Verfahren zum Laden eines elektrochemischen Energiespeichers, ein

Batteriemanagementsystem, ein Batteriesystem und eine Verwendung des Batteriesystems

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines elektrochemischen

Energiespeichers, ein Batteriemanagementsystem, ein Batteriesystem und eine Verwendung des Batteriesystems.

Das Dokument DE 102008053141 AI beschreibt ein Verfahren und eine

Steuerung zum Aufladen einer Batterie eines Fahrzeugs. Dabei wird das

Fahrzeug durch einen Elektromotor angetrieben, welcher von einer Batterie gespeist wird. Ein Zeitpunkt, zu welchem das Fahrzeug benutzt werden wird, und eine Fahrstrecke, die von dem Fahrzeug ab diesem Zeitpunkt zu fahren ist, können vorgegeben werden. Abhängig von dem Zeitpunkt und der Fahrstrecke wird die Batterie derart aufgeladen, dass die Batterie zu dem vorgegebenen Zeitpunkt mit einer für die Fahrstrecke ausreichenden Ladung aufgeladen ist.

Nachteilig ist hierbei, dass die Batterie zwar zum vorgegebenen Zeitpunkt die gewünschte Ladung aufweist, das Fahrzeug jedoch nicht betrieben werden kann, da die Temperatur der Batterie den Betrieb des Fahrzeugs nicht zulässt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu überwinden. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laden eines elektrochemischen

Energiespeichers, insbesondere einer Batterie, umfasst das Erfassen eines ersten Eingabesignals, das Erfassen eines zweiten Eingabesignals, das

Bestimmen eines Istladezustands des elektrochemischen Energiespeichers und das Erfassen einer Anfangstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers. Das Verfahren umfasst außerdem das Bestimmen eines Temperaturhubs in Abhängigkeit einer vorgegebenen Betriebsdauer und mindestens eines weiteren Parameters, sowie das Bestimmen einer Endtemperatur des elektrochemischen Energiespeichers, wobei die Endtemperatur eine Differenz einer maximal zulässigen Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers und des Temperaturhubs ist. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erzeugen eines Ladesignals in Abhängigkeit der Anfangstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers, der Endtemperatur des elektrochemischen Energiespeichers, des ersten Eingabesignals, des zweiten Eingabesignals und des Istladezustands des elektrochemischen Energiespeichers, wobei das Ladesignal einen

Ladestrom umfasst, und das Ansteuern einer Ladevorrichtung mittels Ladesignal zum Laden des elektrochemischen Energiespeichers.

Der Vorteil ist hierbei, dass der elektrochemische Energiespeicher unmittelbar nach dem Beenden des Ladevorgangs einsetzbar ist.

In einer Weiterbildung repräsentiert das erste Eingabesignal einen

Nutzungszeitpunkt des elektrochemischen Energiespeichers. Mit anderen Worten es handelt sich hierbei um den Zeitpunkt an dem der elektrochemische Energiespeicher verwendet werden bzw. gestartet werden soll.

In einer weiteren Ausgestaltung repräsentiert das zweite Eingabesignal einen Sollladezustand des elektrochemischen Energiespeichers zum

Nutzungszeitpunkt. Mit anderen Worten es handelt sich hierbei um einen vom Nutzer gewünschten Ladezustand des elektrochemischen Energiespeichers zum Nutzungszeitpunkt. In einer Weiterbildung ist der mindestens eine weitere Parameter ein konstant entnehmbarer maximaler Entladestrom des elektrochemischen Energiespeichers oder ein entnehmbarer Entladestrom, der aus einer bisherigen

Verwendungsweise des elektrochemischen Energiespeichers bestimmt wird.

Der Vorteil ist hierbei, dass der Ladevorgang des elektrochemischen Ladevorgangs an die anschließende Verwendungsweise des Nutzers angepasst werden kann.

In einer Weiterbildung wird ein Alterungszustand des elektrochemischen

Energiespeichers bestimmt und das Ladesignal in Abhängigkeit des

Alterungszustands des elektrochemischen Energiespeichers eingestellt.

Vorteilhaft ist hierbei, dass durch den angepassten Ladestrom die Alterung beeinflusst werden kann. Somit kann beispielsweise eine fortschreitende Alterung durch langsames Laden verringert werden. Es ist jedoch auch möglich bei definierter verbleibender Lebensdauer der Batterie, z.B. bis zum terminierten Tausch der Batterie, einen höheren Ladestrom zu verwenden und damit die Ladezeit zu reduzieren.

In einer weiteren Ausgestaltung wird der Ladestrom auf einen maximal

zulässigen Ladestrom des elektrochemischen Energiespeichers begrenzt.

Der Vorteil ist hierbei, dass der elektrochemische Energiespeicher durch den

Ladevorgang nicht zerstört werden kann.

In einer Weiterbildung wird ein Informationssignal insbesondere zum Zeitpunkt eines Ladebeginns erzeugt. Das Informationssignal gibt an, dass ein

tatsächlicher Ladezustand des elektrochemischen Energiespeichers zum

Nutzungszeitpunkt kleiner sein wird als der Sollladezustand, d. h. der vom Nutzer gewünschte Ladezustand.

Vorteilhaft ist hierbei, dass ein Nutzer über den tatsächlichen Ladezustand zum

Nutzungszeitpunkt bei Ladebeginn informiert werden kann. Dadurch erhält der Nutzer die Möglichkeit seine Eingaben bezüglich des Nutzungszeitpunkts und des gewünschten Ladezustands gegebenenfalls anzupassen. In einer weiteren Ausgestaltung wird das Informationssignal auf einem HMI des elektrochemischen Energiespeichers, einem HMI eines Fahrzeugs oder einem mobilen Endgerät angezeigt bzw. ausgegeben.

Das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem umfasst eine Steuereinheit und einen Speicher, wobei das Batteriemanagementsystem eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst mindestens einen

elektrochemischen Energiespeicher und ein erfindungsgemäßes

Batteriemanangementsystem.

In einer Weiterbildung umfasst der elektrochemische Energiespeicher Li-Ionen- Zellen, LiS-Zellen, LiO-Zellen oder Feststoffzellen.

Erfindungsgemäß wird das Batteriesystem in einem Fahrzeug verwendet.

In einer Weiterbildung ist das Fahrzeug ein elektrisch betriebenes Zweirad, insbesondere ein Roller.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter

Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Batteriesystem und

Figur 2 ein Verfahren zum Laden eines elektrochemischen

Energiespeichers. Figur 1 zeigt ein Batteriesystem 100 mit einem Batteriemanagementsystem 115, einer Ladevorrichtung 114, einem Batterietemperatursensor 106 und einer Batteriespannungsmesseinheit 104. Das Batteriesystem 100 umfasst mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, der in Figur 1 nicht gezeigt ist. Der elektrochemische Energiespeicher umfasst dabei beispielsweise Li-Ionen-Zellen, LiS-Zellen, LiO-Zellen oder Feststoffzellen. Das Batteriemanagementsystem 115 umfasst eine Steuereinheit 111 und einen Speicher 112. Optional umfasst das Batteriemanagementsystem 115 einen Umgebungstemperatursensor 108. Das Batteriemanagementsystem 115 ist dazu eingerichtet ein erstes Eingabesignal 102 und ein zweites Eingabesignal 103 zu erfassen. Das erste Eingabesignal

102 repräsentiert einen von einem Nutzer gewünschten Zeitpunkt zu dem der elektrochemische Energiespeicher betrieben werden soll. Das zweite

Eingangssignal 103 repräsentiert einen vom Nutzer gewünschten Ladezustand zum Nutzungszeitpunkt des elektrochemischen Energiespeichers. Das

Batteriemanagementsystem 115 erfasst mit Hilfe des

Umgebungstemperatursensors 108 ein Umgebungstemperatursignal 109. Das Batteriemanagementsystem 115 erfasst mit Hilfe des Batterietemperatursensors 106 ein aktuelles Batterietemperatursignal 107, das eine Anfangstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers repräsentiert, insbesondere zum

Ladebeginn. Des Weiteren erfasst das Batteriemanagementsystem 115 mit Hilfe der Batteriespannungsmesseinheit 104 die Spannung 105 des

elektrochemischen Energiespeichers zum Zeitpunkt eines Verbindens des elektrochemischen Energiespeichers mit der Ladevorrichtung 114. Die

Steuereinheit 111 bestimmt mit Hilfe der Spannung 105 einen SoC-Wert, den sogenannten Istladezustand des elektrochemischen Energiespeichers. Die Steuereinheit 111 erzeugt ein Informationssignal 110, das angibt, dass der tatsächliche Ladezustand des elektrochemischen Energiespeichers zum

Nutzungszeitpunkt kleiner sein wird als der vom Nutzer gewünschte

Ladezustand. Zusätzlich kann das Informationssignal 108 Informationen zum aktuellen Ladezustand und zur verbleibenden Ladedauer umfassen. Die

Steuereinheit 111 umfasst einen Mikrocontroller. Das

Batteriemanagementsystem 115 erzeugt ein Ladesignal 113, das einen

Ladestrom umfasst. Das erste Eingabesignal 102 und das zweite Eingabesignal

103 können mittels einer Ein- /Ausgabeeinheit 101 eingegeben werden. Das Informationssignal 108 wird mittels der Ein-/ Ausgabeeinheit 101 ausgegeben bzw. angezeigt. Die Ein-/Ausgabeeinheit 101 ist beispielsweise ein HMI bzw. ein Display des elektrochemischen Energiespeichers oder eines mobilen Endgeräts. Das mobile Endgerät ist beispielsweise ein Smartphone oder ein Tablett.

Alternativ können das erste Eingangssignal 102 und das zweite Eingangssignal 103 in dem Speicher 112 hinterlegt werden. Wird kein erstes Eingangssignal 102 und kein zweites Eingangssignal 103 über die Ein-/Ausgabeeinheit 101 eingegeben, so werden die hinterlegten Werte des ersten Eingangssignals 102 und des zweiten Eingangssignals 103 aus dem Speicher 112 erfasst. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Ein-/Ausgabeeinheit 101 ein HMI bzw. Display eines Fahrzeugs.

Figur 2 zeigt das Verfahren 200 zum Laden eines elektrochemischen

Energiespeichers. Das Verfahren 200 startet mit dem Schritt 210, in dem ein erstes Eingabesignal erfasst wird. Das erste Eingabesignal repräsentiert dabei einen Nutzungszeitpunkt des elektrochemischen Energiespeichers. In einem folgenden Schritt 220 wird ein zweites Eingabesignal erfasst. Das zweite Eingabesignal repräsentiert einen Sollladezustand des elektrochemischen Energiespeichers zum Nutzungszeitpunkt, d. h. einen vom Nutzer gewünschten Ladezustand zum Nutzungszeitpunkt. Die Schritte 210 und 220 können auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden, sodass zuerst das zweite Eingabesignal erfasst wird und danach das erste Eingabesignal. Das erste Eingabesignal und das zweite Eingabesignal können auch als bevorzugte Werte des Nutzers im Speicher hinterlegt werden, beispielsweise wenn der Nutzer jeden Tag zur gleichen Uhrzeit einen bestimmten Ladezustand der Batterie benötigt. Werden entweder das erste Eingangssignal oder das zweite

Eingangssignal oder beide nicht über das Mittel eingegeben, so werden die hinterlegten Werte des ersten Eingangssignals und/ oder des zweiten

Eingangssignals aus dem Speicher erfasst. In einem folgenden Schritt 240 wird ein Istladezustand des elektrochemischen Energiespeichers bestimmt. Dazu erfasst das Batteriemanagementsystem mit Hilfe der

Batteriespannungsmesseinheit die Spannung der Batterie, woraus der SoC-Wert der Batterie bestimmt wird. In einem folgenden Schritt 250 wird eine

Anfangstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers mit Hilfe eines Batterietemperatursensors erfasst. Bei der Anfangstemperatur handelt es sich insbesondere um die Batterietemperatur zum Zeitpunkt des elektromechanischen Verbindens des elektrochemischen Energiespeichers mit der Ladevorrichtung. In einem folgenden Schritt 280 wird ein Temperaturhub in Abhängigkeit einer vorgegebenen Betriebsdauer und mindestens eines weiteren Parameters bestimmt. Der Begriff vorgegebene Betriebsdauer umfasst dabei auch eine vorgegebene Ladekapazität oder eine vorgegebene Reichweite. Unter dem Begriff Temperaturhub ist der Temperaturhub zu verstehen, der durch einen Entladevorgang des elektrochemischen Energiespeichers zu erwarten ist, wobei der Entladevorgang mit dem Nutzungszeitpunkt beginnt. In einem folgenden Schritt 290 wird eine Endtemperatur des elektrochemischen Energiespeichers bestimmt. Die Endtemperatur ist dabei als Differenz einer maximal zulässigen Temperatur bzw. Betriebstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers und des Temperaturhubs definiert, wobei die maximal zulässige

Betriebstemperatur im Speicher hinterlegt ist. Mit anderen Worten die

Endtemperatur ist dabei die Temperatur, die der elektrochemische

Energiespeicher maximal zum Nutzungszeitpunkt aufweisen darf, damit die anschließende Verwendung des elektrochemischen Energiespeichers gewährleistet ist. In einem folgenden Schritt 300 wird ein Ladesignal in

Abhängigkeit der Anfangstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers, der Endtemperatur des elektrochemischen Energiespeichers, des ersten

Eingabesignals, des zweiten Eingabesignals und des Istladezustands des elektrochemischen Energiespeichers erzeugt. Das Ladesignal umfasst dabei einen Ladestrom. In einem folgenden Schritt 310 wird eine Ladevorrichtung mit Hilfe des Ladesignals angesteuert, sodass der elektrochemische

Energiespeicher geladen wird.

Der zu erwartende Temperaturhub wird durch eine Recheneinheit ermittelt. Vorteilhafterweise wird die aktuelle Außentemperatur des Fahrzeuges an die Recheneinheit übermittelt. Die Recheneinheit wird über Sensoren zu jeder Zeit über den tatsächlichen Stromfluss in und aus dem Energiespeicher informiert. In der Recheneinheit liegen mindestens ein Parameter, der den

Wärmeübergangswiderstand aus dem Energiespeicher zur Umgebung festlegt. Die Recheneinheit verfügt über mindestens ein Modell, das basierend auf den Eingangsgrößen und den Parametern vorhersagt, welcher Temperaturhub sich bei den aktuellen Messwerten und Parametern einstellt.

Optional verfügt die Recheneinheit über ein Verfahren, das aus den Messwerten und Parametern und den sich tatsächlich einstellenden Temperaturen Fehler der letzen Schätzung ableitet.

Optional verfügt die Recheneinheit über ein Verfahren dass aus den Fehlern der letzten Messungen Korrekturparameter ableitet. Diese Parameter werden zur Bestimmung eines genaueren Temperaturhubes verwendet. Mit diesem

Verfahren ist es möglich, dass sich das System an einen unterschiedlichen Verbauort mit anderen thermischen Bedingungen anpassen kann.

In einem Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine weitere Parameter in Schritt 280 ein konstant entnehmbarer maximaler Entladestrom des

elektrochemischen Energiespeichers. Alternativ kann der mindestens eine weitere Parameter aus einer bisherigen Verwendungsweise des

elektrochemischen Energiespeichers bestimmt werden, sozusagen als Integral über bisher durchgeführte Entladezyklen. Dabei kann auf Verwendungsdaten aus dem Speicher zurückgegriffen werden. Die Verwendungsdaten umfassen beispielsweise ein Nutzungsprofil des elektrochemischen Energiespeichers, einen eingestellten Fahrmodus, der zum Beispiel sportlich, gemäßigt oder energiesparend sein könnte. Darüberhinaus kann der einzustellende Fahrmodus direkt aus den Vorhersage des Systems abgeleitet werden

Zwischen den Schritten 250 und 280 kann optional ein Schritt 260 durchgeführt werden, in dem ein Alterungszustand des elektrochemischen Energiespeichers erfasst wird und das Ladesignal in Schritt 300 zusätzlich in Abhängigkeit des Alterungszustands des elektrochemischen Energiespeichers erzeugt wird. Des Weiteren kann zwischen den Schritten 250 und 280 optional ein weiterer Schritt 270 durchgeführt werden in dem der Ladestrom durch einen maximal zulässigen Ladestrom des elektrochemischen Energiespeichers begrenzt wird. Dieser Wert wird beispielsweise aus dem Speicher ausgelesen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird in einem Schritt 295 überprüft, ob die Anfangstemperatur der Batterie kleiner ist als die Endtemperatur der Batterie. Ist dies der Fall so wird das Verfahren fortgesetzt und in Schritt 300 das Ladesignal erzeugt. Ist die Anfangstemperatur größer als die Endtemperatur, so wird das Verfahren beendet und erst nach einer bestimmten Zeitdauer unter

Berücksichtigung der Umgebungstemperatur erneut gestartet. Alternativ wird der Ladestrom in Abhängigkeit von der zu erwartenden Temperatur eingestellt. Somit wird sichergestellt, dass der Energiespeicher zu jeder Zeit mit einem Strom geladen werden kann.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Informationssignal erzeugt, wenn der Ladestrom durch den maximal zulässigen Ladestrom begrenzt wird. Das Informationssignal repräsentiert die Information, dass der tatsächliche

Ladezustand der Batterie zum Nutzungszeitpunkt kleiner ist als der vom Nutzer gewünschte Ladezustand. Dieses Informationssignal kann zum Zeitpunkt des Ladestarts beispielsweise auf einem Display des elektrochemischen

Energiespeichers, einem Display eines Fahrzeugs oder dem mobilen Endgerät angezeigt werden.

Alternativ kann eine verbleibende Ladezeit bis zum Erreichen des ersten

Ladezustand und ein aktueller Ladezustand angezeigt werden.

Der elektrochemische Energiespeicher findet beispielsweise in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug Anwendung. Das elektrisch betriebene Fahrzeug kann ein

Zweirad sein, insbesondere ein Roller.

Das Verfahren kann auch für andere elektrisch betriebene Systeme und Geräte verwendet werden, wenn diese direkt nach dem Laden verwendet werden sollen. Die vorliegende Erfindung optimiert das Laden also auf die im unmittelbaren

Anschluss an den Ladevorgang oder in absehbarer Zeit geplante Nutzung des Systems, Gerätes oder Fahrzeug.