10 mit den elektrischen Wandlern verbunden ist (Figur 1 bis 3). Die Datenübertragungsstrecke 10 kann leitungsgebunden ausgebildet sein. Im vorliegenden Fall arbeitet die Datenübertragungsstrecke 10 berührungslos, wo bei vorteilhaft über diese Daten in Form von Funksignalen übertragen werden. Die Rechnereinheit 9 kann ein Cloud-Rechner einer Cloud sein. Vorteilhaft sind die Messdaten für eine wiederaufladbare Batterie 2 mit einer diese wiederaufladbare Batterie 2 eindeutig kennzeichnenden Kennung verse hen, so dass die Messdaten bei der Auswertung eindeutig der wiederaufladbaren Batterie 2 zugeordnet werden können. Weiter vorteilhaft werden die Messdaten über die Datenübertragungsstrecke 10 chiffriert übertragen, so dass nur autorisierte Personen Zugang zu den Messdaten haben.

Die Messdaten können generell fortlaufend von den elektrischen Wandlern an die Rechnereinheit 9 übertragen werden. Alternativ können die Messdaten nur innerhalb diskreter Zeitintervalle, beispielsweise während Wartungsvorgängen, übertragen werden.

Im vorliegenden Fall werden als Kenngrößen Strom und Spannung einer wie deraufladbaren Batterie 2 erfasst.

Hierzu kann zur Erfassung von Kenngrößen einer wiederaufladbaren Batterie 2 deren Lade- und/oder Entladestrom mittels eines elektrischen Wandlers modifi ziert werden. Durch die Modifikation des Lade- und/oder Entladestroms für die wiederaufladbare Batterie 2 ist die Spannung in Abhängigkeit des Stroms be stimmt.

Weiterhin kann der Lade- und/oder Entladestrom dadurch modifiziert sein, dass mittels eines elektrischen Wandlers einem Gleichstrom ein Wechselstrom mit variabler Frequenz und Amplitude überlagert ist.

Dabei wird als Kenngröße der komplexe Wechselstromwiderstand der wieder aufladbaren Batterie 2 bestimmt.

Ein Ergebnis einer derartigen Analyse zeigt Figur 4. In Figur 4 ist der Verlauf des ermittelten komplexen Widerstands R im mOhm über der Modulationsfrequenz f in Hz eines überlagerten Wechselstroms darge stellt.

Wie aus Figur 4 ersichtlich unterscheidet sich der frequenzabhängige Verlauf des Wechselstroms für eine alte wiederaufladbare Batterie 2, bei der der Alte rungsprozess bereits fortgeschritten ist, deutlich von dem Verlauf für eine neue wiederaufladbare Batterie 2.

Durch derartige Analysen, vorzugsweise in Abhängigkeit vom Ladezustand und der Temperatur der wiederaufladbaren Batterie 2, können Informationen über Alterungen einzelner Komponenten der wiederaufladbaren Batterie 2 gewonnen werden.

Hierzu gehören neben der Alterung der Kathode und Anode der wiederauflad baren Batterie 2 auch die chemische Zersetzung der Elektrolyten der wiederauf ladbaren Batterie 2. Weiter gehören hierzu die Alterungen von Separatoren, die zu einer Erhöhung des Durchtrittswiderstands für die Ionen der wiederaufladba ren Batterie 2 führt. Schließlich können auch Alterungen von passiven Kompo nenten wie Bindern erfasst werden.

Die ermittelten Kenngrößen können für unterschiedliche Zwecke in der Rech nereinheit 9 ausgewertet werden. Insbesondere sind anhand der Messdaten Leitlinien oder Handlungsempfehlun gen für den Betrieb von wiederaufladbaren Batterien 2 zur Erhöhung deren Ge brauchsdauer erstellbar.

Weiterhin sind aus den Messdaten Informationen für die Weiterentwicklung von wiederaufladbaren Batterien 2 ableitbar. Bezugszeichenliste

(1) Vorrichtung

(2) wiederaufladbare Batterie

(3) DC/DC-Wandler

(4) Gleichspannungsnetz (5) DC/AC -Wandler

(6) Motor

(6a) Motor

(6b) Motor

(7) Summiergetriebe (8) Steuereinheit

(9) Rechnereinheit

(10) Datenübertragungsstrecke

R Widerstand

f Modulationsfrequenz