DE102008059392A1

DE102008059392A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ladung von Akkus

Info

Publication number: DE102008059392A1
Application number: DE200810059392
Authority: DE
Inventors: Stephan Rudolph
Original assignee: Eoil Automotive & Technologies; Eoil Automotive & Technologies GmbH
Current assignee: Eoil Automotive & Technologies; Eoil Automotive & Technologies GmbH
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2010-06-02
Also published as: WO2010060400A2; WO2010060400A3

Abstract

g von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen bestehen, wird jede Einzelzellenanordnung der Serienschaltung durch ein eigenes, von anderen Ladegeräten galvanisch getrenntes Ladegerät geladen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladung von Akkus, die aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen bestehen, nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.
Das Lade-/Entladeverhalten einzelner Zellen von Akkus gleichen Typs und gleicher Bauart kann innerhalb festgelegter Toleranzgrenzen unterschiedlich sein. Akkus mit hoher Nennspannung bestehen aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen, die jeweils nur Nennspannungen im einstelligen Volt-Bereich aufweisen.
Bei hoher Stromentnahme ist ein häufiges Laden nötig. Durch das unterschiedliche Lade-/Entladeverhalten der Einzelzellen kann es nach mehreren Lade-/Entladezyklen zu unterschiedlichen Ladezuständen kommen, die besonders in den Endzuständen, wie voll geladen oder vollständig entladen, durch Überladung bzw. Tiefentladung zu Schädigungen der Einzelzellen führen können. Zur Vermeidung solch unterschiedlicher Ladezustände müssten alle Einzelzellen des Akkus konsequent überwacht und rechtzeitig vor Erreichen der genannten Endzustände abgeschaltet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladung von Akkus, die aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen bestehen, zu schaffen, die eine Überwachung von Einzelzellenanordnungen vereinfacht und eine Überladung verhindert.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch Merkmale dieses Anspruchs und bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4 durch die Merkmale jenes Anspruchs gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren ist im Gegensatz zu einer Ladung der vollständigen Serienschaltung aus Einzelzellenanordnungen mit der Summenspannung keine vom Ladevorgang getrennte Balancierung erforderlich. Vielmehr wird jede Einzelzellenanordnung individuell geladen. Dadurch lassen sich beim Ladevorgang Unterschiede der Einzelzellenanordnungen berücksichtigen und eine Schädigung vermeiden. Außerdem können Ladegeräte eingesetzt werden, deren Leistung lediglich für die zugeordnete Einzelzellenanordnung bemessen ist.
Die Einzelzellenanordnungen können auf ihre jeweilige Nennspannung oder bis 80% ihrer maximalen Kapazität geladen werden.
Dadurch lässt sich eine Überladung einzelner Zellen vermeiden und ein Kapazitätsverlust während Zellenlebensdauer verringern. Bei kurzen Ladezyklen treten nur geringe Unterschiede der Ladungszustände von in Serie zusammengeschalteten Einzelzellenanordnungen auf, wodurch zur Vermeidung einer Tiefentladung eine Überwachung von Untergruppen aus mehreren in Serie zusammengeschalteten Einzelzellenanordnungen ausreicht.
Die Einzelzellenanordnungen können wenigstens teilweise zeitversetzt geladen werden.
Dadurch kann die Leistungsentnahme zur Ladung an die verfügbare Leistungsabgabe einer Versorgungsquelle, z. B. Haushaltsstromanschluss, Wind- oder Solargenerator angepasst werden.
Die Ladegeräte können Schaltnetzteile umfassen.
Dadurch werden elektrische Verluste der Ladegeräte minimiert.
Vorzugsweise sind die Schaltnetzteil-Ladegeräte marktübliche Massenware mit einer Leistung im 100 Watt-Bereich.
Derartige Ladegeräte sind kostengünstig und bereits zur Minimierung elektrischer Verluste entwickelt und ausgereift.
Nachfolgend wir die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
In der Zeichnung sind ein Akku 10 aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N sowie Ladegeräte L₁ ... L_N und eine Steuerschaltung 12 dargestellt. Die Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N bestehen aus jeweils einer Mehrzahl parallel geschalteter Einzelzellen 14 auf Lithium-Ionen-Basis. Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte und eine geringe Selbstentladung aus und haben keinen Memory-Effekt. Der Kapazitätsverlust während der Betriebszeit hängt vom Alter, der Betriebs- und Umgebungstemperatur und vom Ladezustand ab. Um den Kapazitätsverlust gering zu halten, ist ein Ladezustand zwischen 40% und 80% der Maximalladung anzustreben, der durch kurze Ladezyklen erreicht werden kann.
Die Nennspannung der Einzelzellen 14 hängt vom Katodenmaterial ab und liegt zwischen 3,3 und 3,8 Volt, bei konventionellen Lithium-Ionen-Akkus bei 3,6 Volt. Durch Parallelschalten von handelsüblichen Einzelzellen 14 mit einer Kapazität von je 2 Ah zu Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N und einer Serienschaltung derartiger Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N kann ein Akku für die benötigte Summenspannung N·U_Z, Leistung und Kapazität eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug ausgelegt werden.
Zum Laden des Akkus 10 ist jede Einzelzellenanordnung Z₁ ... Z_N mit einem eigenen, von anderen Ladegeräten galvanisch getrennten Ladegerät L₁ ... L_N verbunden. Die Ladegeräte L₁ ... L_N umfassen Schaltnetzteile, deren Leistung für die Ladeleistung der Einzelzellenanordnung Z₁ ... Z_N bemessen ist. Die Schaltnetzteile sind primärseitig an eine Versorgungsquelle 16, z. B. Haushaltsstromanschluss, Wind- oder Solargenerator angeschlossen. Die Ladegeräte L₁ ... L_N ihrerseits werden über Steuerleitungen S₁ ... S_N von der Steuerschaltung 12 gesteuert.
Im Ladebetrieb werden je nach verfügbarer Anschlussleistung der Versorgungsquelle 16 die Ladegeräte L₁ ... L_N zeitlich versetzt oder gleichzeitig aktiviert. Steht für eine hohe Ladeleistung kein Drei-Phasen-Kraftstromanschluss zur Verfügung, können alternativ auch zwei oder weitere getrennt abgesicherte Ein-Phasen-Haushaltssteckdosen mit 230 V Spannung genutzt werden, an die getrennte Ladekabel mit gesonderten Ladegeräten angeschlossen werden. Bei drei 16 A Absicherungen könnte dann maximal ca. 10 kW Ladeleistung genutzt werden.
Die Steuerschaltung 12 überwacht den Ladezustand der Einzelzellenanordnung Z₁ ... Z_N und beendet die Ladung regulär, so bald die Nennspannung der Einzellzellen 14 oder 80% der Maximalladung erreicht sind. Für den Fall, dass im Anschluss an den Ladevorgang der Akku 10 im Betrieb gleich wieder entladen wird, können die Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N aber auch bis zu ihrer Ladeschlussspannung von ca. 4,2 V geladen werden.
Im Entladebetrieb überwacht die Steuerschaltung 12 den Ladezustand der Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N und unterbricht regulär die Entladung, sobald der Ladzustand der Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N 40% der Maximalladung erreicht. Für den Fall, dass im Anschluss an den Entladevorgang der Akku 10 gleich wieder geladen wird, können die Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N aber auch bis zu ihrer Entladeschlussspannung von ca. 2,5 V entladen werden.

Claims

Verfahren zur Ladung von Akkus, die aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelzellenanordnung der Serienschaltung durch ein eigenes, von anderen Ladegeräten galvanisch getrenntes Ladegerät geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellenanordnungen auf ihre jeweilige Nennspannung oder bis 80% ihrer maximalen Kapazität geladen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellenanordnungen wenigstens teilweise zeitversetzt geladen werden.
Vorrichtung zur Ladung von Akkus, die aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelzellenanordnung der Serienschaltung mit einem eigenen, von anderen Ladegeräten galvanisch getrennten Ladegerät verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Ladespannung der Ladegeräte gleich der jeweilige Nennspannung der Einzelzellenanordnungen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladegeräte mit einer Zeitsteuerschaltung gekoppelt sind, mittels der Lagevorgänge wenigstens teilweise zeitversetzt gesteuert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladegeräte Schaltnetzteile umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltnetzteil-Ladegeräte marktübliche Massenware mit einer Leistung im 100 Watt-Bereich sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladegeräte gruppenweise an mehrere getrennt abgesicherte Ein-Phasen-Haushaltssteckdosen mit 230 V Spannung angeschlossen sind.