通过将使用过的电动车辆电池组重新用作电池充电器的电源来赋予其第二次生命的方法与流程

1.本发明涉及一种方法，该方法包括通过将使用过的电动车辆电池组重新用作电池充电器的电源来赋予它们第二次生命。
2.本发明适用于工业建筑机械或建筑设备领域的工程机械，特别是挖掘机。尽管将针对挖掘机来描述本发明，但本发明不限于这种特定机械，而是还可用在其它工程机械中，例如铰接式运输车、轮式装载机和反铲装载机。
3.此外，可以设想将本发明的方法应用于其它类型的车辆，例如卡车或公共汽车。


背景技术：

4.在汽车行业，众所周知，插电式混合动力系统和全电动车辆包括一个或多个可充电电池组。
5.一般来说，在电池的寿命期间，由于不可逆的物理和化学变化，其性能或健康状态(soh)有逐渐恶化的趋势。这种情况会随着使用和老化现象而发生，直到电池无法再使用或耗尽为止。健康状态对于电池性能评估和寿命预测是必要和重要的。可靠的健康状态评估对于帮助电池在安全和合适的条件下工作至关重要。
6.soh是电池寿命周期中已达到的水平的指示，并且是其状态与新电池相比的量度。因此，电池soh的目的是提供电池性能的指示，换言之，是已消耗的电池的使用寿命以及在必须更换该电池之前剩余的电量。
7.电池组的soh以百分比来衡量，新电池一般为100％。当电池的soh下降到低于特定阈值(例如50％)时，则不再认为该电池组与其预期的原始用途相兼容。然后，通常用新电池组替换旧电池组。
8.车辆电气化的趋势也影响着建筑设备。这甚至在一些招标中变得势在必行，特别是在欧洲的非常致力于生态的北欧国家。而且，电动建筑设备因其低噪音水平而受到高度赞赏，这使得它们特别适用于小型建筑工地，例如家庭花园(景观工程)。
9.通常，旧的(或有缺陷的)电池组进入回收过程，在该回收过程中，它们被拆解以分离并处理不同的子部件。典型地，电池组可以包括一个或多个电池模块并且一个电池模块包括多个电池单体。想法是在可重新使用的电池单体与不可重新使用的电池单体之间进行分类。然后，重新排列这些可重新使用的电池单体以构建新的电池组，该新的电池组又可重新用作电动车辆或混合动力车辆的电源。
10.不幸的是，这种拆解和重建过程非常昂贵，并且所重建的电池组不能提供与全新电池组(即，不是由以前的电池组重建)相同的性能。
11.因此，对于已从电动车辆或混合动力车辆上移除的使用过的动力电池组的回收过程，似乎仍存在改进空间。


技术实现要素：

12.本发明的一个目的是提出一种较便宜且较不乏味的方式来利用已从车辆上移除的旧电池组(即，不再与它们最初被预期的用途相兼容的电池组)。
13.该目的通过根据权利要求1的方法来实现。
14.本发明的构思是通过将电动车辆的所述电池组用在电池充电器中来赋予它们第二次生命。事实上，我们知道，电动车辆的电池组根据定义需要重新充电才能工作。随着时间的推移，它们会经历多次充电和放电循环。
15.然而，在建筑工地上，没有为电动建筑设备重新充电的充电站。通常，在工作日前一晚上对建筑车辆重新充电。然而，如果该建筑设备被密集使用，则可能会出现其电池组无法坚持一整天的情况。
16.一种解决方案是通过适配器装置使用电网为电池组重新充电。然而，这有时是不可能的(例如，因为附近没有连接点)。在这种情况下，通常使用发电机，但这是没有意义的，因为最初的目的是不使用化石能源。
17.与安装在混合动力(可充电)车辆或电动车辆中的电池组相比，包含在自主充电器中的电池组受扭矩峰值的影响较小，因此受到所需强度的影响较小，因为安装在混合动力(可充电)车辆或电动车辆中的电池组会受到加速和减速循环(动态应用)的影响。相反，在独立充电器内使用的电池组总是提供基本相同的电流强度，所以它们的需求量(much less solicited)要小得多(静态应用)。因此，我们可以负担得起使用容量较低的电池，就像那些不再与动态应用兼容但与静态应用兼容的电池一样。为此，“旧的”混合动力或电动车辆电池组是理想的。
18.换句话说，即使电池组的soh对于给定的应用来说不够高，但它对于另一个应用来说可能又足够高。典型地，当车载电池组的soh下降到低于给定的阈值soh值时，需要更换该电池组。然而，已移除的电池组(旧电池组)的soh水平仍足以将该电池组用作电池充电器中的电源。
19.由于所要求保护的方法，电池组被制备成使得它们在被集成到充电器中之前具有相同的荷电状态。此外，已移除的电池组可以用作电池充电器的电源，也就是说，不必拆解每个电池组以将可重新使用的电池单体与不可重新使用的电池单体分开。这显然不那么乏味了。
20.权利要求2至12限定了该方法的其它方面，这些方面是有利的，但不是强制性的。
21.本发明还涉及根据权利要求13所述的自主电池充电器。
22.权利要求14限定了充电器的另一方面，该另一方面是有利的，但不是强制性的。
附图说明
23.参考附图，下面是作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。
24.在这些图中：
[0025]-图1表示了建筑设备车辆；
[0026]-图2表示了将电池组连接到车辆的电动机的电路；并且
[0027]-图3表示了一个系统，该系统包括一个建筑设备车辆、一个便携式电池充电器和数个电池组。
具体实施方式
[0028]
图1示出了电动建筑设备车辆(在下文中称为车辆1)。在本示例中，车辆1是机械铲车。它包括数个可移动构件，特别是：
[0029]-工具2，该工具2被构造成在工地上作业，
[0030]-斗杆4，该斗杆4被构造成移动所述工具2，
[0031]-动臂6，该动臂6被构造成移动所述斗杆4，
[0032]-回转构件8(主体)，该回转构件8被构造成使动臂6回转，
[0033]-偏移构件7，以及
[0034]-驱动构件10，该驱动构件10能够使回转构件8相对于地面移位。
[0035]
每个可移动构件2、4、6、8、10被构造成承载并移动车辆1的相应部分。当车辆1处于使用中时，斗杆4移动工具2，动臂6移动斗杆4，回转构件8移动动臂6，并且驱动构件10移动所述回转构件8。
[0036]
工具2和斗杆4可以通过铰接件(例如铰链)连接，这至少能够使工具2相对于斗杆4旋转。斗杆4和动臂6可以通过铰接件(例如铰链)连接，这至少能够使斗杆4相对于动臂6旋转。动臂6和回转构件8可以通过铰接件(例如铰链)连接，这至少能够使动臂6相对于回转构件8旋转。
[0037]
回转构件8被构造成：当车辆1位于水平表面上时，使动臂6围绕基本竖直的回转轴线回转。
[0038]
回转构件8包括旋转平台，该旋转平台设有用于容纳操作员的驾驶室20。驾驶室20被构造成容纳操作员和指令设备(未示出)，操作员可以通过这些指令设备来控制车辆。所述指令设备例如可以包括与控制单元(未示出)远程连接的操纵杆(或手柄)，以控制每个可移动构件2、4、6、8、10。
[0039]
优选地，驱动构件10包括用于驱动车辆1的两个履带。作为履带的替代或补充，驱动构件10包括车轮。
[0040]
有利地，车辆1包括用于每个可移动构件2、4、6、8、10的运动传感器单元。此外，车辆1包括电致动器21、41、61，每一个电致动器21、41、61包括至少一个电动机211、411、611。
[0041]
电动机211、411、611由一组可充电电池组供电，该一组可充电电池组至少包括第一可充电电池组11和第二可充电电池组12(见图3)。
[0042]
可充电电池组11、12优选安装在该车辆的回转构件8上，在驾驶室20的后方或下方。
[0043]
电池组11、12显然是可移除的。例如，电池组11、12被安装到机架(未示出)中，使得电池组11、12跟随滑动运动而接合到所述机架中。有利地，可充电电池组11、12在它们被完全接合到机架中时自动地与相应的电连接器连接或插接。
[0044]
如图2上所示，电连接器115、125经由电力控制单元103在可充电电池组11、12和电动机211、411、611之间建立电力连接。电力控制单元103包括电动机逆变器并且可包括专用电动机控制器。替代地，每个电动机控制器可以与每个电动机211、411、611形成子组件。
[0045]
为了重新充电的目的，可充电电池组11、12可以连接到充电器单元108，该充电器单元108可以连接到dc电力电池充电器30或ac电源。可充电电池组11、12与电池管理系统100(以下称为“bms”)连接，以尤其控制可充电电池组11、12的充电和放电循环。
[0046]
优选地，可充电电池组11、12经由dc/xx转换器107连接到充电器接口108，其中xx是dc入口(充电器)或ac入口(电网)。
[0047]
通常，bms 100经由例如嵌入在每个可充电电池组11、12中的专用监测单元101、102来监测每个可充电电池组11、12的参数。bms 100能够将电池信息传送到hmi单元105。例如，bms 100能够将表示每个可充电电池组11、12的荷电状态(soc)和健康状态(soh)的信息传送到hmi单元105，hmi单元105进而能够在车辆1的驾驶室20内的显示屏(hmi)106上显示相关的电池信息。
[0048]
例如，可以在完全充电之后确定每个可充电电池组11、12的soh。事实上，当电池组被以恒定充电电压充电时，充电电流在充电阶段期间逐渐减小，遵循特定的充电曲线，并且可以推导出soc和充电电流之间的关系。可以使用此关系在充电阶段结束时推导出soc。
[0049]
然后，可以将完全充电后的电池组的实际soc与新的相同电池组(即，尚未在放电阶段期间放过电的电池组，以下称为“新电池组”)的soc进行比较。“旧的”可充电电池组的soh可以是实际可充电电池组的soc与新电池组的初始soc之间的比率。例如，如果实际可充电电池组的soc对应于(新电池组的)初始soc的80％，则当前电池组的soh被确定为等于80％。
[0050]
知道了实际可充电电池组的soc，就可以在车辆的运行期间和可充电电池组的放电期间通过库仑法确定可充电电池的剩余容量。
[0051]
其它方法(采用例如扩展卡尔曼滤波器)适合于确定锂离子电池组的初始soc、soh和实际soc。
[0052]
为了确定电池soh，bms监测可能随着老化而显著变化的物理参数。soh指示(soh indication)与新电池的条件有关，bms记录初始条件或标准参数。对电池的充电/放电循环进行计数是一种用作度量电池使用情况的方法，但以下参数(单个或组合参数)可用于推导出soh的任意值：
[0053]-内阻/阻抗/电导
[0054]-容量
[0055]-电压
[0056]-自放电
[0057]-接受充电的能力
[0058]-充放电循环的次数。
[0059]
电池单体阻抗或电导用作提供电池单体的soh指示的基础。这些参数的变化会影响电池性能，例如额定容量的损失或运行期间温升(temperature rise)的增加。
[0060]
现在关注荷电状态，最新的荷电状态被确定，以知道与电池充满时它所具有的能量相比该电池中还剩余多少能量。这向操作员提供电池在需要被重新充电之前还能继续工作多久的指示。它是衡量电池的短期容量的量度。我们可以将其比作轿车燃料箱。
[0061]
使用若干种方法来确定soc，这可以基于“基于电压的soc估计”。这使用电池单体的电压作为计算soc或剩余容量的基础。
[0062]
另一种可以使用的方法是“基于电流的soc估计”或“库仑计数”。所包含的能量是以库仑为单位测量的，并且等于传递电荷的电流随时间的积分。电池单体中的剩余容量可以通过测量进入或离开这些电池单体的电流并对其随时间进行积分来计算。这是在电池放
电和充电期间完成的。
[0063]
我们可以注意到，soc基准必须是新电池的额定容量。这是因为电池单体的容量会随着电池单体老化而逐渐降低。在电池单体的寿命即将结束时，其实际容量将仅接近其额定容量的80％，在这种情况下，即使电池被充满电，其soc也仅为其额定容量的80％。温度和放电率的影响会进一步降低有效容量。
[0064]
有利地，每个监测单元101、102包括至少一个电流传感器(用于测量强度)并且还包括至少一个温度传感器。bms 100优选布置在车辆上。
[0065]
在本示例中，每个可充电电池组11、12包括数个电池模块，分别是111、112、113和121、122、123。在本示例中，这些电池模块均具有相同的标称电压，对于这种类型的应用，电池模块的标称电压为48v。此外，这些电池模块并联连接，从而，可以为电池组提供的功率(准确地说，强度)取决于该电池组包含的模块数量。
[0066]
通常，1吨的铲子不需要与10吨的铲子相同的功率。因此，这种并联堆叠的模块形式的电池组构造允许根据所需的应用容易地调整电池功率。因此，各种各样的建筑车辆都可以使用相同的电池架构。
[0067]
有利地，每个电池模块111、112、113(和121、122、123)包括数个电池单体(未示出)，在本示例中，每个电池单体具有2.3v的标称电压。这些电池单体按照特殊布局来连接，使得：当电池模块充满电时，电池模块的端子处的标称电压约等于48v。
[0068]
优选地，bms 100实现了平衡该车辆的车载电池组11和12之间的荷电状态(soc)的功能。此外，bms 100还可以控制由每个电池组11、12供应的电流的强度，并在必要时平衡这些电流，以确保每个电池组提供相同的功率。
[0069]
更具体地，至少取决于每个可充电电池组11、12的实际荷电状态，电池管理系统(bms)100确定可以从哪个可充电电池组11、12汲取电力以驱动电动机211、411、611。例如，当可充电电池组11、12之间存在soc差异时，优先从具有最高soc的可充电电池组汲取电力。为了平衡放电电流，bms 100可以控制在电池组11、12和电动机211、411、611之间布置在车辆1的电源电路上的电力接触器或电力开关104。每个可充电电池组11、12的实际荷电状态可以由电池管理系统间接确定，如前面所解释的那样。
[0070]
此外，每个电池组11和12有利地包括电池管理单元(bmu)，用于平衡车辆的车载电池模块(分别是111、112、113和121、122、123)之间的荷电状态。此外，该bmu还可以控制由每个电池模块111、112、113(或121、122、123)供应的电流的强度，并在必要时平衡这些电流，以确保每个电池模块111、112、113(或121、122、123)提供相同的功率。
[0071]
优选地，每个电池模块111、112、113(或121、122、123)有利地包括用于平衡电池单体之间的荷电状态的电子控制单元(ecu)。这是为了确保每个电池单体具有相同的soc。此外，该ecu还可以控制由每个电池单体供应的电流的强度，并在必要时平衡这些电流，以确保每个电池单体提供相同的功率。
[0072]
下面描述一种方法。该方法包括通过将使用过的电动车辆电池组重新用作自主电池充电器的电源(优选用作移动电池充电器的电源)来赋予所述使用过的电动车辆电池组第二次生命。
[0073]
该方法包括第一步骤a)，该第一步骤a)包括在已经从电动车辆上移除的电池组中选择至少两个电池组。在本示例中，被赋予第二次生命的电池组是48v锂离子电池组，并且
优选是已经从建筑设备车辆(铰接式运输车、轮式装载机、反铲装载机、挖掘机、铲车等)上移除的电池组。
[0074]
所涉及的车辆要么是可充电混合动力车辆(包括插电式混合动力系统)，要么是包括可充电电池组的全电动车辆。
[0075]
在本示例中，预备步骤包括：对于每辆电动车辆，确定该车辆的每个电池组的健康状态，并且，当电池组的健康状态下降到低于给定阈值thsoh时，将所述电池组从车辆上移除。每个移除的电池的soh被记录在存储器中，例如记录在寄存器中。典型地，这可以由操作员在从车辆上移除旧电池组时完成。
[0076]
所述给定的阈值soh值(thsoh)在初始soh(当电池组是新的时)的70％和90％之间，优选在初始soh的80％和90％之间。
[0077]
所确定的给定thsoh允许可充电电池组在它们寿命的第一时段(即第一次生命)期间被用在车辆中，其中它们是最强的，以便满足来自车辆1的电动机211、411、611的特定高功率需求。
[0078]
由于根据本发明这些电池组可以作为电池充电器中的能量源而具有第二次生命，增加了所移除的可充电电池组11、12的可用性，并且在可充电电池组11、12达到新电池组的健康状态的80％的健康状态之前从车辆1上移除电池组变得经济可行。此外，还变得经济可行的是：一旦电池组中的一个电池组已经达到新电池组的初始健康状态的90％的健康状态水平，就从车辆上移除当前电池组并用新电池组替换它们。通过在当前电池组11、12已经达到90％的健康状态水平时移除当前电池组11、12并用新电池组替换它们，使得车辆(尤其是建筑设备车辆)能够受益于非常高效的电池组，并从这些电池组中汲取更多电力，以便满足例如电动机需要更高功率的特定情形。
[0079]
通常，由bms执行以下步骤：确定车辆的车载电池组的soh；将soh与特定阈值进行比较；以及，当soh下降到低于所述阈值时，向驾驶员发送警报信号。通常，每个电池组的soh和soc优选被显示在装配在驾驶室20内的行车计算机上，该行车计算机包括显示屏(hmi)106。
[0080]
然而，这些步骤也可以由操作员使用手持扫描工具来完成。该手持扫描工具也可以是基于pc的车载诊断(obd)分析工具。
[0081]
根据第一实施例，步骤a)包括：选择具有相同健康状态(soh)或大致相同健康状态的电池组。当两个电池组的soh之间的差异小于10％，优选小于5％时，可以认为这两个电池组具有大致相同的soh。
[0082]
例如，所选择的电池组是已经从同一个电动车辆上移除的电池组。
[0083]
替代地，所选择的电池组可来自不同的电动车辆。在这种情况下，它们通常具有不同的soh。事实上，soh阈值(若低于该soh阈值，则某一应用会认为特定电池组不合适)也是任意的；给定的应用可能接受soh为50％及以上的电池，而更关键的应用可能只接受soh为90％及以上的电池。因此，soh阈值(低于该soh阈值则必须更换电池组)取决于所考虑的建筑设备车辆的特性。
[0084]
显然，最好选择具有相同特性、尤其是相同功率的电池组。在这方面，所选择的电池组有利地包括相同数量的模块。如果不是，则附加步骤可以包括：平衡每个所选择的电池组中包含的模块的数量，使得每个电池组最终包含相同数量的电池模块。
[0085]
该方法包括第二步骤b)，该第二步骤b)包括：平衡所选择的电池组之间的电压，以便所选择的电池组具有相同的荷电状态(soc)。例如，这可能涉及在充电最多的电池组和充电最少的电池组之间传输能量。此外，可以考虑将电池组重新充电至最大值，使得它们中的每一个的soc为100％，这就是为什么在步骤a)之后和步骤b)之前的附加步骤可以包括将所选择的电池组重新充电到它们的最大容量。
[0086]
这例如可以通过充电器接口108和dc/xx转换器107来完成。
[0087]
在第三步骤c)中，电池组11、12被集成到电池充电器30中(见图3)，这意味着赋予这些电池组第二次生命。
[0088]
典型地，电池充电器30是自主电池充电器；即，它可以在不连接到电网的情况下提供电能。它包括作为电源的至少两个电池组，根据上文所述的方法，所述至少两个电池组是被赋予了第二次生命的、使用过的电动车辆电池组。
[0089]
优选地，电池充电器30包括轮子和使电池充电器30能够被车辆(未示出)牵引的挂接系统。
[0090]
电池充电器30(见图3)被设计成对可充电电池(例如电动车辆的车载锂离子可充电电池)充电。该充电器的电池组是这样重新使用的，这意味着它们不是从已经拆解的多个不同的使用过的电池组中选择电池单体而重建的(从无法重新使用的电池单体中选择可重新使用的电池单体以重建新电池组)。
[0091]
应注意的是，剩余70％的健康状态不足以将电池组11、12在第一次生命周期(第一使用)中用作车辆中的驱动其电动机的电源，但足以在可充电电池组11、12的第二次生命周期(第二使用)中用作电池充电器30中的电能来源。
[0092]
充电器30可以包括从不同车辆上移除的另外的可充电电池组(多于两个)，前提是它们在从车辆上移除时具有与第一可充电电池组11和第二可充电电池组12大致相同的健康状态。由于本发明，从诸如建筑设备车辆的车辆1上移除的可充电电池组11、12可以容易地重新使用并且作为电池充电器中的电能来源而具有第二次生命周期。由于本发明，这种电池组的寿命得以延长。此外，构建电池充电器(其电能来源是由回收的可充电电池组形成的)变得更容易且成本更低。
[0093]
应当理解，本发明不限于上文所述和附图中示出的实施例；相反，技术人员将认识到，在所附权利要求书的范围内可以做出许多修改和变型。