DE10158062B4

DE10158062B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden von Batterien mit reduzierten Überladeniveaus

Info

Publication number: DE10158062B4
Application number: DE10158062A
Authority: DE
Inventors: Wellington Y. Fishers Kwok
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2021-11-28
Also published as: US6456042B1; DE10158062A1

Abstract

Verfahren zum Laden einer Batterie (72) bei dem
(a) einer Batterie (72) ein in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batterie (72) gesteuerter Ladestrom zugeführt wird,
(b) der Beginn eines Ausgasens der Batterie (72) ermittelt wird,
(c) bei Ermittlung des Beginns eines Ausgasens der Batterie (72) zur Reduzierung des Ladestroms eine Obergrenze der an die Batterie (72) angelegten Ladespannung verringert wird, wobei die Obergrenze der Ladespannung als Funktion des Ladezustands der Batterie (72) ermittelt wird, und
(d) die Schritte (b) und (c) wiederholt werden, bis der der Batterie (72) zugeführte Ladestrom auf ein ausreichend niedriges Niveau begrenzt worden ist, um bei minimalem Ladestrom einen maximalen Ladezustand der Batterie (72) aufrechtzuerhalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Batterieladegeräte, und im Besonderen ein Verfahren zum Laden von Batterien, das eine variable Spannungsobergrenze benutzt, die von dem abgeschätzten Ladeakzeptanzniveau abhängt, um dadurch ein Überladen der Batterie zu verhindern, wenn sie sich ihrem voll geladenen Zustand nähert.
Das Verfahren, durch das eine Batterie geladen wird, bestimmt die relative nutzbare Kapazität dieser Batterie und bis zu einem großen Maße die Lebensdauer, die von der Batterie erwartet werden kann. Ein unzureichendes Laden einer Batterie führt notwendigerweise zur Verringerung der Batteriekapazität, so dass die verfügbaren Amperestunden unter Berücksichtigung des Gewichtes, der Größe und der Kosten der Batterie unangemessen sind. Im Gegensatz dazu führt ein Überladen einer Batterie zu einer Verringerung der Lebensdauer der Batteriezellen. Das Bestimmen einer passenden Laderate für jede Batterie wird durch die Tatsache verkompliziert, dass eine vollständig verarmte Batterie eine höhere Laderate akzeptieren kann, als eine Batterie, die sich einem voll geladenen Zustand nähert, wodurch Batterien typischerweise mit einer variablen Rate geladen werden. Leider wird die Situation weiter durch die Tatsache verkompliziert, dass, wenn sich die Batterie einem voll geladenen Zustand nähert, die Ladeakzeptanz abfällt und die Ladespannung ansteigt, so dass ein Überladepotential geschaffen wird, das sich schädlich auf die Batterie auswirkt.
Es sind zahlreiche Ladeverfahren entwickelt worden, um eine Laderate zu schaffen, die die Batterie vollständig laden kann, während ein begrenztes Ausmaß an Überladen eingeleitet wird. Beispielsweise erzeugen Konstantstrom-Ladegeräte typischerweise einen konstanten Ladestrom, der innerhalb einer begrenzten Spannung gehalten wird, so dass der Strom abfällt, wenn sich die Batterie der oberen Spannungsgrenze des Ladegerätausganges nähert. 1 zeigt eine zu ladende Batterie 10, wobei eine Batterie 12 mit einer Spannungsquelle 14 mit einer oberen Grenze V_MAX verbunden ist, die einen konstanten Strom durch einen Konstantstromregler 16 treibt, um einen Ladestrom zu liefern. Das in 1 veranschaulichte Ladegerät ist ein typisches Beispiel eines Konstantstrom/Konstantspannung-Ladegerätes, das in einer Vielfalt von Anwendungen benutzt wird, bei denen es einen konstanten Strom zuführt, der durch eine konstante obere Spannungsgrenze begrenzt ist.
Fahrzeuge wenden oft Konstantstrom/Konstantspannung-Ladesysteme an, die typischerweise derart entworfen sind, dass sie die Lebensdauer maximieren, indem der Batterieladezustand auf einem mäßigen Niveau gehalten wird, um die nachteiligen Überladewirkungen zu reduzieren. In der Literatur und der Praxis des Batterieladens liefert eine Anzahl von Algorithmen, die das Batterieladen betreffen, Kompromisse zwischen Lebensdauer und Leistungsvermögen. Ein gemeinsamer Ansatz ist es, die Batterie jederzeit auf einem Nennniveau eines Ladezustandes von ungefähr 80 % zu halten, so dass das Fahrzeugenergiesystem innerhalb eines schmalen Ladezustand-Bereiches von ungefähr 70 % bis 90 % arbeitet.
Jedoch ist es im Hinblick auf die Anforderungen, die Energiedichte zu erhöhen, vernünftig, zu versuchen, das Ladezustand-Betriebsfenster und die Ausnutzung der Batterie zu maximieren.
Es gibt zahlreiche Missverständnisse hinsichtlich des Batterieladens, die bei typischen Batterieladesystemen verbreitet worden sind. Ein Anwendungsingenieur kann die Frage stellen: "Bei welcher Spannung sollte eine besondere Batterie geladen werden?". Die Frage ist in Verbindung mit 1 verständlich, jedoch leitet sie fehl, wie viele ähnliche Fragen, und führt nicht in die Richtung einer Herstellung von Mechanismen zum passenden Laden. Um die Ladegerätkonstruktionstechnik in Richtung einer maximalen Batterieausnutzung voranzubringen, ist eine erneute Untersuchung der zugrunde liegenden Ladekonzepte erforderlich. In einem engen Sinn betrachtet, kann eine Batterie nicht durch eine "Konstantspannungs"-Quelle geladen werden, da es der begleitende Ladestrom ist, der der Triebkraft der Spannung zugeordnet ist, der es erzwingt, dass ein Energiespeichern in der Batterie auftritt. Die "Konstantspannung" ist richtiger die obere Grenze der Ladespannung, die während des Ladens nicht überschritten wird. Es ist festzustellen, dass ein Laden mit einer "konstanten Spannung" einer verarmten Batterie unrealistische Ladestromniveaus aufzwingen würde.
Es ist vorteilhaft, die Faktoren zu verstehen, die mit einer zu ladenden Batterie in Beziehung stehen. Während ein Laden durchgeführt wird, ist die an den Klemmen der Batterien zu sehende Spannung im Wesentlichen die Summe von drei Komponenten, die dargestellt werden können als: Gemessene Spannung = Gleichgewichtsspannung + Polarisationsspannung + ohmscher Spannungsabfall (1)wobei die Gleichgewichtsspannung gewöhnlich als die Leerlauf-Batteriespannung V_OC bezeichnet wird; die Polarisationsspannung die kombinierten Effekte von Konzentration und Ionen/Ladungs-Transfer beschreibt; während der ohmsche Spannungsabfall der Spannungsabfall ist, der zu dem ohmschen Widerstand bei dem gegebenen Ladestrom gehört. Im Gegensatz zu typischen elektrischen Bauteilen ist eine Batterie eine Energiespeichereinrichtung, die elektrische Energie gemäß einem internen elektrochemischen Gleichgewicht absorbiert und liefert, welches eine zugehörige Reaktionsspannung besitzt, die eine dynamische Reflexion der "Antriebskraft"-Funktion ist und stark von der vergangenen Betriebsgeschichte oder Veränderungen im Laufe der Zeit, die die Batterie erfährt, abhängt.
2 zeigt grundlegende Ladeeffekte, wobei das Batteriespannungsprofil als eine Funktion des Ladezustandes für eine Reihe von Ladeströmen 20b bis 20f in Bezug auf eine Gleichgewichtsspannung 20a gezeigt ist. Die Gleichgewichtsspannung 20a ist die Spannung, die über die im Leerlauf befindliche Batterie an diesem Punkt im Ladezyklus gemessen werden würde, wie er durch die Spannungskurve dargestellt ist, wenn der angelegte Ladestrom unterbrochen oder getrennt und ein Gleichgewicht hergestellt werden würde. Der Batterieladestrom wird oft als ein Verhältnis, C-Rate, ausgedrückt, das das Verhältnis des Ladestroms zur Nennbatteriekapazität, I/Q_N ausdrückt, so dass die Laderate unabhängig von der Batteriekapazität ausgedrückt werden kann. Die Ladestromkurven 20b bis 20f kennzeichnen zunehmende Niveaus eines Ladestroms, der an die Batterie angelegt wird, mit 20b bei einer 0,05C-Rate, 20c bei einer 0,10C-Rate, 20d bei einer 0,33C-Rate, 20e bei einer 0,67C-Rate und 20f bei einer 1C-Rate. Es ist zu sehen, dass während des Ladens die eingeleitete Spannung die Gleichgewichtsspannung 20a übersteigt, wie man es erwarten würde, um Energie in die Batterie einzutragen. Die Kurven zeigen auch, dass, wenn sich die Batterie ihrem voll geladenen Zustand (Ladezustand von 100 %) nähert, die Batteriespannung schneller zunimmt als die Gleichgewichtsspannung, so dass bewirkt wird, dass die Spannungskurven divergieren. In der Literatur wird die Divergenzeigenschaft der Ladekurve von der Gleichgewichtsspannung gewöhnlich als eine Zunahme des Innenwiderstandes der Batterie als eine Funktion des Ladezustandes interpretiert, und einfache Ersatzschaltbilder und mathematische Modelle werden dementsprechend abgeleitet. Jedoch steht die vernunftgemäße Erklärung derartiger Innenwiderstandskonzepte im Widerspruch zu der tatsächlichen chemischen und elektrochemischen Natur einer Batterie. Wenn aktive Materialien aus Bleisulfat, PbSO₄, (Isolator) im entladenen Zustand in beiden Elektroden in Bleidioxid PbO₂, (1,2 × 10^–6 bis 2 × 10^–5 Ω/m) in der positiven Elektrode und metallisches Blei Pb (10^–7 Ω/m) in der negativen Elektrode umgewandelt werden, nimmt der Gesamtzellenwiderstand eher ab als zu. Die damit einhergehende Zunahme der Schwefelsäurekonzentration, die das Laden begleitet, bewirkt im Allgemeinen eine minimale Zunahme (weniger als 10 %) der Leitfähigkeit des Elektrolytes. Die Elektrolytkonzentration liegt typischerweise im Bereich von 1,250 bis 1,280 kg/l. Außerdem sind Änderungen des Widerstandes von Metallteilen, z.B. Klemmen, Zellenverbindungen, Ansätzen, während eines einzigen Ladezyklusses vernachlässigbar, so dass der ohmsche Widerstand in großem Maße unverändert ist. Schließlich ist festzustellen, dass Temperaturzunahmen, die durch eine ohmsche und joulesche Erwärmung hervor gerufen werden, zu weiteren Abnahmen des ohmschen Widerstandes innerhalb der Batterie führen.
Es ist daher festzustellen, dass das Konzept des zunehmenden Innenwiderstandes aufgrund des Ladens der Batterie irreführend ist, da Widerstandsniveaus in der Batterie nicht wesentlich zunehmen, wenn der Ladezustand zunimmt. In Wirklichkeit wird die Abnahme der Ladeakzeptanz vorwiegend durch eine physikalische Blockade des Massentransfers infolge des Einfangens von Gas bewirkt. Mathematisch ist es der Scheinwiderstand (ΔV/I), der tatsächlich erhöht wird, wenn die Batterie wiederaufgeladen wird, jedoch erfolgt die Zunahme nicht aufgrund einer Zunahme des elektrischen Widerstandes.
Ein konstanter Spannungsabfall, der durch die physikalische Blockade bewirkt wird, begleitet jedes besondere Niveau von akzeptiertem Ladestrom und wird als "Polarisationsspannungseffekt" bezeichnet. Die kombinierte Polarisationsspannung kann durch eine vereinfachte Tafel-Korrelation ausgedrückt werden, die die Polarisations- und ohmschen Effekte zusammenfasst: η = α + βlog(φ) + κφ (2)wobei η die kombinierte Polarisationsspannung ist, α und β die Tafel-Koeffizienten sind, κ der charakteristische Widerstand ist, und φ der äquivalente Ladestrom in Bezug auf die Batteriekapazität ist. Diese Korrelation ist typischerweise für Fälle eines Ladens bei niedrigen bis mäßigen Ladezustandsniveaus gültig, die keine Überladeeffekte zeigen, während mit einem konstanten Strom unter einer 4C-Laderate geladen wird, und ist typisch für den Großteil von Blei-Säure-Batterien (Bleibatterien). Wenn sich der Ladestrom Null nähert, wird die mathematische Korrelation aufgrund der Anwesenheit des logarithmischen Ausdruckes ungültig. In der Praxis kann dieses Phänomen beschrieben werden als ein minimaler Betrag (oder Ausbeute) von eingegebener Energie, die erforderlich ist, um die Oberflächenschicht zu polarisieren oder aufzuladen und somit den Prozess der Materialumwandlung einzuleiten.
Wenn sich eine Batterie einem voll geladenen Zustand (Ladezustand von 100 %) nähert, zeigt das Spannungsprofil eine typische Eigenschaft einer scharfen Spannungszunahme. An diesem Punkt ist der Hauptteil von aktiven Materialien umgewandelt worden. Der überschüssige Ladestrom wird umgelenkt, so dass Überladungsreaktionen bewirkt werden, die durch elektrochemisches Dissoziieren der Wassermoleküle zur Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff führen, was als "Gasblasenbildung" oder "Ausgasen" bekannt ist. Eine Zunahme der gemessenen Batteriespannung wird durch den Wasserdissoziationsprozess eingeleitet. 3 ist eine Darstellung eines typischen Ladespannungsprofils, das eine einzige Konstantstrom-Ladezykluskurve 22 zusammen mit einen Bestandteil bildenden Spannungsbeiträgen. Die Batteriegleichgewichtsspannung 24 folgt der glatten Kurve, wobei sie sich bei einem Ladezustand von 100 % einem flachen oder annähernd flachen Bereich der Kurve nähert. Das Laden der Batterie induziert eine chemische Polarisationsspannung 26, während der Stromfluss durch den festen Batteriewiderstand zu einem ohmschen Spannungsabfall 28 führt, der auch zur Gesamtladespannung beiträgt. Die gemessene Spannung folgt im Allgemeinen einer Tafel-Beziehung bis zum Gasblasenbildungspunkt, der typischerweise bei einem Ladezustand zwischen 50 % und 80 % für die vorstehenden Laderaten auftritt. Es ist festzustellen, dass der Spannungsabfall aufgrund des ohmschen Widerstandes im Hinblick auf jedes spezifische Ladestromniveau relativ konstant bleibt. Eine plötzliche Zunahme der gemessenen Spannung wird innerhalb der oberen Spannungskurve 22 gezeigt, die zu einem "Überladepotential" 30 führt, das an die Batterie angelegt wird, was typischerweise in Verbindung mit einer entsprechenden Abnahme der Ladeakzeptanz aufgrund der Verarmung von aktiven Reaktionsstellen und der physikalischen Blockade der Säurediffusion durch die Produktion von Gasblasen auftritt. Wenn das Überladepotential zunimmt, nimmt der effektive Ladestrom ab, der eine chemische und ionische Polarisierung an der Oberfläche der Elektroden einleitet. Die Batterieladeenergie wird vorwiegend durch die Überladereaktionen anstelle durch elektrochemische Umwandlung verbraucht.
4 stellt Spannungen, die für verschiedene Ladeströme gezeigt sind, als eine Funktion des Ladezustandes für eine typische Batterie dar, die mittels eines Konstantstrom/Konstantspannung-Ladeverfahrens geladen wird. Die Kurven "A", "B" bzw. "C" sind jeweils eine hohe, mittlere und niedrige Laderate. Die gestrichelten Linien 32, 34, 36, die rechts von den Kurven A, B und C beginnen, stellen feste Spannungspegel dar, auf die ein Konstantstrom/Konstantspannung-Ladegerät begrenzt ist. 5 veranschaulicht ein Beispiel eines Konstantstrom/Konstantspannung-Ladens, wobei die Kurve "A" von 4 durch den mittleren Spannungspegel 34 begrenzt ist. Die einen Bestandteil bildenden Spannungen gehören zu der Hochstrom-Ladekurve "A" von 4, wobei die Ladespannung von Kurve "A" bis zu der mittleren Spannungsgrenze 34 ansteigt und durch diese begrenzt ist. Die einen Bestandteil bildenden ohmscher Spannungsabfall 38 und Polarisationsspannungsabfall 40 sind zur Gleichgewichtsspan nung 42 der Batterie kumulierend gezeigt. Es ist festzustellen, dass, obwohl der Ladestrom durch die mittlere Spannungsgrenze 34 begrenzt ist, es dennoch ein beträchtliches Niveau an Überladepotential 44 gibt, das nachteilige Ausgasungseffekte begünstigt. Wenn der Ladestrom infolge eines durch die Ladespannungsgrenze 34 begrenzten Stromes abnimmt, nehmen dementsprechend sowohl die ohmschen als auch Polarisationsspannungen ab, so dass der Batterie ein zunehmender Überladestrom geliefert werden muss, um eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten. Wenn das zugeführte Anfangsladestromniveau erhöht würde, würde dies eine frühe Spannungsregelung bei niedrigeren Werten für den Ladezustand herbeiführen als sie in einem Ladeschritt mit langsamem CV resultieren würde, der ein Ladezeitprofil mit einer übermäßig langen hinteren Flanke besitzt. Eine frühe Ladezustand-Regelung ist das typische Verfahren, das auf das Laden von auf Lithium beruhenden Batterien angewandt wird. Die Ladespannung ist auf die Gleichgewichtsspannung einer vollständig aufgeladenen Batterie eingestellt, um jeden Überladebetrag zu vermeiden, jedoch fehlt infolge dessen der Batterie dann ein ausreichendes Spannungspotential, um schnell geladen zu werden oder einen Ladezustand von 100 % zu erreichen.
Um die erforderliche Ladezeitdauer zu reduzieren, benutzte eine Anzahl von Konstruktionen Algorithmen, die eine sogenannte charakteristische Spannungsgrenze bestimmen, die angewandt wird, um einen Konstantspannungs-Ladestrom zu erzeugen, wenn die Ladespannung diese obere Spannungsgrenze erreicht. 6 veranschaulicht diesen Ansatz, wobei das mittlere Stromladeprofil "B", wie es in 4 dargestellt ist, durch den gleichen mittleren Spannungsschwellenwert 34 begrenzt ist, um das Überladepotential 46, das in 6 gezeigt ist, zu reduzieren. Beim Verfol gen der beschriebenen Lehren dieser Konstruktionen wird es deutlich, dass ein schnelles Laden nur auf Kosten der Batterielebensdauer aufgrund der hohen Niveaus eines damit einhergehenden Überladepotentials erzielt werden kann. Das Einstellen der Spannungsgrenze führt charakteristischerweise zu einem Ausgleich zwischen Überladen und Ladezeit. Trotz der vorstehenden Nachteile der festspannungsbegrenzten Konstruktionen werden diese Konstruktionen in den üblichen Ladeverfahren ausgeführt, die auf das Laden der meisten Batterien, insbesondere Blei-Säure und auf Nickel beruhende Batterien, angewandt werden.
7 stellt die Niedrigstrom-Ladekurve "C" dar, wobei der mittlere Spannungsladeschwellenwert 34 niemals erreicht wird, und die Batterie dem vollen Überladepotential 48 ausgesetzt wird. Dieses Regelungsverfahren ist in Ladegerätkonstruktionen eingesetzt worden, wie beispielsweise jene, die negative Delta-V-Messungen innerhalb abgedichteter Blei-Säure- und Metallhydrid-Batterien anwenden. Die Spannungsgrenze innerhalb dieser Konstruktionen sorgt für ein Mittel zum Detektieren fehlerhafter Hochstrom-Lade- oder Weglaufbedingungen, begrenzt aber nicht das Überladen, das aus dem normalen Betrieb heraus auftritt.
Wie es oben gezeigt wurde, ist das Überladen einer Batterie ein unvermeidbares Ergebnis des Anwendens eines Konstantspannungs-Ladeschrittes. Diese einfachen Darstellungen haben zusätzlich gezeigt, dass (1) es sinnlos ist, eine "Ladespannung" festzulegen, da ein Konstantspannungsladen und/oder Überladen bei jedem Ladezustand, nur abhängig von dem angelegten Strom, auftreten kann; und (2) eine hohe Ladespannung die Effektivität des Ladens der Batterie nicht verbessert (und nicht verbessern wird) sondern nur eine vollständigere Ladungsrückführung mittels eines zu starken Überladens liefert.
Es ist festzustellen, dass es in jedem Fall von Spannungsbegrenzungen, die dem Ladestrom auferlegt werden, ein merkliches Niveau von unerwünschtem Überladen der Batterie gab. Wenn man die Verwendung der hohen Grenze 32 oder der niedrigen Grenze 36 erwägt, wie es in 4 gezeigt ist, ist zu verstehen, dass jede dieser Grenzen zu entweder einem Überladen der Batterie oder einem Einschränken der Batterie, den vollen Ladezustand zu erreichen oder schnell zu erreichen, führt. Es ist festzustellen, dass daher das Festlegen einer "Ladespannung", wie es oben veranschaulicht wurde, nicht die Probleme von langsamen Laderaten oder die damit einhergehende Batteriebeschädigung, die durch Überladepotentiale bewirkt wird, lindert, während ein Erhöhen des Spannungsschwellenwertes das Laden nur beschleunigen kann, indem erhöhte Überladepotentiale eingeleitet werden.
8 veranschaulicht den hypothetischen Fall eines Ladens einer Batterie in einem wahren Konstantspannungs-Ladeprozess. Während der Anfangsstufen des Ladens versucht die feste Ladespannung 50 des Ladegeräts, einen unbegrenzten Betrag eines elektrischen Stromes oder von Elektronen in die Batterie hineinzutreiben, was eine schnelle Bewegung von Ionensorten in Richtung der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche erzwingt. Der ohmsche Spannungsabfall 54, der Polarisationsspannungsabfall 56 und das Überladepotential 58 umfassen den Spannungsabfall zwischen der Gleichgewichtsspannung 52 und der Ladespannung 50. Wenn sich die Materialumwandlung in der Nähe der Elektrolyt-Grenzfläche einer Sättigung nähert, nimmt die Batterieladeakzeptanz aufgrund des Mangels einer chemischen (oder ionischen) und Massetransfer-Triebkraft drastisch ab. Somit fällt der Ladestrom schnell auf ein niedriges Niveau ab (das jedoch ausreichend hoch ist, um eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten), wobei ein großer Teil der eingegebenen Energie vergeudet wird, und nur dazu dient, die Überladereaktionen zu fördern.
Es ist auch festzustellen, dass typische Fahrzeugladesysteme auf eine ähnliche Weise wie ein Konstantstrom/Konstantspannung-Ladesystem arbeiten, mit der Ausnahme, dass der Ladestrom in der CI-Phase durch den maximalen Energie- bzw. Stromausgang des Generators begrenzt ist. Statt einer Konstantstromphase wird ein schnell abnehmendes Eingangsstromprofil beobachtet, wenn die Batteriespannung zunimmt, d.h. V × I = konstant, was oft als Konstantspannungsladen allein missverstanden wird.

Zum Laden von Batterien wird oft ein Stufenstromladeverfahren angewandt, das eine Relaxation des Aufbaus von Überladegasen fördert, um einen erhöhten Ladewirkungsgrad bereitzustellen. Ein Stufenstromladegerät ist beispielhaft ausgeführt in US-Patent Nr. 5 561 360. 9 zeigt ein Blockdiagramm 60 von einem typischen Ladegerät, das einen Controller anwendet. Eine Batterie 62 wird durch eine programmierbare Stromquelle 64 in einer Betriebsart mit abgestuftem Strom geladen, die durch einen Controller 66 gesteuert wird, der eine auf V_MAX eingestellte Spannungsgrenze anwendet. Die Spannungsgrenze wird nach oben skaliert, wenn die Ladeakzeptanz der Batterie abnimmt, so dass die Triebkraft (Überspannung) erhöht wird, um den Energieeingang zu unterstützen. Graphen für diese Art eines Ladens sind in den 10 und 11 gezeigt. Die Spannung, der Strom und die Gasströmung, die durch dieses Verfahren während des Ladens erzeugt werden, sind in 10 mit der zugehörigen angelegten Spannung als eine Funktion des Ladezustandes, der in 11 gezeigt ist, dargestellt. Es ist festzustellen, dass das Verfahren hohe Überladeniveaus in der Batterie erzeugt. Der maximale Ladestrom, der für diese Ladeart typisch ist, beträgt ungefähr C/3 (C = Batteriekapazität in Amperestunden), was zu einem vernünftigen Leistungsvermögen mit einem Überladen von ungefähr 105–125 % führt, wobei das Überladen als ein Verhältnis von eingegebener Amperestundenkapazität zur Gesamtentladungs-Amperestundenkapazität festgelegt ist (100 % Entladungstiefe des vorhergehenden Entladezyklus). Das Überladeverhältnis wird in der Industrie oft unter Verwendung der Nennkapazität der Testbatterie als Nenner bewertet. Beispielsweise kann für eine 50Ah-Batterie eine vollständig entladene Batterie wiederaufgeladen werden, indem der Batterie ungefähr 62,5 Ah (Überladeverhältnis von 125 %) zurückgeführt werden, wobei die zurückgeführte Amperestundenkapazität oft als eine Beendigungseinstellung für die Amperestundenintegration verwendet wird. Wie es in 10 veranschaulicht ist, wird das Überladen während der anfänglichen Hochstromstufe wesentlich reduziert, wobei jedoch ein kontinuierliches und fortschreitend zunehmendes Überladen notwendig ist, um die Batteriespannung dazu zu zwingen, die erhöhten Spannungspegel zu erreichen und die anschließenden Stromregelungsstufen zu bewirken. Wenn der Ladestrom auf sehr niedrige Niveaus abnimmt (z.B. wie durch die letzten beiden Stromstufen in 11 angegeben), ist die Batteriespannung nicht in der Lage, die erforderliche Spannungsgrenze zu erreichen, was es notwendig macht, dass die Ladeprozedur zusätzlich eine auf Zeit beruhende oder auf Amperestunden beruhende Begrenzung auferlegt, wie es in 10 veranschaulicht ist. Es ist festzustellen, dass das Ladegerät vorteilhafte Verringerungen des Ausgasens bei niedrigen Laderaten liefert, jedoch sind die mäßigen Niveaus eines Ausgasens, die dennoch verbleiben, und die zusätzlichen Grenzen der Zeit und/oder der Amperestunden, die auferlegt werden müssen, wesentliche Beeinträchtigungen für die Anwendbarkeit des Ansatzes.

Die DE 198 47 988 A1 offenbart ein System zur automatischen Ladung von Akkumulatoren, bei dem nach einer Erkennung des Endes einer Hauptladephase auf eine Testphase umgeschaltet wird, in der der Batterietyp und damit die Höhe eines einzustellenden Nachladestroms ermittelt wird. An die Testphase schließt sich eine Nachladephase an, während der die Batterie mit dem vorher ermittelten Nachladestrom weiter aufgeladen wird, wobei zur Feststellung des Vollladezustands die Ladespannung überwacht wird.

Aus der DE 38 26 262 A1 sind eine Anordnung und ein Verfahren zum Messen und Steuern des Ladezustandes eines während eines Ladevorgangs Gase entwickelnden Akkumulators bekannt. Aus der Menge des nachgewiesenen Gases wird der Ladezustand des Akkumulators bestimmt. In Abhängigkeit des Ladezustands wird die Ladespannung so geregelt, dass stets ein optimaler Ladungszustand des Akkumulators erreicht wird.

Die DE 35 06 261 A1 offenbart ein Verfahren zur Ladestromsteuerung von Akkumulatoren, bei dem eine Hauptladung beginnt, wenn die Zellenspannung unter einer Startspannung liegt. Bei Erreichen der Gasungsspannung der Zellen wird die Hauptladung beendet und die Nachladung eingeschaltet. Die Nachladung wird mit einer gegenüber der Hauptladung verminderten Stromstärke durchgeführt. Sowohl die Hauptladung als auch die Nachladung wird mit jeweils konstanten Ladungsströmen durchgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie zu schaffen, das bzw. die keinen Gewinn-Verlust-Ausgleich zwischen einem Überladen und einer Ladezeit erfordert.

Weitere Ziele der Erfindung bestehen darin, ein Verfahren zum Laden von Batterien zu schaffen, welches die Batterien keinen hohen Überladepotentialen aussetzt, welches zum schnellen Laden von Batterien ohne eine damit einhergehende Beschädigung derselben benutzt werden kann, welches leicht und mit niedrigen Kosten in einer Vielfalt von Ladesystemen eingesetzt werden kann und welches effizient in einer Umgebung mit einem stark dynamischen Ladezustand arbeitet, wobei die Batterie zwischen Entladen und Wiederaufladen schwankt.

Zur Lösung der Aufgabe sind ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 21 vorgesehen.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Batterieladeverfahren bereit, das dafür geeignet ist, jedes Batteriesystem schnell von einem beliebigen niedrigen Ladezustand aus aufzuladen, während ein Überladen minimiert wird, wenn der Ladezustand in Richtung eines vollen Ladezustandes fortschreitet. Ein großer nachteiliger Effekt eines Überladens und von Nebenreaktionen ist eine Verschlechterung der Lebensdauer für die Batterie infolge von Änderungen, die beispielhaft durch Wasserverlust und das Verlieren von aktivem Material ausgeführt sind. Das Ladeverfahren umfasst eine Technik, die auf der makroskopischen Beziehung von elektrischem und elektrochemischem Verhalten einer zu ladenden Batterie beruht, das zur Verwendung mit dem Laden einer Vielfalt von Batterien, insbesondere Blei-Säure-Batterien, geeignet ist, und in einer Vielfalt von Ladesystemen angewandt werden kann, wie beispielsweise Ladegeräte, die ähnlich dem in 9 dargestellten sind.

Das Ladeverfahren bestimmt eine Ortskurve einer optimalen variablen Ladespannungsobergrenze, die auf der Ladeakzeptanzfähigkeit der Batterie beruht, die im Allgemeinen einer abnehmenden Kurve folgt, die dem tatsächlichen Ladezustand in der Batterie zu jedem Zeitpunkt zugeordnet werden kann. Die optimale variable Ladespannungsobergrenze kann alternativ angenähert werden, durch entweder eine ähnlich gestaltete Beziehung oder als eine Reihe von heruntergestuften Spannungsgrenzen, die sich der Form der Kurve der variablen Ladespannungsobergrenze annähert. Der erforderliche Anpassungsgrad wird durch das in einer besonderen Anwendung zulässige Überladeniveau bestimmt. Die variable Spannungsobergrenze beginnt, wenn sich die Batterie einem vollen Ladezustand nähert, und sie liefert eine Abschwächung des angelegten Stromes, die ein schnelles Batterieladen ohne die hohen Überladepotentiale vereinfacht, die für Konstantstrom und Konstantstrom/Konstantspannung-Batterieladeansätze gekennzeichnet sind. Das Batterieladeverfahren der vorliegenden Erfindung ist zum Laden von Batterien mit verschiedenen chemischen Eigenschaften geeignet, wie beispielsweise Blei-Säure-, auf Nickel beruhende (d.h. Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-) und auf Lithium beruhende Batterien.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung sind den folgenden Teilen der Beschreibung zu entnehmen.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in diesen ist:

1 ein vereinfachtes Schema einer Batterie, die durch ein Konstantstrom/Konstantspannung-Ladegerät geladen wird,

2 ein Graph von Ladespannungskurven in Relation zum Ladezustand für eine Reihe von Ladestromraten,

3 ein Graph einer Ladespannung in Relation zum Ladezustand für einen spezifischen Ladestrom, der die Batteriegleichgewichtsspannung zeigt, worauf die Beiträge von ohmschem Spannungsabfall und Polarisationsspannung dargestellt sind,

4 ein Graph von Ladespannungsprofilen in Relation zum Ladezustand für eine Reihe von Ladestromraten, bei dem Ladestromkurven "A", "B" und "C" in Relation zu ausgewählten Festspannungsgrenzschwellenwerten gezeigt sind,

5 ein Graph eines Ladespannungsprofils in Relation zum Ladezustand für eine schnell geladene Batterie, die einer Spannungsgrenze ausgesetzt ist, die mit dem Überladebeginn für diesen Ladestrom zusammenfällt und den angelegten Ladestrom abschwächt,

6 ein Graph eines Ladespannungsprofils in Relation zum Ladezustand für eine mäßige Laderate, die der Spannungsgrenze von 5 ausgesetzt ist,

7 ein Graph einer Ladespannung in Relation zum Ladezustand für eine niedrige Laderate, die der Spannungsgrenze von 5 ausgesetzt ist,

8 ein Graph von Ladespannungen in Relation zum Ladezustand für einen hypothetischen Fall eines "wahren" Konstantspannungs-Ladeverfahrens,

9 ein vereinfachtes Schema eines typischen Ladegerätes, das ein Steuerungselement aufweist, wie es für ein Stufenstromladen benutzt wird,

10 ein Graph von Spannung, Strom und Gasströmungsrate über die Zeit in einem Stufenstromladesystem,

11 ein Graph einer Ladespannung als eine Funktion des Ladezustandes, der zu dem in 10 gezeigten Stufenstromladen gehört,

12 ein Graph von Tafel-Korrelationskurven, die Ladespannungskurven, die in gestrichelten Linien gezeigt sind, überlegt sind,

13 ein Graph von optimalen Ladespannungen als eine Funktion des Ladezustandes, in Relation zu einer Batteriegleichgewichtsspannung gezeigt,

14 ein vereinfachtes Schema einer Batterie, die durch ein Ladegerät, das eine variable Spannungsobergrenze aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung geladen wird,

15 ein Graph, der die Bestimmung von heruntergestuften Spannungsobergrenzen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,

16 ein Graph, der die Bestimmung des Überladebeginns für eine Reihe von Ladestromniveaus gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,

17 ein Graph einer normierten Gasströmungsrate als eine Funktion eines abgeschätzten Ladezustandes bei einer Reihe von Ladestromniveaus,

18 ein Graph von Spannung, Strom und Gasströmungsrate über die Zeit für das Ladeverfahren mit variabler Span nungsobergrenze gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

19 ein Graph einer Ladespannung als eine Funktion des Ladezustandes, der zu dem Mehrfach-Spannungsobergrenzenladen gehört, das in 18 gezeigt ist.

Die vorliegende Erfindung ist in den in den 12 bis 19 allgemein gezeigten Verfahren und Ladegeräten beispielhaft ausgeführt.
Um einen effizienten Lademechanismus bereitzustellen, muss das Ladegerät in der Lage sein, die zugeführte Ladung an die Ladeakzeptanz der Batterie anzupassen, so dass ein vollständiges und schnelles Laden geliefert wird, während die Batterie einem minimalen Ausmaß an Überladepotential ausgesetzt wird. Dieses Verfahren weicht daher stark von früheren Verfahren ab, die oft hohe Niveaus eines Überladens unterstützen, um volle Ladeniveaus zu erhalten. Das Folgende beschreibt den Ansatz, der vorgenommen wird, um dieses Niveau eines Ladewirkungsgrads zu erzielen.
Es wird mit einer Beschreibung des Ladeprozesses fortgefahren. Die gemessene Batteriespannung V_BAT, während eines Wiederaufladens kann in mathematischen Ausdrücken für einen gegebenen Ladestrom (oder äquivalenten Strom von φ) wie folgt angegeben werden: VBAT = VOC + α + βlog(φ) + κφ (3)
Die Gleichung drückt die Summe der Gleichgewichts- und Polarisationsspannungen aus. Genauer ausgedrückt kann die gemessene Batteriespannung bei gegebenen Ladezustand, Strom und Temperatur angenähert werden durch: VBAT(ϕ, φ, T) = υ(ϕ) + βlog(φ) + κφ + γ(T) (4)wobei υ(ϕ) = V_OC(ϕ) + α die minimale Spannung ist, bei der eine Polarisation (Ausbeute) bei Abwesenheit von irgendeinem dynamischen Effekt auftritt, ϕ in Ausdrücken eines gebrochenen Ladezustandes (0,0 bis 1,0) oder Ladezustandes als ein Prozentsatz (0 bis 100 %) angegeben ist, und γ(T) eine Temperaturkompensationsfunktion bei einer Temperatur T ist. Die Funktion von V_BAT kann dann dazu verwendet werden, die Batteriespannung während eines Ladezyklus mit Ausnahme eines Überladens abzuschätzen, wie es durch die durchgezogenen Linien in 12 gezeigt ist. Somit ist jede Abweichung von dieser mathematischen Korrelation eine Angabe des Überladebeginns, einer Verringerung der Ladeakzeptanz oder beidem. Während des tatsächlichen Betriebes eines Ladesystems beginnt ein Überladen beim Erreichen eines ausreichenden Ladezustandes für einen gegebenen Strom. Die Überladekurven, die zu jeder Ladekurve gehören, sind in 12 als gestrichelte Linien gezeigt.
In der Praxis können die empirischen Koeffizienten (d.h. υ(ϕ) oder α, β, κ und γ) experimentell bewertet werden, indem die Batteriespannung mit verschiedenen Ladeströmen, Eingangskapazitäten und Temperaturen in Korrelation gebracht wird. Die obige mathematische Korrelation gibt dadurch an, dass die vier üblichen Variablen, die durch die Spannung, den Strom, den Ladezustand und die Temperatur angegeben sind, auf einzig artige Weise miteinander mit einem einzigen Freiheitsgrad in Beziehung stehen. Ein Beispiel einer Anwendung der Korrelation ist in der Abschätzung eines Batterieladezustandes aus der stetigen Spannung zu finden, die aus einem festen Ladestrom bei einer bekannten Temperatur resultiert. Der Entladeprozess einer Batterie kann auch ähnlich abgeschätzt werden.
Der Graph in 12 enthält Kurven, die als durchgezogene Linien gezeigt sind und die Batteriespannung ohne irgendein Überladepotential darstellen, wobei das Laden ausschließlich nach Gleichung (4) fortschreitet. Die Ladeakzeptanzfähigkeit der Batterie nimmt kontinuierlich ab, wenn der Ladezyklus fortschreitet. Die Umwandlung von aktiven Materialien schreitet während des Ladens mit hohem Strom schnell fort, was in Richtung eines Reduzierens der Ionenkonzentration in der Nähe der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche mit einer Rate tendiert, die die Rate der Säurediffusion übersteigt, was deshalb allein die Materialumwandlung in der Nähe der Elektrodenoberfläche fördert. In jedem Fall dient der Verlust von aktiven Reaktionsstellen dazu, die eingegebene Energie früher in dem Ladeprozess auf Nebenreaktionen umzulenken, was als prozentualer Wert für den Ladezustand ausgedrückt werden kann. Wenn der Ladestrom reduziert wird, nimmt der Materialumwandlungswirkungsgrad zu, da die elektrochemische Reaktionsrate mit der Rate der Säurediffusion und anderen chemischen Prozessen vergleichbar ist, so dass die Ladeakzeptanzfähigkeit der Batterie verbessert wird.
Der Gesamtladeprozess kann durch Einarbeiten des Überladeeffektes genauer ausgedrückt werden. Die folgende Gleichung nimmt an, dass die Überladereaktion an der Tafel-Korrelation hängt: VBAT(ϕ, φ, T) = υ(ϕ) + βlog(φ1) + [ξ + ψlog(φ – φ1)] + κφ + γ(T) (5)wobei ξ und ψ die neuen Tafel-Koeffizienten sind, φ₁ und (φ – φ₁) die entsprechenden Strombrüche sind, die verteilt sind auf jeweils die nutzbare Materialumwandlung bzw. Überladereaktion, während das Verhältnis von φ₁/φ den Ladewirkungsgrad oder die Ladeakzeptanzfähigkeit bestimmt.
Ein optimales Batterieladeverfahren ist deshalb zur Verwendung hierin derart definiert, dass der präzise Betrag an elektrischem Strom geliefert wird, um eine Polarisierung der aktiven Materialien zu erhalten, so dass eine nutzbare Materialumwandlung stattfinden kann, während zusätzlich der ohmsche Widerstand der inaktiven Materialien, wie beispielsweise Leitungsdrähte, Plattenansätze, Klemmenkontakte und Verbindungen, zusammen mit ohmscher oder joulescher Erwärmung überwunden wird. Das optimale Ladeverfahren sollte zusätzlich eine verschwenderische Energiedivergenz beseitigen, beispielsweise die, die die Überladereaktionen ergänzt. 13 zeigt eine graphische Darstellung dieses optimalen Batterieladeprozesses, bei dem die Ladeakzeptanzfähigkeit sich bei niedrigen Ladezuständen 100 % nähert und im voll geladenen Zustand allmählich auf 0 % abnimmt. In der Theorie sollte die Ladeende-Spannung der Batterie gleich der Gleichgewichtsspannung einer voll geladenen Batterie sein, wie es hier gezeigt ist, um einen Ladewirkungsgrad von 100 % (d.h. 0 % Vergeudung) zu erzielen. Außerdem ist zu erwarten, dass der Punkt der Abweichung, wie es aus der Divergenz der durchgezogenen und gestrichelten Ladekurven von 12 zu sehen ist, mit dem exakten Zustand der Überladebeginn-Bedingung und der Reduktion der Ladeakzeptanz zusammenfällt, was eine Angabe einer Elektroneneingaberate ist, die die maximale Rate der Materialumwandlung unter den vorgeschriebenen Bedingungen überschritten hat. Im Anschluss an den Ladeprozess, der eine Überladebeginn-Bedingung erreicht hat, kann das beschriebene optimale Laden durch Anwenden einer abgeschätzten Spannungsobergrenze abgeschätzt werden, die gegeben ist durch VLID = υ(ϕ) + βlogφ + κφ (6)
14 zeigt einen Schaltkreis 70, bei dem ein Ladestrom an eine Batterie 72 durch eine programmierbare Stromquelle 74 angelegt wird, die von einem Lade-Controller 76 gesteuert wird, der eine Funktion einer variablen Spannungsobergrenze von Gleichung (6) oder eine Annäherung an diese gemäß der Erfindung benutzt. Es ist festzustellen, dass das Anwenden der Spannungsobergrenzenprozedur einen Mechanismus zum Detektieren (oder Abschätzen) der Überladebeginn-Bedingung während des Ladens erfordert. Der Mechanismus, der zum Detektieren des Überladebeginns verwendet wird, kann abhängig von der Anwendung variieren. Beispielsweise liefert beim Batterieladen vom stetigen Typ (z.B. externe Ladegeräte in Wartungshallen oder Ladestationen für Elektrofahrzeuge) der auf einem Modell beruhenden Ansatz, als eine Erweiterung von Gleichung (4), ein systematisches Verfahren zur Vorhersage der Überladebeginn-Bedingungen, so dass der angelegte Strom unter Verwendung fortschrittlicher Steuerungsstrategien passend geregelt werden kann. Jedoch ist es für ein in einem Fahrzeug befindliches Batterieladesystem ungewöhnlich, ein stetiges Laden mit einem festen Strom zu erzielen, wie es oben dargestellt wird. Es ist festzustellen, dass Bedingungen für ein stetiges Laden in einem Kraftfahrzeug nur während Zeiträumen ausgedehnter Straßenfahrten angenähert werden.
Die Kurve der Spannungsobergrenze des "optimalen Batterieladeverfahrens" kann angenähert werden, indem eine einfachere Prozedur mit abgestufter Spannungsobergrenze verwendet wird, um ein Überladen und andere schädliche Effekte im Wesentlichen zu beseitigen. Es wird eine Reihe von Spannungsgrenzen oder kritischen Spannungen definiert und benutzt, die das Ausmaß an Überladen minimiert, das gemäß verschiedenen Ladezustandsniveaus in Bezug auf die Temperatur stattfinden darf. Dadurch kann der maximal zulässige Ladestrom automatisch auf ein festes Spannungsniveau begrenzt werden, um Gleichung (4) anzunähern.
Es ist aus der vorstehenden Diskussion festzustellen, dass die Ladeakzeptanz der Batterie bei niedrigen Ladeniveaus am größten ist. Es ist daher, mindestens in der Theorie, möglich, die Batterie wie folgt zu laden:

(1) Einleiten des Ladens der Batterie bei irgendeinem Strom und irgendeinem Ladezustand,
(2) Erzielen eines ultraschnellen Ladens ohne Überladen; und
(3) Erzielen eines vollständigen Wiederaufladens, während ein Überladen verhindert wird.

Dementsprechend kann der Ladeprozess bei einem extrem hohen Strom für sehr niedrige Werte des Ladezustandes eingeleitet werden, wobei im Wesentlichen der gesamte anfängliche Eingangsstrom in dem Materialumwandlungsprozess benutzt wird. Beim Detektieren des Überladebeginns, wird der angelegte Strom derart geregelt, dass er genau zu der vordefinierten optimalen Ortskurve der Spannung, des Stromes und des Ladezustandes passt. Das Detektieren des Überladebeginns kann beispielhaft ausgeführt werden, indem die Ladespannung über entsprechende Werte, die für die kritische Spannung bestimmt werden, geprüft wird, oder mittels eines Detektierens des tatsächlichen Beginns des Ausgasens der Batterie. Jedoch ist es bei zahlreichen Anwendungen wirtschaftlich nicht praktikabel, ein sorgfältig ausgearbeitetes, auf einem Modell beruhendes System abzuleiten und einzusetzen, um eine Steuerung des Ladens der Batterie bereitzustellen. Bei diesen Anwendungen können diskrete Funktionen einer kritischen Spannung abgeleitet werden, die dazu benutzt werden können, das beschriebene "optimale" Ladesteuerungsverfahren anzunähern. In 15 ist ein diskretes Fünf-Punkte-Spannungsobergrenzenverfahren dargestellt, wobei die fünf Punkte zu befolgende Spannungsgrenzen als eine Funktion des Ladezustandes bei einer Temperatur von 25°C angeben. Der Temperaturgraph in Richtung nach rechts von 15 liefert Korrekturwerte für die Spannungsobergrenzen in Bezug auf die Temperatur. Der Leser wird feststellen, dass das Verfahren der Erfindung praktisch als eine kontinuierliche Funktion oder als eine abgestufte, diskrete Funktion ausgeführt werden kann, die das beschriebene Profil des "optimalen Ladeverfahrens" annähert.
Eine Annäherung des optimalen Ladeverfahrens kann zusätzlich als eine Reihe von Ladebetriebszuständen entwickelt werden, die Ladezustandsbereichen zugeordnet sind, beispielsweise drei Betriebszustände (1) unter 80 %, (2) 80 % bis 90 % und (3) über 90 % die einfach als niedriger, Nenn- und hoher Ladezustand betrachtet werden können. Wenn der Ladezustand der Batterie niedrig ist, fördert die Technik ein schnelles Laden, indem ein sehr hohes Niveau an Ladestrom eingeleitet wird, und sie ver meidet zudem jegliche Überladepotentiale. Es ist festzustellen, dass ein schnelles Laden bei einem maximalen Strom, der eine 2C-Rate übersteigt, typischerweise mit einer Blei-Säure- und gewissen anderen Batterietypen möglich ist, die erfindungsgemäß bei niedrigen Ladezustandsniveaus geladen werden, da die Spannungsobergrenzen- oder Überladebeginn-Bedingung für jede Laderate im Anschluss an die beschriebene Prozedur bestimmt werden kann. Typischerweise war die Laderatenbeschränkung innerhalb eines besonderen Systems hinsichtlich des verfügbaren Ladestroms bei den niedrigen Ladezustandsniveaus, beispielsweise die 1,2C-Rate, wie dies früher beschrieben wurde, eine Grenze des Experiments anstelle der Batterie, da die Stromquelle ein Maximum von 60 A zuführen konnte. Wenn der Ladezustand der Batterie in den Nennbetriebsbereich des Ladeverfahrens eintritt, gilt ein mäßiges Ladestromniveau. Wenn der Ladezustand der Batterie den hohen Bereich bei oder nahe eines vollen Ladezustandes erreicht, liefert das Ladegerät ein "schwimmendes" Laden der Batterie mit einer niedrigen Spannungsgrenze, um den Überladeeffekt zu minimieren, während die hohen Ladeniveaus kontinuierlich aufrechterhalten werden. Das Ladeverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung liefert einen einzigartigen Ansatz für ein schnelles Laden einer Batterie bis zu einem voll geladenen Zustand, ohne in Richtung einer Beschädigung der Batterie infolge von Ausgasungseffekten, die durch Überladepotentiale hervorgerufen werden, zu geraten. Herkömmliche Schnellladesysteme sind routinemäßig oft bis zu einem Ladezustand von 80 % leistungsfähig, sie sind jedoch nicht imstande, ein vollständiges Laden auszuführen, es sei denn, die Batterie wird zu einer Form von Gleichgewichtsladegerät transferiert (d.h. die Verwendung eines Überladens, um zusätzliche Energie in die Batterie bei weniger als 20 % Wirkungsgrad hineinzutreiben). Diese herkömmlichen Schnellladeverfahren betonen das Laden bis zu einem Teilladezustand, und die Technik ist beispielhaft in Elektrobussen ausgeführt, deren Batteriesysteme während des Tages bei einem Ladezustand zwischen 50 % und 80 % arbeiten, während ein periodisches (über Nacht) Ausgleichsladen erforderlich ist, um die Batterien vollständig aufzuladen und zu erhalten.
Um richtige Parameter hinsichtlich des beschriebenen optimalen Ladeverfahrens für eine Batterie mit einem besonderen Satz von Merkmalen herzustellen, ist es bevorzugt, einen Satz von empirischen Daten unter tatsächlichen Ladebedingungen zu sammeln. Es wurden Experimente an einer Reihe von Testbatterien durchgeführt. Die Probebatterie in jedem Test wurde zunächst auf einen Ladezustand von 100 % durch eine Standardladeprozedur geladen und dann auf ein vorbestimmtes Ladezustandsniveau (60 %, 70 %, 80 % oder 90 %) entladen, indem eine berechnete Amperestundenkapazität mit einer 3,45 A, oder 20h-Entladerate weggenommen wurde. Nachdem sie ihre Temperatur und ihr Spannungsgleichgewicht in einem acht- bis sechzehnstündigen Ruhezeitraum erreichen konnte, wurde die Batterie danach unter Verwendung einer Konstantstrom-Energiequelle mit einer festgelegten Rate geladen (Testströme umfassten 3,45 A, 7,5 A, 15 A, 25 A, 35 A und 45 A). Ein Hochgeschwindigkeits-Datenbeschaffungssystem zeichnete Ladestrom, Batteriespannung und Gasströmungsrate aus den Entlüftungsöffnungen während des Testzeitraums aus. Beim Erreichen eines festgelegten maximalen Amperestundeneinganges oder einer maximalen Gasblasenbildungsrate wurde das Laden beendet. Repräsentative Ladeprofil- und Gasströmungsratengraphen, die aus diesem Test abgeleitet wurden, sind in den 16 und 17 gezeigt. Das Ladeprofil von 16 veranschaulicht den Ladebeginn bei einem Ladezustand von 60 % bei 25°C für die Gruppe von Ladeströmen.
Der Beginn des Ausgasens ist durch die Kreise angegeben, die längs der Spannungskurven von 16 zu finden sind. Ein entsprechender Graph einer normierten Gasströmung bei den sechs Ladeströmen ist in 17 gezeigt. Ein tatsächliches Testen wurde bei verschiedenen Bedingungen von Anfangsladezustand bei sowohl 25°C als auch 50°C durchgeführt, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 und Tabelle 2 zusammengefasst. Es wurde beobachtet, dass der Beginn des Ausgasens beinahe bei dem gleichen Wendepunkt auf dem entsprechenden Spannungsprofil für alle Ladeströme auftritt. Da bekanntlich die Gasblasenbildungsreaktionen (d.h. Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung) direkt mit dem Stromniveau oder dem Elektroneneingang in Beziehung stehen, kann eine normierte Gasblasenbildungsrate (cm³ min^–1 A^–1 bei 0°C und 1,01 × 10⁵ pa) definiert werden, um einen vorteilhaften Vergleich zwischen den unterschiedlichen Laderaten zu ermöglichen. Eine kritische Gasströmungsrate von 1,0 cm³ min^–1 A^–1 wurde hier als ein kritischer Zustand definiert, der die maximale Gasblasenbildungsrate darstellt, die bei irgendeiner Bedingung von Laderate, Ladezustand und Temperatur zulässig ist. Die entsprechenden kritischen Spannungen für individuelle Tests sind in Tabelle 1 zusammengefasst. In Tabelle 2 wurden die Ausgasungsdaten aus dem Experiment weiter durch arithmetisches Mitteln reduziert und in drei Bereiche unterteilt, um beispielhaft einen Satz von drei Ladebetriebszuständen auszuführen, insbesondere für niedrige, Nenn- und hohe Ladezustandsniveaus, von denen ein Beispiel zuvor beschrieben wurde. Die "obere Ladespannungsgrenze", die in Tabelle 2 für niedrige Ladezustandsniveaus (kleiner als 80 %) angegeben ist, sollte theoretisch wesentlich über dem festgestellten Wert von 15,30 Volt, der für 25°C angegeben ist, und dem Wert von 14,65 Volt, der für 50°C angegeben ist, liegen, jedoch wurden diese stärker begrenzten Werte angewandt, um sich an die elektrischen Festlegungen anzupassen, die bei typischen Fahrzeugen stärker bevorzugt sind. Nichtsdestoweniger wird eine reduzierte Spannungsgrenze keine signifikant schädlichen Auswirkungen auf die Batterielebensdauer zeigen; d.h. geringfügiges Unterladen, oder geringfügige Zunahme der Ladezeit. Zusätzlich tritt in dem Nennladebetriebszustand der Beginn des Ausgasens in einem sehr schmalen Bereich von Strom und Ladezustandsniveau auf, so dass ein Durchschnitt oder Mittelpunkt diese kritischen Spannungen derart gewählt werden muss, dass ein Antriebsstrom geliefert wird, der einen gewissen Grad an Ausgleich zwischen Überladen und Unterladen bereitstellt.
Zusätzlich kann der Überladebeginn- oder Spannungsobergrenzengleichung bestimmt werden, indem der Ladestromgradient (dV/dQ) derart bestimmt wird, dass Werte, die ein festgelegtes Schwellenwertniveau übersteigen, das Anzeichen der Überladebeginn-Bedingung sind. Ein Beispiel eines typischen Schwellenwertes von Eingangsspannungsänderung je Amperestundenänderung für eine Blei-Säure-Batterie liegt im Bereich von 150–250 mV/Ah (das alternativ in Relation zur C-Rate angegeben werden kann).
Batterien werden im Allgemeinen während des normalen Betriebes des Fahrzeuges auf recht hohen Ladezustandsniveaus gehalten. Der Hauptteil des Überladens und andere die Lebensdauer verschlechternde Prozesse sind oft das Ergebnis von übermäßigem Ausgasen während des "schwimmenden Ladens", das eine Gasentwicklung, innere Wärme und ähnliche unerwünschte Prozesse stimuliert. Folglich liefert die vorliegende Erfindung eine untere Spannungsgrenze für das "schwimmende Laden", die ein Ladestromniveau sicherstellt, das 3,45 Ampere nicht übersteigt, welches die Gasblasenbildungsrate unter dem angestrebten Maximum von 1,0 cm³ min^–1 A^–1 oder 3,45 cm³ min^–1 (Normalbedingungen) hält.
Es folgt ein Beispiel, das zusätzliche Klarheit im Hinblick auf die Funktionsweise einer Annäherung des beschriebenen optimalen Ladeverfahrens liefert:

(1) Es werden kritische Spannungspegel bestimmt: Auf der Grundlage der gesammelten Daten für die getestete Batterie wurde herausgefunden, dass das Überladebeginn-Potential, wie es durch das Niveau von Gasblasenbildung während Konstantstrom-Ladens registriert wird, bei einer Temperatur von 25°C bei einem Ladezustand von 80 % für einen Ladestrom von 60 A, bei einem Ladezustand von 85 % für einen Ladestrom von 45 A und bei einem Ladezustand von 90 % für einen Ladestrom von 3,45 A auftritt. Dementsprechend sind die entsprechenden Überladebeginn-Spannungen 15,3V, 14,9V bzw. 14,0 V, wie es durch die durchschnittlichen kritischen Spannungen von Tabelle 2 für die drei Ladebetriebszustände gegeben ist.
(2) Ein Laden mit hoher Rate, das bei niedrigem Ladezustand eingeleitet wird: Nachdem aus aufgezeichneten Betriebsabläufen bestimmt worden ist, dass die Batterie weit unter einem Ladezustandsniveau von 80 % beim Beginn der Ladephase liegt, erzeugt das Ladesystem einen hohen Ladestrom, der wie ein Konstantstrom/Konstantspannung-Ladegerät von vorzugsweise 60 A oder höher reguliert wird. Das Laden mit hohem Strom bewirkt einen schnellen Batteriespannungsan stieg in Richtung der ersten kritischen Spannung von 15,3 V. Es ist festzustellen, dass in einem herkömmlichen Konstantstrom/Konstantspannung-Ladesystem der Ladestrom frei geregelt werden würde, um die vorgeschriebene Batteriespannung aufrechtzuerhalten, bis die Batterie vollständig geladen ist, wie es anhand der 5 bis 7 beschrieben wurde.
(3) Eine Spannungsobergrenze mit hoher Rate verhindert ein Überladen: Der Ladestrom wird automatisch auf 60 A oder weniger durch eine Spannungsobergrenze begrenzt, um jedes Überladen zu beseitigen, bis die Batterie ein Ladezustandsniveau von 80 % erreicht. Jedes Überladen oder uneffiziente Laden bewirkt dadurch, dass der Ladestrom nach unten geregelt wird. Diese Spannungsgrenze ist ähnlich wie die, die gemäß der Darstellung in 5 gezeigt ist.
(4) Das Ladezustandsniveau der Batterie erreicht einen ersten Schwellenwert: Bei einem Ladezustandsniveau für die Batterie von 80 %, das durch Amperestundenintegration oder andere äquivalente Verfahren bestimmt werden kann, wird eine neue Spannungsgrenze von 14,9 V zugewiesen, um den Ladestrom schnell auf ein Niveau bei oder unter 45 A zu regeln, was die theoretischen Anforderungen erfüllt, um Überladepotentiale zu vermeiden. In Wirklichkeit wird ein geringfügiger Betrag an Überladen auftreten, wenn das Ladezustandsniveau für die Batterie über 85 % zunimmt, jedoch wäre der Effekt aufgrund der Verwendung einer relativ niedrigen Spannungsgrenze von 14,9 V anstatt der 15,3 V, die in Tabelle 2 für die obere Ladegrenze spezifiziert sind, minimal.
(5) Das Ladezustandsniveau der Batterie erreicht einen zweiten Schwellenwert: Auf eine ähnliche Weise wird, wenn das Batterie-Ladezustandsniveau 90 % erreicht, eine neue Spannungsgrenze von 14,0 V zugewiesen, die eine weitere Ladestromverringerung auf annähernd 3,45 A erzwingt. Über dieses Ladezustandsniveau von 90 % hinaus wird zugelassen, dass die Batterie bei einer solch niedrigen Spannungsgrenze ein "schwimmendes Laden" durchführt, um einen maximalen Ladestrom sicherzustellen, der 3,45 A nicht übersteigt.

Obwohl es für Blei-Säure-Batterien beschrieben worden ist, kann das beschriebene Bewertungsverfahren allgemein auf Batterietypen mit anderen chemischen Eigenschaften angewandt werden, die Nickel-Cadmium, Nickel-Metallhydrid, Lithium-Ion, umfassen, zusammen mit zusätzlicher auf Nickel beruhender und auf Lithium beruhender Batteriechemie. Ein Fachmann wird erkennen, dass ein Laden mit hoher Rate von NiMH-Batterien übermäßige Wärme erzeugen kann, die die Spannungsobergrenzenfunktion verzerren kann, und da die Relaxation von NiMH langsam ist, wird ein Laden dieser Zellen über einer 1,5C-Rate typischerweise für die gegenwärtige Zellentechnologie nicht empfohlen. Außerdem unterscheidet sich die Bestimmung der Spannungsobergrenzenfunktion geringfügig für auf Lithium beruhende Zellen, da ein Überladen die Zelle zerstört (d.h. infolge von Änderungen der Elektrodenmikrostruktur). In auf Lithium beruhenden Batterien ist das durchgeführte Testen ein zerstörendes Testen der Batterien, so dass sie nur ein einziges Mal bei der Bestimmung der Überladebeginn-Bedingungen ver wendet wird, so dass diese Bedingungen in Batterien vermieden werden, die tatsächlichen Betriebsbedingungen ausgesetzt werden.
Es sind verschiedene Verfahren zum Anwenden variabler Spannungsobergrenzen für ein Batterieladen gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben worden. Obwohl der Einsatz des Spannungsobergrenzenverfahrens weit variieren kann, sind unten zwei Abläufe als Beispiele von der Durchführung von Spannungsobergrenzenberechnungen während des Betriebes sowie durch die Verwendung einer begrenzten Berechnung oder von Nachschlagetabellen während des Betriebes angegeben.
Das folgende beschreibt Schritte zur Verwendung in einer computergesteuerten Ladeumgebung, die die Spannungsobergrenze im laufenden Betrieb berechnet.
In der folgenden Variante wird ein Satz von Werten gespeichert, die während des Betriebes zum Bestimmen der Spannungsobergrenze herausgesucht werden.
Das erfinderische Verfahren wurde unter Laborbedingungen getestet, um das Niveau an Optimierung, das geschaffen werden konnte, festzustellen. Die Ausführungsform des Ladeverfahrens, das in dem Test benutzt wurde, wandte eine optimale variable Spannungsobergrenze an, um das Laden von einem Ladegerät zu begrenzen, das eine Stufenstromfunktion bereitstellte, die derart angewandt wurde, dass die Anzahl und Größe von Stromstufen, den Anpassungsgrad zwischen dem tatsächlichen Batterieladeprofil und der optimalen theoretischen Ladekurve bestimmte. Die Ergebnisse der Tests sind in den 18 und 19 gezeigt und können mit den Ergebnissen des Stufenstromtests der 10 und 11 verglichen werden, da diese Tests unter identischen Bedingungen durchgeführt wurden. 18 ist das Ladeprofil, das während des Testens dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, und es liefert eine enge Annäherung an das optimale Ladeprofil, das anhand von 13 beschrieben wurde. Unter Hochstrom-Ladebedingungen bei niedrigem Ladezustand war die abgeschätzte Spannungsobergrenze hoch, um die durch großen Strom eingeleiteten Polarisationseffekte widerzuspiegeln. Die Spannungsobergrenze wurde anschließend allmählich auf eine kontinuierliche Weise derart reduziert, dass sie zur Ladeakzeptanzdynamik der Batterie passte. In Übereinstimmung mit den theoretischen optimalen Bedingungen näherten sich die Sollpunkt-Spannungsobergrenze und die gemessene Batteriespannung der Leerlaufspannung bei Abschluss des Ladezyklus einer voll geladenen Batterie an.
Beim Vergleich des erfinderischen Verfahrens, das zu den 18 und 19 gehört, mit dem Stufenstromprofilverfahren ist festzustellen, dass Überlade- und Gasblasenbildungsreaktionen bei jedem Niveau von Ladezustand für das erfinderische Verfahren dem Stufenstromverfahren weit überlegen waren, und es wurde beobachtet, dass es nahezu beseitigt war (Amperestundenintegrationsdaten geben Überladeniveaus im Bereich von 2 %–5 % an). Diese Ergebnisse sind insbesondere im Hinblick auf die vierfache Zunahme des Anfangsladestromes wesentlich, der beim Testen des erfinderischen Verfahrens gegen das Stufenstromverfahren angewandt wurde. Die Gesamtladezeit für die Batterie war von einer Dauer von 5 bis 7 Stunden für das Stufenstromsystem bis zu einer Dauer von 1,5 bis 2,5 Stunden für das erfindungsgemäße System wesentlich reduziert. Eine Summe von fünfzehn Lade-Entlade-Zyklen wurde während des Testens durchgeführt, und es wurde keine Verschlechterung bei dem Leistungsvermögen oder ein Kapazitätsverlust für die Batterien detektiert. Die beispielhaft ausgeführten Drei- und Fünf-Stadien-Spannungsgrenzen wurden im Labor nicht ähnlich getestet.
Es ist festzustellen, dass tatsächliche Batteriebetriebsbedingungen in einem Fahrzeug im Labor schwierig zu reproduzieren sind, und es ist festzustellen, dass unter normalen Testbedingungen die Batterien schnell ein stetiges Laden erreichen, insbesondere mit Batterien vom gefluteten Typ, und aufgrund des schmalen Übergangsfensters schnell in den Be triebszustand eines "schwimmenden Ladens" hineinregeln, wenn sie sich dem vollen Ladezustand nähern. Eine beträchtlich ausgiebigere Laborprozedur ist notwendig, um die optimale Funktionalität unter Bedingungen zu untersuchen, bei denen ein dynamisches Stromlastniveau und ein maximaler Ladegerätversorgungsstrom geliefert werden, um beispielsweise eine Fahrumgebung in der Stadt mit einem Stop-And-Go-Betrieb zu simulieren.
Um einen Betrieb unter dynamischen Lade/Entlade-Bedingungen sicherzustellen, bei denen verschiedene Lastströme aus der Batterie gezogen werden, wurde das Ladeverfahren in einem Fahrzeug unter tatsächlichen Fahrbedingungen in der Stadt an zwei aufeinander folgenden Sommertagen getestet. Der Test ergab Daten, die zusammengefasst den erwarteten Wert des erfinderischen Ladeverfahrens zur Bereitstellung eines schnellen Ladens mit einem minimalen Überladen unterstützten. Zu Beginn des Testens hatte die Batterie eine Teilladung auf ein Ladezustandsniveau von 80 % empfangen. Ein Batterieladen bei niedrigem Ladezustandsniveau unter 80 % war schnell bei hohen Zuströmen im Bereich von 60–80 Ampere abgeschlossen, während eine Stromregelung bei einer relativ hohen Spannungsgrenze begann. Wenn sich die Batterie dem voll geladenen Zustand näherte, wurden sowohl der Ladestrom als auch die Spannungsgrenze erfindungsgemäß heruntergeregelt (oder herunter abgestuft), was das Überladen minimierte. Die gemessene Gasströmungsrate zeigte an, dass ein niedriges Gasblasenbildungsniveau aufrechterhalten wurde, wodurch sich eine Übereinstimmung mit dem Modell ergab und eine Angabe des Überladegrades während eines Wiederaufladezyklusses bereitgestellt wurde.
Während dieser Fahrtests nahm das berechnete Ladezustandsniveau für die Batterie in weniger als einer Stunde auf über 100 % zu und behielt dieses hohe Niveau für die restliche Zeit. Infolge des Anwendens des erfinderischen Verfahrens kann durch Absenken des Generatorausgangsbedarfes eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit erzielt werden, so dass die Batterielebensdauer beträchtlich ausgedehnt werden kann, indem kontinuierlich mit einem relativ hohen Ladezustandsniveau gearbeitet wird, während sie nur mageren Überladeniveaus ausgesetzt wird. Das Ladezustandsniveau am Ende des Tests für die Batterie wurde bestätigt, indem die 20h-Entladung gemessen wurde.
Es ist dementsprechend zu sehen, dass diese Erfindung Verfahren zum Optimieren des Ladens von Batterien lehrt, indem eine Funktion einer abnehmenden variablen Spannungsobergrenze angewandt wird, die gemäß einem Satz von Batterieladeparametern modelliert ist. Die Ladeverfahren sind hierin anhand einer Automobilanwendung beschrieben worden, bei der hochdynamische Bedingungen vorherrschen. Es ist festzustellen, dass die Ladeverfahren in einer Vielfalt von Ladegeräten angewandt werden können, die in der Lage sind, ein Sortiment von Batterien mit variierenden chemischen Eigenschaften zu laden. Zusätzlich sind die Verfahren gemäß einem Beispiel beschrieben, bei dem Ladeparameter empirisch für eine besondere Batterie bestimmt worden sind, jedoch sind die gelehrten Verfahren trotz des Prozesses, der dazu verwendet wird, Batterieparameter zu sammeln und in Richtung ihrer Anwendbarkeit in einer gegebenen Formel allgemein anwendbar. Die erfinderischen Lehren beschreiben alternative Verfahren, wie eine abgestufte oder bereichsweise Implementierung der vorliegenden erfinderischen Verfahren, und ein Fachmann wird feststellen, dass zahlreiche zusätzliche Abänderungen ohne kreatives Bemühen implementiert werden können.
Wenn bei der Erfindung von einem Element im Singular die Rede ist, ist nicht gemeint, dass "eines und nur ein einziges" gemeint ist, es sei denn, es ist explizit so festgestellt, sondern vielmehr "eines oder mehrere".
Die Erfindung betrifft Batterieladeverfahren und zugehörige Ladegeräte 70, die in der Lage sind, eine Batterie 72 schnell aufzuladen, während sie reduzierten Überladeniveaus ausgesetzt wird. Die beschriebenen Verfahren sind in der Lage, in zahlreichen Batterieladesystemen für Batterien benutzt zu werden, die einen Bereich von chemischen Eigenschaften überspannen, wie beispielsweise Blei-Säure-, auf Nickel beruhende und auf Lithium beruhende Batterien. Bei der Detektion eines Überladebeginns während des Ladeprozesses wird eine variable Spannungsobergrenze auferlegt (V_LID = υ(ϕ) + βlogφ + κφ), die die maximale Spannung, die an die Batterie 72 angelegt werden kann, als eine Funktion einer Ladeakzeptanz reduziert, die typischerweise durch eine Berechnung, die auf dem Ladezustand beruht, abgeschätzt wird. Zusätzlich kann die Spannungsobergrenze mit abgestuften Spannungsobergrenzen angenähert werden, die von dem Ladeakzeptanzniveau in der Batterie abhängen.
Tabelle 1 Kritische Ladespannung als Funktion des Stromes und des Ladezustandes
Tabelle 2 Zusammenfassung der gemittelten kritischen Ladespannung

Claims

Verfahren zum Laden einer Batterie (72) bei dem (a) einer Batterie (72) ein in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batterie (72) gesteuerter Ladestrom zugeführt wird, (b) der Beginn eines Ausgasens der Batterie (72) ermittelt wird, (c) bei Ermittlung des Beginns eines Ausgasens der Batterie (72) zur Reduzierung des Ladestroms eine Obergrenze der an die Batterie (72) angelegten Ladespannung verringert wird, wobei die Obergrenze der Ladespannung als Funktion des Ladezustands der Batterie (72) ermittelt wird, und (d) die Schritte (b) und (c) wiederholt werden, bis der der Batterie (72) zugeführte Ladestrom auf ein ausreichend niedriges Niveau begrenzt worden ist, um bei minimalem Ladestrom einen maximalen Ladezustand der Batterie (72) aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom von einer steuerbaren Stromquelle (74) über einen Reihenwiderstand der Batterie (72) zugeführt wird, wobei der Reihenwiderstand die Stromquelle (74) und die zu ladende Batterie (72) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des Ausgasens der Batterie (72) in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batterie (72), von dem Ladestrom und von der Temperatur empirisch ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des Ausgasens der Batterie (72) durch Detektion einer Gasblasenbildung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenze V_LID der Ladespannung als Funktion des Ladezustandes φ der Batterie (72), des Ladestroms φ und der Temperatur T gemäß der Formel V_LID = υ(ϕ) + βlogφ + κφ ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenze der Ladespannung in einer Reihe von diskreten Stufen verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Obergrenze der Ladespannung gewählt wird, bei der während des Ladens der Batterie (72) eine maximal zulässige normierte Gasblasenbildungsrate erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige normierte Gasblasenbildungsphase während des Ladens auf annähernd 1,0 cm³ min^–1 A^–1 (Normalbedingungen) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Obergrenze der Ladespannung gewählt wird, bei der während des Ladens der Batterie (72) ein konstanter Spannungsgradient dV/dQ erreicht wird und die Spannung pro Amperestunde einen festgelegten Schwellenwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie (72) geladen wird, die aus der Gruppe von Batterien ausgewählt wird, die aus Blei-Säure-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-, Lithium-Ion-, auf Nickel beruhenden und auf Lithium beruhenden Batterien besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine hohe Batterieladerate, die 1,2C übersteigt, an eine Batterie (72) angelegt wird.
Vorrichtung (70) zum Laden einer Batterie (72), umfassend: eine durch einen Lade-Controller (76) gesteuerte programmierbare Stromquelle (74), um einer Batterie (72) einen Ladestrom mit einer gesteuerten, durch eine Obergrenze einer Ladespannung begrenzten Stärke zuzuführen, und ein Mittel, um den Beginn eines Ausgasens der Batterie (72) zu detektieren, wobei durch den Lade-Controller (76) in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batterie (72) eine Obergrenze für die an die Batterie (72) anzulegende Ladespannung ermittelbar ist, durch die Stromquelle (74) bei Beginn des Ausgasens der Batterie (72) der Ladestrom durch eine Verringerung der als Funktion des Ladezustands der Batterie (72) ermittelten Obergrenze der an die Batterie (72) angelegten Ladespannung reduzierbar ist, und durch die Stromquelle (74) der der Batterie (72) zugeführte Ladestrom auf ein ausreichend niedriges Niveau begrenzbar ist, um bei minimalem Ladestrom einen maximalen Ladezustand aufrecht zu erhalten.