用于以阻抗受控制的方式快速充电的方法、用于充电系统的控制单元、蓄能器和作业装置与流程

本发明涉及一种用于给作业装置的电蓄能器以阻抗受控制的方式快速充电的方法、用于充电系统的控制单元、蓄能器和作业装置。

背景技术：

作业装置和尤其是车辆越来越多地用电蓄能器运行，更确切地说或者仅仅用电蓄能器运行，例如在电动车或者bev的意义上，或者按照混合动力系统的型式。在此，为了给作业装置的蓄能器充电，通常使用针对给蓄能器纯快速充电和例如以用于电动车或混合动力车的充电桩的形式设计的充电站。在这种充电站中的问题是缺少充电站、会产生和输出放电脉冲，以便基于此导出表征蓄能器阻抗或内阻的参量并且根据阻抗调节充电电流。

技术实现要素：

本发明的目的在于，给出一种用于给电蓄能器以阻抗受控制的方式快速充电的方法、用于充电系统的控制单元、蓄能器和作业装置、尤其是车辆，利用其能够与基础的充电站的不充足无关地利用简单的手段给基础的电蓄能器以阻抗受控制的方式快速充电。

本发明的目的对于用于以阻抗受控制的方式快速充电的方法来说按照本发明利用独立权利要求1的特征实现，对于控制单元来说按照本发明利用权利要求9的特征实现，对于充电系统来说按照本发明利用权利要求10的特征实现，对于蓄能器来说按照本发明利用权利要求11的特征实现，以及对于作业装置来说按照本发明利用权利要求12的特征实现。有利的进一步改进方案是相应从属权利要求的技术方案。

按照本发明的第一方面创造一种用于给作业装置的电蓄能器和尤其是车辆的车辆蓄能器以阻抗受控制的方式快速充电的方法，其中，

(i)检测表征蓄能器阻抗的参量，

(ii)根据表征阻抗的参量调节用于给电蓄能器充电的当前充电电流，

(iii)通过临时接通欧姆耗电器和蓄能器并利用该蓄能器给该欧姆耗电器供电，以陡的边沿、尤其是大于20a/s、优选在大约1a/ms至大约50a/ms范围内的边沿临时降低当前充电电流，和

(iv)检测蓄能器对陡的边沿的电压响应作为表征蓄能器阻抗的参量，并且将电压响应作为调节当前充电电流的基础。

通过这些措施可以与充电站的可能性无关地检测表征蓄能器阻抗的参量，以便由此根据阻抗开环控制或闭环控制充电过程。

当使用加热装置作为欧姆耗电器并且为了降低当前充电电流而将该加热装置与蓄能器连接以使加热装置运行时，便可特别有利地应用按照本发明的方法。在这种情况下，为降低当前充电电流而消耗的能量可有用地通过产生热量而转化。

特别有利的是，作为加热装置，使用蓄能器自身的在蓄能器上或中的加热装置和尤其是蓄电池自身的尤其是在蓄电池上或中的或者电池单体自身的尤其是在电池单体上或中的加热装置，尤其是按照加热板形式的加热装置。在这种情况下，加热装置在空间上位于蓄能器附近，从而产生的热量输出给该蓄能器。按这种方式和方法例如可以达到或保持蓄能器的适当的运行温度。

然而，原则上可使用所有欧姆耗电器亦或其他耗电器，只要其能实现临时降低当前充电电流以确定表征蓄能器阻抗的参量。

替代地或附加地也可想到，作为欧姆耗电器，使用基础的作业装置的电机或发电机，尤其是在激活短路的状态下。

当作为欧姆耗电器使用另一要充电的蓄能器，尤其是与基础的蓄能器处于dc/dc耦合的另一要充电的蓄能器，得到一种特别完美的工作方式。

按照本发明，给蓄能器充电对于基础的蓄能器来说可局部和/或分布地实现。

替代地或附加地可想到，对给蓄能器充电对于多个蓄能器中央地和连同基础的蓄能器一起进行开环控制或闭环控制。

在如下情况下实现特别高程度的灵活性，即，根据按照本发明的方法的另一种有利的实施方案，对给多个蓄能器充电进行开环控制或闭环控制，其中，

——检测一个基础的或相应的蓄能器的电压响应局部和/或分布地进行，

——分析和/或评价多个蓄能器的电压响应中央地进行，和/或

——为多个蓄能器基于一个在所有蓄能器中具有最小阻抗的蓄能器选择出一个共同的充电策略。

此外可想到，临时降低充电电流

——尤其是为了诊断目的，以在大约0.1赫兹至大约10赫兹范围内、优选大约1赫兹范围内的频率、按照放电脉冲的形式、以在低频部分内长度大约为1秒的脉冲持续时间、以5ms的放电、以995ms闭环控制到消失的充电电流和/或以在高频部分内在大约5ms至大约10ms范围内的脉冲持续时间，和/或

——尤其是为了均匀插入作用，以在大约50赫兹至大约200赫兹范围内的频率和/或以10％的采样率进行。

按照本发明的另一方面也创造一种用于充电系统的控制单元，该控制单元设置用于在基础的充电系统中实施、运行和/或控制根据本发明的用于给电蓄能器以阻抗受控制的方式快速充电的方法。

在按照本发明的控制单元的一种优选的实施例中，该控制单元构成为在基础的蓄能器、尤其是蓄电池单体、模块、模块壳体上或中的或者在蓄电池单体的、模块的、模块壳体的区域上或中的控制芯片和/或asic。

此外，按照本发明的控制单元可以中央地、分布地、对于一个或多个蓄能器或对于其部件、对于一个或多个蓄电池单体或对于其部件、对于一个或多个模块或其部件构成为用于局部或中央的测量和/或用于局部或中央的评价和/或控制。

此外，本发明还创造一种用于给作业装置的电蓄能器和尤其是车辆的车辆蓄能器以阻抗受控制的方式快速充电的充电系统。

按照本发明的充电系统设置用于利用或者以按照本发明的用于以阻抗受控制的方式快速充电的方法使用、运行或控制。

按照本发明的充电系统以有利的方式构成为具有根据本发明的控制单元。

本发明的另一方面在于提供一种蓄能器和尤其是车辆蓄能器，其具有根据本发明构造的控制单元或具有与根据本发明构造的控制单元的接头。

在此，按照本发明的蓄能器例如具有欧姆耗电器或用于与欧姆耗电器能可控开关地连接的接头。

按照本发明的另一种构思提出一种具有蓄能器并且具有控制单元的作业装置。

所述控制单元和/或所述蓄能器可按照本发明构造。

替代或附加于此地，蓄能器可具有按照本发明构造的控制单元。

附图说明

本发明的进一步的细节、特征和优点从以下描述和附图得出。

图1按照示意性方框图的型式示出按照本发明的带有按照本发明构造的作业装置的充电系统的一种实施方式的构造。

图2按照透视的分解图的型式示出按照本发明构造的蓄能器的一种实施方式，尤其是以电池单体的形式。

图3依据具有充电曲线的图表示出能利用按照本发明的方法的一种实施方式产生的充电策略。

具体实施方式

下面参照图1至3详细描述本发明的实施例和技术背景。相同的和等同的以及作用相同或等同的元件和部件用相同的附图标记标出。不是在其每次出现的情况下都重复所标出的元件和部件的详细说明。

所描述的特征和进一步的特性可以按任意形式彼此孤立和任意相互组合，而不偏离本发明的核心。

图1按照示意性方框图的型式示出按照本发明的带有按照本发明构造的作业装置1的充电系统100的一种实施方式的构造。

按照图1的充电系统100具有作业装置1，例如以车辆1’的形式，其构成为具有电蓄能器20，在这里以车辆蓄能器20’的形式，以便在运行中给作业装置1的机组供给能量。此外，为了给蓄能器20充电，构成有充电单元80，该充电单元能与蓄能器的接头23和24可控地连接。

为了控制充电过程，尤其是以按照本发明设定的形式和方式，设有控制单元10。该控制单元可作为部件构成在蓄能器20上或中，然而在图1所示的情况下控制单元设置成与蓄能器20分开的。

控制单元10设置用于促使、实施和/或控制按照本发明的用于给蓄能器20以阻抗受控的方式快速充电的方法。

为此，控制单元10能够在充电过程期间将设置的欧姆耗电器30或通常的耗电器与蓄能器20这样临时连接，使得在耗电器30与蓄能器20连接期间到蓄能器20中的充电电流降低，其中，该降低以比较陡的大于20a/s的边沿进行，从而该陡的降低可用于阻抗分析等等，亦即通过检测蓄能器20的相应的电压响应，必要时以及评价。

在图1所示的实施方式中示意示出了不同的耗电器30，即一个在空间上紧邻蓄能器20设置的加热装置40，例如以加热板的形式，另一个能经由dc/dc耦联而与基础的蓄能器20电耦联的蓄能器60以及发电机50，该发电机能在激活的短路运行中同样用作耗电器30。

图2按透视的分解图的型式示出按照车辆蓄能器20’形式的按照本发明构造的蓄能器20的一种实施方式，尤其是以电池单体的形式。

在蓄能器20构造成车辆蓄能器20’的该实施方式中，加热装置40作为加热板设置在壳体21中和在电极堆22之间。在蓄能器20的接头23和24的区域内，控制单元10构成有相应的开关单元。然而该布置结构不是强制必需的，而是仅仅示例性提出的。

图3依据具有充电曲线93的图表90示出能利用按照本发明的方法的一种实施方式产生的充电策略。

在图表90的横坐标91上标出时间，在纵坐标92上标出当前的充电电流i(t)。

可看出，充电曲线93具有高充电阶段91-1，该高充电阶段具有相应的带有比较高并且恒定的充电电流i(t)值的充电区段或充电脉冲93-1。接着是中间充电阶段93-2或过渡充电阶段，在该中间充电阶段或过渡充电阶段中充电电流i(t)值——但尤其是非强制线性地——随时间降低，以便进入具有比较低并且恒定的充电电流i(t)值的低充电阶段93-3中。

在各个充电区段93-1或充电脉冲之间存在临时的并且与充电区段93-1相比短时间的放电脉冲或者放电区段93-2，这些放电脉冲或放电区段具有充电电流i(t)值的历程的陡的下降边沿。具有陡的下降边沿的这些放电脉冲93-2可用于例如检测并且评价蓄能器20的由此得出的电压响应，亦即用于导出表征蓄能器20阻抗的参量。在最简单的情况下，在此涉及直接描述通过蓄能器的相应电压降的参量。

边沿的相应的历程可从纵坐标92的充电制度/充电情势/充电幅度(laderegime)92-1经过值“零”达到放电制度92-2中，然而这不是强制的，而是在充电制度92-1之内延伸的下降就足以实现按照本发明的方案。

依据下面的说明进一步阐述本发明的这些特征和特性以及进一步的特征和特性：

借助cccv方法(cccv：恒定电流恒定电压)或借助多步方法(mscc：多步恒定电流)给蓄能器快速充电在仅仅具有一个锂离子电池单体的移动终端设备中以阻抗受控制的方式和形式是可能的。为了确定阻抗的变化，在此例如以在几毫秒范围内的脉宽(例如1ms至10ms)和/或带有从充电至放电的变换地例如在几十赫兹或者几百赫兹范围内直至千赫兹范围内施加电流变化，并且测量电压响应。

在电动车1’或混合动力车(理解为作业装置1)中，通过充电桩(理解为充电单元80)不会产生这样的电流变化，因为这样的充电桩只能给相应车辆的蓄能器充电，然而不能放电。

此外，能用充电桩80产生的电流斜坡或电流边沿限于20a/s的值。这不足以导出表征蓄能器20阻抗的参量。

通过按照本发明在作业装置1、尤其是车辆1’的蓄能器的电池单体中使用和尤其是集成一个或多个加热板40或通常的欧姆耗电器30，在进行的快速充电过程期间也可以通过接通耗电器30经由电池单体进行放电。通过接通欧姆耗电器30产生放电电流和/或在必需的程度上减小电流。

可能使用的开关元件必须能足够快地开关，尤其是在几十赫兹或几百赫兹的范围内直至千赫兹范围内，例如以在几毫秒、例如1ms至10ms范围内的脉宽。开关也必须能够尽可能以电池单体个性化的方式进行或者能对于每个模块或每个高压蓄电池实现。开关元件也必须设计成具有相应的电流承载能力。

然而，利用按照本发明的措施可以例如经由芯片或asic(理解为按照本发明的控制单元10)在电池单体附近或通常在蓄能器20附近测量阻抗。

芯片或asic可以作为控制单元10也控制必要的开关和/或包含或形成必要的开关。

因为所提到放电脉冲仅仅具有短的持续时间，所以到欧姆耗电器30中的和尤其是在加热板40中的热量输入比较小。

设计欧姆耗电器30的欧姆电阻相对于电池单体电阻的值可以确定成，使得在同时充电和在激活欧姆耗电器30和尤其是加热板40时电池单体也可以作为蓄能器20放电。

按照阻抗的闭环控制在快速充电时与电流的热退化叠加，以便不超过电池单体的给定温度极限。此外，根据电池单体电压确定最大电流或者峰值电流的值。

作为耗电器，除了纯欧姆耗电器之外也可以在作业装置1中或在车辆1’中设置第二蓄能器60，以便产生放电脉冲。蓄能器20、20’和60在这种情况下经由dc/dc耦合器70相互连接。

通过例如加热板40在内部用作欧姆耗电器30或在要充电的电池单体之外用作耗电器，以便在充电过程期间实现高频放电脉冲，也可以在充电桩上和在不能提供适当的放电脉冲的所有充电单元80中以阻抗受控制的方式快速充电。

此外，通过放电脉冲得到进一步的优点：

——可以避免在电极上的双层充电。

——得到不受扩散限制的区域。

——较小的有效电阻导致放热较小。

——阳极电势可保持在较高水平。

——按照本发明得到在金属锂方面较小的电镀危险。

——因此，蓄能器的使用寿命较高。

——附加地还可实现较短的充电时间。

——较高的充电功率也是可能的。

通过电流流经加热板40或者通常流过欧姆耗电器30的欧姆电阻，电池单体(理解为蓄能器20)还发热。这在快速充电时是有益的并且也改善了使用寿命，降低了在金属锂方面的较小的电镀危险并且减小了电阻，尤其是在阳极电势升高时。

按照本发明的阻抗受控制的快速充电可被有效地控制和运行，使得在电池电压高时电流降低或者说阳极电势决不下降过低，使得由此也避免了电镀。

附图标记列表

1作业装置

1’车辆

10控制单元

20蓄能器，用于电能的蓄存器

20’车辆蓄能器

21壳体

22电极装置/堆

23接头

24接头

30欧姆耗电器

40加热装置

50发电机

60(另一)蓄能器

70dc/dc耦合器

80充电单元

90图表

91横坐标

91-1高充电阶段

91-2过渡充电阶段

91-3低充电阶段

92纵坐标

92-1充电制度

92-2放电制度

93轨迹

93-1充电区段、充电脉冲

93-1放电区段、放电脉冲

100充电系统

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