对电驱动的运输工具的电蓄能器执行快速充电过程的方法与流程

本发明涉及一种用于对电驱动的运输工具的电蓄能器执行快速充电过程的方法。本发明尤其涉及用于平均温度电池组（mitteltemperaturbatterie）的快速充电过程。

背景技术：

在电驱动的运输工具中，例如电动和混合动力车辆中，以及在固定应用中使用基于锂制造的、可充电的牵引用电池组，以便给电驱动设备供应电能。相应的电池组可以例如由多个串联接通的电池组模块构造，其中每个电池组模块可以具有多个串联或并联接通的电池组电池。目前在运输工具中使用的电池组系统必须也在低温情况下随时可以使用。这不仅与充电过程相关联地适用，也适用于放电过程。锂电池组的新技术由固态电解质组成，因为它们通常具有更高的能量密度。其化学组成部分是高活性的，并且仅在确定温度范围内运行，例如高于50℃且低于90℃的温度范围内运行。在所述温度范围之外，它们由于高的内部电阻而在其功率行为方面受到限制，或者出于安全原因而不允许运行。

智能充电策略尤其是对于这种电池组是有必要的，以便可以在狭窄的预先定义的温度范围内尽可能快地对其充电。自身的温度处于预先定义的温度范围内的平均温度电池组或可投入运行的平均温度电池组的充电过程尤其是在快速充电时可能导致电池组电池的温度超出。以相应的冷却来应对这个问题，因为正是利用高电流的充电过程引起附加的电池加热，由此电池组的温度继续升高。

us953203b2描述一种二次电池组系统，所述二次电池组系统由多个二次电池组组成，所述二次电池组与预先定义的顺序一致地借助控制电路交替地和反复地被充电，其中分别只有一个二次电池组处于充电状态，而其他的二次电池组在此时间段中不被充电。在预先定义的充电时间之后，控制电路基于用于充电过程的预先定义的顺序来选择相应的下一个二次电池组。循环重复该顺序，直至二次电池组系统已达到其目标充电状态。

de102010043912a1描述一种用于确定电池组的电池的充电状态的方法，具有用于确定电池组的电池的充电状态的模块的电池组以及具有相应电池组的机动车，它们尤其是可用于在具有多个电化学电池的电池组的情况下，例如在机动车的牵引用电池组的情况下，加速地实施电池补偿。

技术实现要素：

本发明的主题是可投入运行的平均温度电池组的充电策略，所述平均温度电池组可以在快速充电方法中充电，而不会遇到其运行温度范围的温度极限，并且其中几乎完全地一并考虑到松弛（relaxation）。

根据本发明的第一方面，建议一种用于对电驱动的运输工具的电蓄能器执行快速充电过程的方法。就此而论，快速充电过程表示尤其是，完整的充电过程，其包括：连接充电设备到蓄能器上，对蓄能器充电和在快速充电过程结束后将充电设备从蓄能器分开。蓄能器尤其可以是平均温度电池组，所述平均温度电池组的运行温度范围例如在50℃至90℃之间，尤其是70℃和90℃之间，所述蓄能器包括：能同时充电的模块串（modulstrang）的第一组合和与模块串的第一组合不相交的（disjunkt）、能同时充电的模块串的第二组合，其中模块串的第一组合和模块串的第二组合处于结构单元中（einebaulicheeinheit）。模块串可以分别由多个串联接线的电池组模块组成并且具有相应的接触可能性，以便使在相应模块串中串联接线的模块在其整体上能够充电或放电。为此目的，模块串本身可以分别由自己的外壳包围，其中相应的接触装置可以设置在相应外壳的外侧上。通过所述接触装置，可以以适合的方式来接线蓄能器的各个模块串。

在热能从蓄能器向蓄能器的周围环境的最佳排出的观点情况下，优选地应考虑：将模块合适地接线成相应的模块串。即，通过确定模块串的第一组合和模块串的第二组合可以确保，可以尽可能均匀和尽可能快地从蓄能器外壳向周围环境排出通过充电过程而在相应的模块串内产生的热量。为了实现这点，在蓄能器外壳中的模块串例如可以相互平行地（parallelzueinander）布置，使得优选地模块串的至少分别一个第一面和至少分别一个第二面面向蓄能器外壳的第一面和蓄能器外壳的第二面并且从而可以以适合的方式热耦合。

如以上所述，根据本发明的方法规定将蓄能器的多个模块串划分为模块串的第一组合和与模块串的第一组合不相交的、模块串的第二组合，其中这种划分也可以被理解为多个模块串的掩模（maskierung），由此模块串的第一组合相当于第一掩模并且模块串的第二组合相当于第二掩模。就此而论，不仅所述方法而且所述蓄能器的构造也不限于模块串的两个组合的数量。相反，只要是模块串的组合的数量和将模块串划分成模块串的相应组合的方式和方法实现或者支持本发明的方法，原则上就能够设想任意数量的不相交的、模块串的组合。在考虑到用于实现到外壳上的充分热耦合的适合措施的情况下，多个模块串可以在蓄能器外壳内优选地相互平行地布置。更优选地，模块串的第一组合和模块串的第二组合的选择可以被如此构型，使得模块串的相应组合被交错嵌套地（ineinanderverschachtelt）布置。也即换句话说，模块串的第一组合可以包括所有那些在考虑平行布置的情况下与所述布置的奇数序数（ordnungszahl）对应的模块串，而模块串的第二组合可以包括所有那些与所述布置的偶数序数对应的模块串。以这种方式嵌套或者咬合（verzahnen）的模块串的物理或电气分配可以例如借助模块串的相应选择的固定布线来进行。

根据本发明的方法在方法步骤中规定，与预先定义的充电策略一致地，对所述模块串的第一组合和所述模块串的第二组合执行顺序交替（sequenziellalternierend）和/或部分交替（teilalternierend）的充电。预先定义的充电策略可以例如借助包括分析单元的根据本发明的装置实现，所述装置被设立用于，在充电过程期间根据所述充电策略将模块串的第一和第二组合与作为能源的充电设备连接。模块串的相应组合与充电设备的连接可以通过如下电气开关单元来进行，所述电气开关单元可以由分析单元操并且例如可以包括用于建立相应连接的接触器和/或继电器。所述装置可以是蓄能器本身的组成部分并且可以布置在蓄能器外壳的内部或外部。分析单元可以例如构型为专用集成电路（asic）、现场可编程逻辑门电路（fpga）、处理器、数字信号处理器、微控制器、模拟电路等并且在信息技术上可以连接到存储器单元上。对于分析单元例如是微控制器其他用于执行计算机程序的技术设备的情况，充电策略可以例如以构型为计算机程序的算法的形式来实现，所述计算机程序可以通过分析单元执行。可替代地，用于执行充电策略的算法也可以是现有电池组管理系统的组成部分并由其执行。

对模块串的第一和第二组合进行顺序交替和/或部分交替的充电的过程应以如下方式理解，“顺序地（sequenziell）”代表：模块串的相应组合的充电阶段和充电中断阶段持续相继变换直至整个快速充电过程的完成。充电阶段和充电中断阶段的相应持续时间可以例如以预先定义的值的形式被存储（ablegen）在连接到分析单元上的存储器单元中并且在实施充电策略的过程中通过在分析单元上执行的计算机程序被读出和被处理。充电阶段的持续时间可以例如在20s至500s的范围内和尤其是在30s至400s的范围内变动（bewegen），但并不限于该示例性范围说明。根据下面描述的边界条件和/或充电策略，充电持续时间也可以向下和/或向上超出示例性说明的范围。另外，可以在充电阶段过程中适配充电阶段的持续时间。充电中断阶段的持续时间可以例如在120s至180s的范围内变动，但是同样不限于该示例性范围说明。根据下面描述的边界条件和/或充电策略，充电持续时间也可以例如不仅向下也向上明显地超出示例性说明的范围。附加地，可以在充电过程的过程中适配充电阶段的持续时间。

概念“交替地”和“部分交替地”与上文描述的对模块串的第一组合和模块串的第二组合的交替充电的顺序充电过程相关联。换句话说，可以这样选择模块串的第一和第二组合的反复的充电阶段的开始时间点，使得相应的充电阶段没有或仅部分地重合（überschneiden）。也就是说，例如在模块串的第一组合处于当前充电阶段中的期间，模块串的第二组合可以优选地处于充电中断阶段中。这并不排除：根据充电策略可以有意义的是，对模块串的所述两个组合同时充电一定时间段或者超出整个充电过程地部分重叠地对它们充电。当蓄能器的温度在充电过程开始时处于低于所需的运行温度范围时（例如，在平均温度电池组的情况下低于大约50℃），那么同时充电尤其可以是有利的。在这种情况下可以有意义的是，对模块串的所述两个组合同时充电一定时间段直至蓄能器通过由于充电过程产生的放热（wärmeentwicklung）而整体上（gesamthaft）处于所需的运行温度范围内。在相反的情况下，其中模块串的所述两个组合的温度在快速充电过程开始时处于上限范围内或高于其允许的运行温度，也可以是有利的是，充电策略在此情况下在实施模块串的所述两个组合的相应第一充电阶段之前首先规定共同的充电中断阶段。在这样的初始充电中断阶段中，模块串的所述两个组合因此首先可以冷却至适合于快速充电过程的温度。相应地，能够设想对于充电策略来说许多的其他鉴于模块串的相应组合的充电阶段和充电中断阶段的顺序方面的变型方案，以便实现根据本发明的任务和优点。

交替地和/或部分交替地充电的目的是，避免充电过程期间过高的放热，如其通常与蓄能器快速充电过程相关联地出现的那样。通过借助根据本发明的方法始终使蓄能器的多个模块串的仅一部分同时充电，而所述多个模块串的其他部分则处于充电中断阶段中，为了遵守蓄能器的运行温度范围必须向外排出的、通过充电过程产生的热能相应更少。基于此原因，可以通过根据本发明的方法在充电过程期间省去或至少明显地减少对蓄能器的（主动）冷却，这尤其由于不需要的冷却或仅小程度需要的冷却可以导致节约成本。根据本发明的方法的另一个优点与顺序交替和/或部分交替的充电相关联地是由于：用于防止蓄能器中的过高放热的相应的充电中断阶段可同时作为松弛阶段被利用用于模块串的相应组合。通过以这种方式确保的、规律的模块串的松弛可能性防止：在充电过程结束时发生松弛引起的蓄能器的电压降（spannungseinbruch），而同时基于反复的松弛阶段可以引入较高的能量到蓄能器中。

从属权利要求展示本发明的优选的扩展方案。

在本发明的另一有利的构型方案中，根据本发明的方法还包括以下步骤：确定模块串的第一组合的第一状态信息和确定模块串的第二组合的第二状态信息。第一和第二状态信息可以包括例如温度、充电状态、电压、健康状态等并且可以借助现有技术中已知的用于电池组模块的传感机构（sensorik）被检测。传感机构可以通过根据本发明的分析单元的数据输入端与分析单元在信息技术上连接，使得通过传感机构提供的信号可以由分析单元接收，其中所述信号代表模块串的状态信息。根据所述状态信息，分析单元可以在充电过程期间适配和/或在充电过程开始前初始地选择由其实施的充电策略。例如由于蓄能器过高的周围环境温度而可能需要在充电过程期间适配充电策略，因为在这种情况下，通过充电过程产生的热能必要时不能以足够的程度放出到周围环境。鉴于充电策略方面，分析单元可以响应于其来例如在模块串的相应组合的充电过程期间促使充电中断阶段的延长。

此外，用于模块串的第一组合和模块串的第二组合的充电电流是恒定的，或者根据预先定义的充电策略来被适配。当电池组在充电开始时由于自加热和/或高的周围环境温度而过热时，那么在充电过程的过程中对充电电流进行适配可以例如是有利的，以便直接利用适合于快速充电过程的、最大电流进行充电。在这样的情况下，充电策略可以例如被如下适配，充电过程首先以较小的充电电流开始，并且响应于基于所述较小的充电电流、结合适合的充电中断阶段的蓄能器的接下来的冷却而在充电过程期间提升（anheben）。充电电流的适配也可以根据另外的状态信息执行并且不限于温度依赖性。

另外，替代于上文描述的固定布线，对于模块串的第一组合和模块串的第二组合，模块串可以可变地借助于可控电气开关矩阵来被确定。所述开关矩阵可以像上文所述的开关单元一样在信息技术上连接到分析单元的数据输入端上。开关矩阵优选地被如此设立，使得通过分析单元借助开关单元的操控可以在开关矩阵内接线模块串的任意组合。就此而论可以有利的是，不仅模块串的不同组合的数量而且对于模块串的相应组合来对相应模块串的选择根据充电策略和/或由分析单元所接收的相应模块串的状态信息来执行。这个过程可以优选地在充电过程开始之前实施，以便可以考虑例如在蓄能器中在充电开始时存在的不均匀的温度分布。

附加地，可以根据松弛阶段和/或根据模块串的相应组合的当前温度来选择用于模块串的第一组合的和用于模块串的第二组合的充电阶段的持续时间和/或充电中断阶段的持续时间。

在本发明的另一有利的构型方案中，模块串的第一组合和模块串的第二组合在充电过程的结束阶段中在结束阶段的预先定义的持续时间期间同时被充电。以这种方式，确保模块串的第一和第二组合在快速充电过程结束之前具有相同的充电状态，使得它们可以针对在充电过程后面的能量接收阶段基于其相同的充电状态而毫无问题地联接（zusammenschalten）。例如可以根据蓄能器的目标充电状态确定快速充电过程的结束阶段的开始时间点，其方式为，在通过分析单元确定的当前的充电状态情况下开始结束阶段，所述当前充电状态例如比目标充电状态低5%。

根据本发明的第二个方面建议一种用于对电驱动的运输工具的电蓄能器执行快速充电过程的装置，所述装置可以包括分析单元。分析单元可以例如构型为asic、fpga、处理器、数字信号处理器、微控制器、模拟电路等并且在信息技术上可以连接到存储器单元上。此外，分析单元与数据输出端相结合地被设立用于，与预先定义的充电策略一致地对电蓄能器的模块串的能同时充电的第一组合和模块串的能同时充电的第二组合执行顺序交替和/或部分交替的充电。例如，可以如此进行，使得分析单元借助在信息技术上到开关单元上的连接根据充电策略操控开关单元。开关单元再次被设立用于，借助于电开关,例如继电器和/或接触器与充电策略一致地将输送给开关单元的输入端的电能放出给连接到该开关单元上的、模块串的第一组合和模块串的第二组合，用于执行充电过程。

在根据本发明的装置的另一有利构型方案中，分析单元附加地可以具有数据输入端，所述数据输入端在信息技术上与传感机构连接，所述传感机构可以检测模块串的第一和第二组合的状态信息。这种状态信息可以包括例如模块串的相应组合的温度、充电状态、电压和健康状态。在所述状态信息的基础上，由分析单元执行的计算机程序可以实现用于选择和/或适配充电策略的相应逻辑。

此外建议一种蓄能器，所述蓄能器包括根据本发明的装置。另外，蓄能器包括外壳、传感机构、模块串的第一组合、模块串的第二组合和用于接收或发出电能的第一外端子，其中所述装置被设立用于，在充电过程期间与充电策略一致地将第一外端子与模块串的第一组合和模块串的第二组合顺序交替地和/或部分交替地连接。为了在充电过程的过程中接收电能，例如充电设备可以通过相应的充电线缆连接到第一外端子上，以便提供电能。

另外建议一种充电设备，所述充电设备包括根据本发明的装置。此外，充电设备包括外壳、电能源、第三外端子和第四外端子，其中所述第三外端子被设立用于，通过蓄能器的用于接收或发出电能的第一外端子与模块串的第一组合相连接，并且其中所述第四外端子被设立用于，通过蓄能器的用于接收或发出电能的第二外端子与模块串的第二组合相连接，其中所述装置被设立用于，与充电策略一致地通过第三外端子和第四外端子将所述电能源与所述能同时充电的模块串的第一组合和所述能同时充电的模块串的第二组合顺序交替地和/或部分交替地连接。

附图说明

以下参照附图详细描述本发明的实施例。在此，其中：

图1示出流程图，所述流程图图解根据本发明的方法的实施例的步骤；

图2示出关于电蓄能器的模块串的第一组合和模块串的第二组合的示意性总览图；

图3示出关于结合蓄能器的根据本发明的装置的组件的示意性总览图；

图4示出关于结合充电设备的根据本发明的装置的组件的示意性总览图；

图5a示出顺序交替和/或部分交替的充电策略的第一示例；

图5b示出顺序交替和/或部分交替的充电策略的第二示例；和

图5c示出顺序交替和/或部分交替的充电策略的第三示例。

具体实施方式

图1示出流程图，所述流程图图解根据本发明的用于对电驱动的运输工具的电蓄能器40执行快速充电过程的方法的实施例的步骤，其中蓄能器40包括：外壳41；能同时充电的模块串30的第一组合42；与模块串30的第一组合42不相交的、能同时充电的模块串30的第二组合44；用于接收（entgegennahme）电能的第一外端子46；用于检测相应模块串30的状态信息的传感机构50；开关单元60和用于执行快速充电过程的装置。该装置包括：分析单元10、数据输入端12和数据输出端14。基于微控制器的分析单元10被设立用于，借助由微控制器执行的计算机程序实施充电策略并且通过数据输出端14根据充电策略来操控开关单元60。此外，分析单元10借助数据输入端12在信息技术上与传感机构50相连接。在根据本发明的方法的第一步骤100中，借助传感机构50确定模块串30的第一组合42的状态信息，其方式为，分析单元10通过数据输入端12分析从传感机构50接收的信号。以这种方式，分析单元10尤其确定关于模块串30的第一组合42的当前温度、当前充电状态、当前电压和当前健康状态的状态信息。所确定的状态信息被存储在连接到分析单元10上的存储器单元20中。在根据本发明的方法的第二步骤200中，类似于在第一步骤100中的行为方式（vorgehensweise）地确定并且在存储器单元20中存储模块串30的第二组合44的状态信息。在第三步骤300中，根据第一状态信息和第二状态信息来适配由分析单元10实施的充电策略。为此目的，在存储器单元20中存储预先定义的参数组（parametersätze），所述参数组分别表示用于实施多个预先定义的充电策略的预先定义的值。由分析单元10执行的计算机程序被设立用于，根据第一和第二状态信息从存储器单元20读出对于当前所希望的充电策略适合的参数组并且将其使用用于充电策略。在第四步骤400中，分析单元10根据当前充电策略通过数据输出端14操控开关单元60。开关单元60被设立用于，通过第一外端子46接收电能，并且根据由分析单元10接收的控制信号按照充电策略将所述电能发出给模块串30的第一组合42和模块串30的第二组合44。以这种方式，通过分析单元10对模块串30的第一组合42和模块串30的第二组合44顺序交替地和/或部分地交替地充电。

图2示出关于电蓄能器40的模块串30的第一组合42和模块串30的第二组合44的示意性概览图。模块串30分别由多个串联接线的模块32组成并且在蓄能器40内相互平行布置。借助固定的布线,对于模块串30的第一组合42分别使如下那些模块串30以并联电路的形式相互电连接：所述模块串鉴于模块串30的平行布置方面相应于奇数序数。同样地，借助固定的布线，对于模块串30的第二组合44分别使如下那些模块串30以并联电路的形式相互电连接：所述模块串鉴于模块串30的平行布置方面相应于偶数序数。以这种方式实现：模块串30的第一组合42和模块串30的第二组合44分别以交错嵌套的方式来布置。

图3示出关于结合蓄能器40的根据本发明的装置的组件的示意性概览图。蓄能器40在外壳41内包括能同时充电的模块串30的第一组合42和能同时充电的模块串30的第二组合44，其中第一组合42和第二组合44分别借助于相应模块串30的固定布线来实现。此外蓄能器40具有根据本发明的分析单元10，所述分析单元基于微控制器被实现。分析单元10被连接到存储器单元20上并且还具有数据输入端12和数据输出端14。借助数据输入端12，分析单元10与蓄能器40的传感机构50在信息技术上连接。分析单元10从传感机构接收传感器信号，所述传感器信号分别包括关于模块串30的第一组合42和模块串30的第二组合44的温度、充电状态、电压和健康状态的状态信息。通过数据输出端40，分析单元10与蓄能器40的开关单元60在信息技术上连接并且被设立用于，与充电策略一致地操控开关单元60。开关单元60被设立用于，通过在蓄能器40的外壳41上布置的第一外端子46经由开关单元60的输入端接收用于给模块串30的第一组合42和模块串30的第二组合44充电的电能。通过充电设备70提供电能，所述充电设备具有第三外端子72，所述第三外端子为了传输电能来与蓄能器40的第一外端子46连接。此外，开关单元60具有（未示出的）多个开关接触器（schaltschütze），所述开关接触器被设立用于，根据通过分析单元10对开关单元60的当前操控或对其中所包含的开关接触器的操控来有选择地将借助开关单元的输入端所接收的电能发出给与开关单元的输出端连接的、模块串30的第一组合42和所述模块串30的第二组合44。以这种方式，可以与充电策略一致地顺序交替地和/或部分地交替地对模块串30的第一组合42和所述模块串30的第二组合44充电。

图4示出关于结合充电设备70的根据本发明的装置的组件的示意性概览图，充电设备70布置在外壳71中。因为所使用的组件主要与图3的组件一致，为了避免冗余的描述而在下文中仅描述鉴于组件布置的方面的区别以及与图3不同的组件。在其他情况下，在图3中描述的相应组件的功能性和特性也在图4的上下文中适用。图3中的实施方式与图4中的实施方式的主要区别在于，包括用于实施充电策略的分析单元10的、根据本发明的装置不是蓄能器40本身的组成部分而是充电设备70的组成部分。这也适用于开关单元60，所述开关单元在充电设备70内被连接到电能源76上，以便通过开关单元60的输入端接收由能源76发出的电能。开关单元60的输出端在本实施方式中与布置在充电设备70的外壳71上的第三外端子72和第四外端子74连接。

蓄能器40在本实施方式中仅包括模块串30的第一组合42和模块串30的第二组合44，以及第一外端子46和第二外端子48，所述及第一外端子和第二外端子分别与模块串30的组合42，44连接。第一外端子46和第二外端子48分别利用电线路（例如充电线缆）与第三外端子72和第四外端子74连接。以这种方式，模块串30的组合42,44可以与充电策略一致地接收由分析单元10和开关单元60有选择地可切换的、来自能源76的电能。另一个与图3中的实施方式的区别是，传感机构50连接到分析单元10的数据输入端12上。因为此时分析单元10是充电设备70的组成部分，所述充电设备70具有第二传感器端子54，所述第二传感器端子被布置在充电设备70的外壳71上。此外，蓄能器40具有第一传感器端子52，所述第一传感器端子被布置在蓄能器40的外壳71内。借助电线路（例如充电线缆）连接第一传感器端子52和第二传感器端子54，使得传感机构50的传感器信号可以从蓄能器40传输给充电设备70中的根据本发明的分析单元10。

图5a示出顺序交替和/或部分交替的充电策略的第一示例。可以看出，通过根据本发明的分析单元10控制的、用于模块串30的第一组合42的充电过程86和用于模块串30的第二组合44的充电过程88首先规定（vorsehen）沿着时间轴t的模块串30的两个组合42，44的同时充电阶段82（深色示出的区域），以便例如通过充电阶段82如此程度地预热（aufwärmen）模块串30的两个组合42，44，使得它们处于所希望的运行温度范围内。接下来，首先对于模块串30的第一组合42接着的是充电中断阶段84（浅色示出的区域），使得模块串30的第一组合42的温度在充电中断阶段84期间可以下降并且在相应模块串30中可以同时发生松弛。接着，模块串30的第一组合42的充电阶段82再次发生，此时分析单元10在此时间段内针对模块串30的第二组合44引起充电中断84。此后顺序地继续进行此处示例性示出的交替充电，直至达到整个快速充电过程的预先定义的结束阶段。从达到预先定义的结束阶段时起，模块串30的两个组合42，44被共同充电直至快速充电过程的最终完成。

图5b示出顺序交替和/或部分交替的充电策略的第二示例，所述第二示例与图5a中的示例区别如下，用于模块串30的第一组合42的充电过程86和用于模块串30的第二组合44的充电过程88首先规定一个较长的同时的充电阶段82，并且模块串30的第一组合42的充电中断与模块串30的第二组合44的充电中断并不直接相互接连。

图5c示出顺序交替和/或部分交替的充电策略的第三示例，所述第三示例与图5a和5b的区别如下，用于模块串30的第一组合42的充电过程86首先规定充电阶段82并且用于第二组合44的充电过程88首先规定充电中断阶段84。随后接着的是在模块串的两个组合42，44之间的充电阶段82和充电中断阶段84的顺序交替的变换。在快速充电过程的结束阶段的预先定义的时间点对模块串的两个组合42，44再次同时充电。