Titel

Ladevorrichtung und Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers

Feld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ladevorrichtung und ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers.

Stand der Technik

Die US 2016/0336765 Al offenbart einen Batteriecontroller, der ein Batteriemodell erzeugt und dazu Messdaten einer Batteriezelle verwendet.

Offenbarung der Erfindung

Der Kern der Erfindung bei der Ladevorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher besteht darin, dass die Ladevorrichtung eine Steuerungseinheit und eine Regelungseinheit aufweist, wobei die Ladevorrichtung eingerichtet ist, den elektrischen Energiespeicher innerhalb einer vorgegebenen Ladezeit auf einen definierten Ladezustand zu laden und dazu einen Ladestrom und einen Seiten reaktionsstrom des elektrischen Energiespeichers einzustellen.

Hintergrund der Erfindung ist, dass die Steuerungseinheit und die Regelungseinheit gleichzeitig betrieben werden können. Mittels der Steuerungseinheit wird der Ladestrom derart gesteuert, dass der elektrische Energiespeicher innerhalb der vorgegebenen Ladezeit auf den definierten Ladezustand geladen werden kann. Gleichzeitig verwendet die Regelungseinheit aktuelle Zustandsparameter des elektrischen Energiespeichers, um den Ladestrom derart zu regeln, dass die Alterung des elektrischen Energiespeichers minimiert wird. Vorteilhafterweise ermöglicht das Ladegerät eine schnelle Anpassung des Ladestroms an dynamische Zustandsänderungen des elektrischen Energiespeichers. Dadurch ist eine Verkürzung der Ladezeit beziehungsweise ein Schnellladen des elektrischen Energiespeichers bei reduzierter Alterung möglich.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Ladevorrichtung eine Auswerteeinheit auf, die zumindest einen Anschluss für einen Sensor des elektrischen Energiespeichers aufweist, insbesondere wobei die Auswerteeinheit ein Ladezustandsauswertemittel und ein Alterungsauswertemittel aufweist. Dadurch sind die Betriebsparameter des elektrischen Energiespeichers von der Auswerteeinheit auswertbar und von der Ladevorrichtung regelbar.

Vorteilhafterweise ist der Anschluss für einen Temperatursensor und/oder einen Spannungssensor geeignet.

Von Vorteil ist es dabei, wenn das Ladezustandsauswertemittel signalleitend mit der Steuerungseinheit verbunden ist. Damit ist der Ladezustand von der Steuerungseinheit auswertbar und der Ladestrom an den aktuellen Ladezustand anpassbar.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Alterungsauswertemittel signalleitend mit der Regelungseinheit verbunden ist. Somit ist der Alterungszustand von der Regelungseinheit auswertbar und der Ladestrom derart regelbar, dass eine weitere Alterung des elektrischen Energiespeichers minimiert werden kann.

Vorteilhafterweise ist die Steuerungseinheit eingerichtet, einen ersten Ladestrom und einen ersten Seiten reaktionsstrom derart zu steuern, dass der elektrische Energiespeicher innerhalb der vorgegebenen Ladezeit auf den definierten Ladezustand geladen wird. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Regelungseinheit eingerichtet ist, einen dritten Ladestrom derart zu regeln, dass ein zweiter Seitenreaktionsstrom des elektrischen Energiespeichers minimiert wird. Somit ist die Alterung des elektrischen Energiespeichers reduzierbar.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Ladevorrichtung ein Summationsmittel aufweist, das zwischen der Steuerungseinheit und der Regelungseinheit auf der einen Seite und einem Ausgangsanschluss der Ladevorrichtung auf der anderen Seite angeordnet ist, insbesondere wobei das Summationsmittel eingerichtet ist, den ersten Ladestrom beziehungsweise einen zweiten Ladestrom von der Steuerungseinheit und den dritten Ladestrom von der Regelungseinheit zu addieren und einen vierten Ladestrom als Summe zu erzeugen. Somit ist, wenn nur der erste beziehungsweise zweite Ladestrom verfügbar ist, dieser zum Laden verwendbar. Wenn ein dritter Ladestrom ungleich Null ist, ist der vierte Ladestrom beziehungsweise die Summe aus dem dritten und dem zweiten beziehungsweise ersten Ladestrom zum Laden verwendbar.

Von Vorteil ist es dabei, wenn die Ladevorrichtung einen Tiefpassfilter aufweist, der zwischen der Steuerungseinheit und dem Summationsmittel angeordnet ist, insbesondere wobei der Tiefpassfilter eingerichtet ist, den ersten Ladestrom zu einem zweiten Ladestrom zu glätten.

Vorteilhafterweise weist die Ladevorrichtung ein Vergleichsmittel auf, das zwischen der Steuerungseinheit und dem Alterungsauswertemittel auf der einen Seite und dem Summationsmittel auf der anderen Seite angeordnet ist, insbesondere wobei das Vergleichsmittel eingerichtet ist, den ersten Seitenreaktionsstrom und den zweiten Seiten reaktionsstrom zu vergleichen, insbesondere eine Differenz zwischen dem ersten Seiten reaktionsstrom und dem zweiten Seiten reaktionsstrom zu berechnen. Dadurch ist der durch die Steuereinheit verursachte Seiten reaktionsstrom mit dem aktuellen Seitenreaktionsstrom in dem elektrischen Energiespeicher vergleichbar und die Alterung des elektrischen Energiespeichers von der Regeleinheit regelbar. Sind der erste Seitenreaktionsstrom und der zweite Seiten reaktionsstrom gleich groß, so wird kein dritter Ladestrom bestimmt beziehungsweise der dritte Ladestrom ist gleich Null. Der Kern der Erfindung bei dem Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere mittels einer Ladevorrichtung wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf eine Ladevorrichtung bezogenen Ansprüche, besteht darin, dass das Verfahren Steuerungsverfahrensschritte und Regelungsverfahrensschritte aufweist, die zeitlich parallel ablaufen, wobei der elektrische Energiespeicher innerhalb einer vorgegebenen Ladezeit auf einen definierten Ladezustand geladen wird und dazu einen Ladestrom und ein Seiten reaktionsstrom des elektrischen Energiespeichers eingestellt werden.

Hintergrund der Erfindung ist, dass die Regelung und die Steuerung zeitgleich ablaufen. Dadurch kann der Ladevorgang schnell an dynamische Veränderungen des elektrischen Energiespeichers angepasst werden.

Vorteilhafterweise ist eine Verkürzung der Ladezeit beziehungsweise ein Schnellladen des elektrischen Energiespeichers bei reduzierter Alterung möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden ein aktueller Ladezustand und ein aktueller Alterungszustand und/oder ein zweiter Seitenreaktionsstrom aus Sensordaten des elektrischen Energiespeichers ermittelt, wobei ein erster Ladestrom und ein erster Seiten reaktionsstrom mittels eines Modells des elektrischen Energiespeichers unter Verwendung des aktuellen Ladezustands, des definierten Ladezustands und der verfügbaren Ladezeit erzeugt werden.

Von Vorteil ist es dabei, wenn der erste Seitenreaktionsstrom mit dem zweiten Seiten reaktionsstrom verglichen wird und ein dritter Ladestrom erzeugt wird, insbesondere wobei der dritte Ladestrom gleich Null ist, wenn der erste Seiten reaktionsstrom den gleichen Wert aufweist wie der zweite Seiten reaktionsstrom und/oder wobei, wenn der erste Seiten reaktionsstrom und der zweite Seiten reaktionsstrom verschiedene Werte aufweisen, der dritte Ladestrom derart bestimmt wird, dass die Alterung des elektrischen Energiespeichers minimiert wird, wobei der dritte Ladestrom und der zweite Ladestrom addiert werden und ein vierter Ladestrom erzeugt wird, insbesondere wobei der vierte Ladestrom den gleichen Wert aufweist wie der zweite Ladestrom, wenn der dritte Ladestrom gleich Null ist, wobei der elektrische Energiespeicher mit dem zweiten Ladestrom oder dem vierten Ladestrom geladen wird, insbesondere wobei der zweite Ladestrom verwendet wird, wenn der dritte Ladestrom gleich Null ist. Von Vorteil ist dabei, dass der zweite Ladestrom verfügbar ist, sobald der Ladevorgang gestartet wird. Der dritte Ladestrom ist erst verzögert verfügbar, da die Regelungsverfahrensschritte zeitaufwändiger sind als die Steuerungsverfahrensschritte. Sobald der dritte Ladestrom verfügbar ist, kann der vierte Ladestrom erzeugt werden und der elektrische Energiespeicher mit dem vierten Ladestrom geladen werden, so dass die Alterung des elektrischen Energiespeichers reduzierbar ist.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Das Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum

Laden eines elektrischen Energiespeichers 2 mittels der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung 1.

In Fig. 1 sind die erfindungsgemäße Ladevorrichtung 1 und der elektrische Energiespeicher 2 schematisch dargestellt.

Die Ladevorrichtung 1 weist auf: eine Steuerungseinheit 12, aufweisend ein erstes Steuerungsmittel 3 und ein zweites Steuerungsmittel 11, einen Tiefpassfilter 4, eine Auswerteeinheit 5, die ein Ladezustandsauswertemittel 6 und ein Alterungsauswertemittel7 aufweist, ein Summationsmittel 8, ein Regelungsmittel 9 und ein Vergleichsmittel 10.

Die Auswerteeinheit 5 ist signalleitend mit dem elektrischen Energiespeicher 2 verbunden und eingerichtet, Sensorsignale von Sensoren, insbesondere von einem Temperatursensor und zumindest einem Zellspannungssensor, des elektrischen Energiespeichers 2 zu empfangen. Die Auswerteeinheit 5 ist eingerichtet, die Sensorsignale, insbesondere eine Temperatur T und zumindest eine Zellspannung Uc des elektrischen Energiespeichers 2, auszuwerten und daraus mittels eines vierten Ladestromes 14 Zustandsparameter des elektrischen Energiespeichers 2 zu bestimmen. Dazu weist die Auswerteeinheit 5 zumindest ein

Ladezustandsauswertemittel 6 und ein Alterungsauswertemittel 7 auf. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit 7 eingerichtet, mittels zumindest eines elektrischen Energiespeichermodells aus den Sensorsignalen Zustandsparameter des elektrischen Energiespeichers zu bestimmen.

Das Ladezustandsauswertemittel 6 ist eingerichtet, einen aktuellen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 2 zu bestimmen. Das Ladezustandsauswertemittel 6 ist signalleitend mit der Steuerungseinheit 12, insbesondere mit dem ersten Steuerungsmittel 3 und mit dem zweiten Steuerungsmittel 11, verbunden. Das Ladezustandsauswertemittel 6 ist eingerichtet, den aktuellen Ladezustand an die Steuerungseinheit 12, insbesondere an das erste Steuerungsmittel 3 und an das zweite Steuerungsmittel 11, zu senden.

Das Alterungsauswertemittel 7 ist eingerichtet, einen Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers 2 und einen daraus resultierenden zweiten Seiten reaktionsstrom J2 zu bestimmen. Das Alterungsauswertemittel 7 ist signalleitend mit dem Vergleichsmittel 10 verbunden. Das Alterungsauswertemittel 7 ist eingerichtet, den zweiten Seitenreaktionsstrom J2 an das Vergleichsmittel 10 zu senden. Ein Seiten reaktionsstrom ist dabei ein Strom, der aufgrund von Seitenreaktionen in einer Zelle des elektrischen Energiespeichers 2, wie zum Beispiel Dendritenwachstum oder Ausscheidung des Elektrolyten auf der Anode, durch die Alterung der Zelle beim Laden auftritt.

Die Steuerungseinheit 12 ist eingerichtet, mittels des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers 2, einen ersten Ladestrom II zum Laden des elektrischen Energiespeichers 2 und einen daraus resultierenden ersten Seiten reaktionsstrom J1 zu steuern, vorzugsweise mittels eines Modells des elektrischen Energiespeichers 2. Dieses Modell des elektrischen Energiespeichers 2 erlaubt unter Berücksichtigung des aktuellen Ladezustands und des zu erreichenden definierten Ladezustands und einer verfügbaren Ladezeit, den ersten Ladestrom II und den ersten Seiten reaktionsstrom J1 derart zu steuern, dass die Alterung des elektrischen Energiespeichers minimiert wird.

Die Steuerungseinheit 12 weist ein erstes Steuerungsmittel 3 und ein zweites Steuerungsmittel 11 auf.

Das erste Steuerungsmittel 3 weist eine Speichereinheit auf, in der Ladestromprofile für den elektrischen Energiespeicher 2 gespeichert sind. Das erste Steuerungsmittel 3 ist eingerichtet, abhängig vom Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 2 ein geeignetes Ladestromprofil auszuwählen.

Das erste Steuerungsmittel 3 ist signalleitend mit dem Ladezustandsauswertemittel 6 verbunden. Das erste Steuerungsmittel 3 ist eingerichtet, mittels des Ladezustands den ersten Ladestrom II zu steuern, um den elektrischen Energiespeicher 2 innerhalb der Ladezeit auf einen definierten Ladzustand zu laden. Das erste Steuerungsmittel 3 ist elektrisch leitend mit dem Tiefpassfilter 4 verbunden. Das erste Steuerungsmittel 3 ist eingerichtet, den ersten Ladestrom II zu dem Tiefpassfilter 4 zu leiten.

Der Tiefpassfilter 4 verbindet das erste Steuerungsmittel 3 mit dem Summationsmittel 8 elektrisch leitend. Der Tiefpassfilter 4 ist eingerichtet, den ersten Ladestrom II zu glätten und in einen zweiten Ladestrom 12 zu wandeln und den zweiten Ladestrom 12 zu dem Summationsmittel 8 zu leiten. Das zweite Steuerungsmittel 11 ist signalleitend mit dem Ladezustandsauswertemittel 6 verbunden. Das zweite Steuerungsmittel 11 ist eingerichtet, mittels des Ladezustands und des mittels Laden innerhalb der Ladezeit zu erreichenden definierten Ladezustands den ersten Seitenreaktionsstrom J1 zu steuern. Das zweite Steuerungsmittel 11 ist signalleitend mit dem Vergleichsmittel 10 verbunden. Das zweite Steuerungsmittel 11 ist eingerichtet, den ersten Seitenreaktionsstrom J1 an das Vergleichsmittel 10 zu senden.

Das Vergleichsmittel 10 ist zwischen dem zweiten Steuerungsmittel 11 und der Regelungseinheit 9 angeordnet. Das Vergleichsmittel 10 ist zwischen dem Alterungsauswertemittel 7 und der Regelungseinheit 9 angeordnet. Das Vergleichsmittel 10 ist eingerichtet, den ersten Seitenreaktionsstrom J1 und den zweiten Seiten reaktionsstrom zu empfangen und zu vergleichen, insbesondere einen Differenzseitenreaktionsstrom zu bilden, der die Differenz zwischen dem ersten Seiten reaktionsstrom J1 und dem zweiten Seitenreaktionsstrom J2 ist. Das Ergebnis des Vergleichs zwischen dem ersten Seiten reaktionsstrom J1 und dem zweiten Seiten reaktionsstrom J2 wird an die Regelungseinheit 9 gesendet.

Die Regelungseinheit 9 ist zwischen dem Summationsmittel 8 und dem Vergleichsmittel 10 angeordnet. Die Regelungseinheit 9 ist eingerichtet, einen dritten Ladestrom 13 zum Laden des elektrischen Energiespeichers 2 zu erzeugen, der einen Seiten reaktionsstrom in dem elektrischen Energiespeicher 2 bewirkt, der einer minimalen Alterung des elektrischen Energiespeichers 2 entspricht. Die Regelungseinheit 9 ist elektrisch leitend mit dem Summationsmittel 8 verbunden und eingerichtet den dritten Ladestrom 13 zu dem Summationsmittel 8 zu leiten.

Die Regelungseinheit 9 verwendet ein Regelungsverfahren, das frequenzbasiert ist und fraktionale Differenzierungsordnungen als Parameter nutzt, insbesondere ein CRONE Verfahren. Dabei werden numerische lineare Modelle eines nichtlinearen Energiespeichermodells verwendet.

Das Summationsmittel 8 fungiert als Knotenpunkt zwischen dem Tiefpassfilter 4 und der Regelungseinheit 9 auf der einen Seite und dem elektrischen Energiespeicher 2 und der Auswerteeinheit 5 auf der anderen Seite. Das Summationsmittel 8 ist eingerichtet, den zweiten Ladestrom 12 und den dritten Ladestrom 13 zu addieren und daraus einen vierten Ladestrom 14 als Summe zu erzeugen, der zum Laden des elektrischen Energiespeichers 2 verwendet wird. Dazu ist das Summationsmittel 8 elektrisch leitend mit dem elektrischen Energiespeicher 2 verbunden. Weiterhin ist das Summationsmittel 8 signalleitend mit der Auswerteeinheit 5 verbunden, um den vierten Ladestrom 14 an die Auswerteeinheit 5 zu senden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 2 weist Steuerungsverfahrensschritte und Regelungsverfahrensschritte auf, die gleichzeitig beziehungsweise zeitlich parallel ablaufen.

In einem ersten Verfahrensschritt werden ein aktueller Ladezustand und ein aktueller Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers 2, der einen aktuellen zweiten Seiten reaktionsstrom J2 in dem elektrischen Energiespeicher 2 bewirkt, bestimmt.

In einem ersten Steuerungsverfahrensschritt werden ein erster Ladestrom II und ein erster Seiten reaktionsstrom J1 mittels eines Modells des elektrischen Energiespeichers 2 unter Verwendung des aktuellen Ladezustands, eines mittels Ladens zu erreichenden definierten Ladezustands und der verfügbaren Ladezeit erzeugt. Dabei werden der erste Ladestrom II und der erste Seitenreaktionsstrom J1 derart gewählt, dass die Alterung des elektrischen Energiespeichers 2 minimiert wird.

In einem zweiten Steuerungsverfahrensschritt wird der erste Ladestrom II zu einem zweiten Ladestrom 12 geglättet.

In einem ersten Regelungsverfahrensschritt wird der erste Seitenreaktionsstrom J1 mit dem zweiten Seitenreaktionsstrom J2 verglichen und ein dritter Ladestrom 13 erzeugt. Dabei ist der dritte Ladestrom 13 gleich Null, wenn der erste Seitenreaktionsstrom J1 den gleichen Wert aufweist wie der zweite Seitenreaktionsstrom J2. Wenn der erste Seiten reaktionsstrom J1 und der zweite Seiten reaktionsstrom J2 verschiedene Werte aufweisen, wird der dritte Ladestrom derart bestimmt, dass die Alterung des elektrischen Energiespeichers 2 minimiert wird.

In einem zweiten Regelungsverfahrensschritt werden der dritte Ladestrom 13 und der zweite Ladestrom 12 addiert und ein vierter Ladestrom 14 als Summe erzeugt. Dabei weist der vierte Ladestrom 14 den gleichen Wert auf wie der zweite Ladestrom 12, wenn der dritte Ladestrom 13 gleich Null ist.

In einem zweiten Verfahrensschritt wird der elektrische Energiespeicher 2 mit dem vierten Ladestrom 14 geladen.

Danach wird das Verfahren mit dem ersten Verfahrensschritt fortgesetzt.

Unter einem elektrischen Energiespeicher wird hierbei ein wiederaufladbarer Energiespeicher verstanden, insbesondere aufweisend eine elektrochemische

Energiespeicherzelle und/oder ein Energiespeichermodul aufweisend zumindest eine elektrochemische Energiespeicherzelle und/oder ein Energiespeicherpack aufweisend zumindest ein Energiespeichermodul. Die Energiespeicherzelle ist als lithiumbasierte Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, ausführbar. Alternativ ist die Energiespeicherzelle als Lithium-Polymer-Batteriezelle oder Nickel-Metallhydrid-

Batteriezelle oder Blei-Säure-Batteriezelle oder Lithium-Luft-Batteriezelle oder Lithium- Schwefel- Batteriezelle ausgeführt.