DE102010061763A1 - Verfahren zum Laden einer Batterie - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Aufladen einer Batterie (10) mit mindestens einer Batteriezelle (11-1, ..., 11-n) beschrieben, bei dem ein erster Anschluss eines Ladegeräts (20) über ein Gleichrichtmittel (23) mit einem ersten Pol (27) der mindestens einen Batteriezelle (11-1, ..., 11-n) verbunden wird. Das Gleichrichtmittel (23) wird derart ausgerichtet, dass ein Ladestrom fließen kann. Ferner werden ein Ladegerät, eine Batterie (10) und ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, mit welchen das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie sowie ein Ladegerät, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug, mit denen dieses Verfahren ausgeführt werden kann.
  • Stand der Technik
  • Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (beispielsweise bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit gestellt werden. Hintergrund für diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall der Batterie zu einem Ausfall des Gesamtsystems oder sogar zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann. So werden beispielsweise bei Windkraftanlagen Batterien eingesetzt, um bei starker Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen.
  • Um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriesystem zu erzielen, werden einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet.
  • Im Fahrbetrieb wird die Batterie typischerweise mit zwei Schützen mit dem Fahrzeug verbunden. Im Fahrzeug gibt es zum Abpuffern von Spannungs- und Stromspitzen zusätzlich einen so genannten Zwischenkreiskondensator. Dieser Zwischenkreiskondensator verbietet allerdings das direkte Einschalten der beiden Hauptschütze, da in diesem Fall ein sehr großer Strom durch die Schütze in den Zwischenkreiskondensator fließen würde und diese zerstören könnte.
  • Deshalb wird in der Regel eine so genannte Vorladeeinheit in der Batterie verwendet, die den Zwischenkondensator zunächst mit einem begrenzten Strom auflädt. Erst nach Aufladen des Kondensators werden dann die beiden Hauptschütze zugeschaltet.
  • 1 ist ein Prinzipschaltbild einer solchen Vorladeeinheit zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators aus einer Batterie nach dem Stand der Technik. Eine Vielzahl von Batteriezellen 11-1, ..., 11-n sind in Serie sowie optional zusätzlich parallel geschaltet, um eine für eine jeweilige Anwendung gewünschte hohe Ausgangsspannung und Batteriekapazität zu erreichen. Zwischen einen Pluspol 27 der Batteriezellen und ein positives Batterieterminal 12 ist eine Lade- und Trenneinrichtung 14 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen einen Minuspol 28 der Batteriezellen und ein negatives Batterieterminal 13 eine Trenneinrichtung 15 geschaltet werden.
  • Das positive Batterieterminal 12 und das negative Batterieterminal 13 sind Anschlüsse, an denen ein Verbraucher an die Batterie angeschlossen werden kann. Beispielsweise kann bei einem die Batterie umfassenden Kraftfahrzeug im Fahrbetrieb der Motor an das positive Batterieterminal 12 und das negative Batterieterminal 13 angeschlossen sein.
  • Die Trenn- und Ladeeinrichtung 14 und die Trenneinrichtung 15 umfassen jeweils ein Schütz 16 beziehungsweise 17, welche dafür vorgesehen sind, die Batteriezellen von den Batterieterminals 12, 13 abzutrennen, um letztere spannungsfrei zu schalten. Aufgrund der hohen Gleichspannung der seriengeschalteten Batteriezellen ist andernfalls erhebliches Gefährdungspotential für Wartungspersonal oder dergleichen gegeben. In der Lade- und Trenneinrichtung 14 ist zusätzlich ein Ladeschütz 18 mit einem zu dem Ladeschütz 18 in Serie geschalteten Ladewiderstand 19 vorgesehen. Der Ladewiderstand 19 begrenzt einen Aufladestrom für den Zwischenkreiskondensator (nicht gezeigt), wenn die Batterie an den Zwischenkreis des Fahrzeugs (nicht gezeigt) angeschlossen wird. Hierzu wird zunächst das Schütz 16 offen gelassen und nur das Ladeschütz 18 geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal 12 die Spannung der Batteriezellen, kann das Schütz 16 geschlossen und gegebenenfalls das Ladeschütz 18 geöffnet werden. Die Schütze 16, 17 und das Ladeschütz 18 erhöhen die Kosten für eine Batterie nicht unerheblich, da hohe Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit und an die von ihnen zu führenden Ströme gestellt werden.
  • Das Aufladen der Batterie erfolgt entweder über die Ankopplung eines Ladegeräts an den Fahrzeugzwischenkreis oder über das Anschließen des Ladegeräts an die Batterie mittels zweier zusätzlicher Schütze.
  • 2 ist ein Prinzipschaltbild zur Ankopplung eines Ladegeräts an eine Batterie mittels zweier zusätzlicher Schütze nach dem Stand der Technik. Das Ladegerät 20 ist über das Schütz 21 mit dem Pluspol 27 der Batteriezellen und über das Schütz 22 mit dem Minuspol 28 der Batteriezellen verbunden. Auch diese Schütze 21, 22 müssen so ausgelegt werden, dass sie im Falle eines eventuellen Kurzschlusses auf der Seite des Ladegeräts geöffnet werden können. Dies ist aufwendig und kostenintensiv.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Aufladen einer Batterie mit mindestens einer Batteriezelle zur Verfügung, bei dem ein erster Anschluss eines Ladegeräts über ein Gleichrichtmittel mit einem ersten Pol der mindestens einen Batteriezelle verbunden wird. Das Gleichrichtmittel wird dabei derart ausgerichtet, dass ein Ladestrom fließen kann. Dadurch, dass das Gleichrichtmittel einen Ladestrom fließen lässt, bei einem Kurzschluss auf der Seite des Ladegeräts dagegen sperrt und keinen Strom in entgegengesetzter Richtung fließen lässt, so dass eine Entladung der Batterie verhindert wird, kann eines der Schütze entfallen.
  • Unter einem Gleichrichtmittel ist dabei ein Element zu verstehen, das elektrischen Strom in einer Richtung passieren lässt und in der entgegengesetzten Richtung sperrt. Vorzugsweise ist das Gleichrichtmittel eine Diode, insbesondere eine Halbleiterdiode.
  • Unter einem Schaltmittel ist im Folgenden ein Element zu verstehen, das so betrieben werden kann, dass es eine elektrische Verbindung entweder herstellt oder trennt. Insbesondere kann ein Schaltmittel jeweils ein Schütz sein.
  • Ein zweiter Anschluss des Ladegeräts kann über ein Schaltmittel mit einem zweiten Pol der mindestens einen Batteriezelle verbunden werden. Umfasst die Batterie mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen, so ist der erste Pol ein erster Pol einer Batteriezelle an einem Ende der Reihenschaltung, und der zweite Pol ist ein zweiter Pol einer Batteriezelle an dem gegenüberliegenden Ende der Reihenschaltung.
  • Die Erfindung stellt ferner ein Ladegerät bereit, bei dem an einem ersten Anschluss des Ladegeräts ein Gleichrichtmittel derart angeordnet ist, dass, wenn das Ladegerät mit einer Batterie verbunden wird, das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
  • Die Erfindung stellt ferner eine Batterie bereit, die mindestens eine Batteriezelle sowie ein Gleichrichtmittel umfasst, wobei ein erster Anschluss des Gleichrichtmittels mit einem ersten Pol der mindestens einen Batteriezelle verbunden ist, wobei ein zweiter Anschluss des Gleichrichtmittels mit einem ersten Ladeanschluss verbunden ist und wobei das Gleichrichtmittel derart angeordnet ist, dass, wenn die Batterie mit einem Ladegerät verbunden wird, das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist. Die Batterie ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie.
  • Die Batterie kann ferner ein erstes Schaltmittel umfassen, wobei ein erster Anschluss des ersten Schaltmittels mit einem zweiten Pol der mindestens einen Batteriezelle verbunden ist und wobei ein zweiter Anschluss des ersten Schaltmittels mit einem zweiten Ladeanschluss verbunden ist.
  • Der zweite Anschluss des ersten Schaltmittels kann mit einem ersten Batterieterminal verbunden sein. Alternativ kann die Batterie ferner ein zweites Schaltmittel umfassen, wobei ein erster Anschluss des zweiten Schaltmittels mit dem zweiten Pol der mindestens einen Batteriezelle verbunden ist und wobei ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltmittels mit einem ersten Batterieterminal verbunden ist.
  • Die Batterie kann ferner ein drittes Schaltmittel umfassen, wobei ein erster Anschluss des dritten Schaltmittels mit dem ersten Pol der mindestens einen Batteriezelle verbunden ist und wobei ein zweiter Anschluss des dritten Schaltmittels mit einem zweiten Batterieterminal verbunden ist.
  • Die Batterie ist vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie.
  • Die Erfindung stellt ferner ein Kraftfahrzeug bereit, insbesondere ein elektrisches Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße Batterie umfasst, wobei das Antriebssystem des Kraftfahrzeugs mit der Batterie verbunden ist.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Prinzipschaltbild einer Vorladeeinheit zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators aus einer Batterie nach dem Stand der Technik,
  • 2 ein Prinzipschaltbild zur Ankopplung eines Ladegeräts an eine Batterie mittels zweier zusätzlicher Schütze nach dem Stand der Technik,
  • 3 ein Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batterie, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgeladen wird, und
  • 4 ein Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batterie, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgeladen wird.
  • In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie 10 gezeigt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgeladen wird. Wie die in 1 und 2 gezeigte Batterie nach dem Stand der Technik umfasst die erfindungsgemäße Batterie 10 eine Vielzahl von Batteriezellen 11-1, ..., 11-n. Zwischen einen Pluspol 27 der Batteriezellen und ein positives Batterieterminal 12 ist eine Lade- und Trenneinrichtung 14 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen einen Minuspol 28 der Batteriezellen und ein negatives Batterieterminal 13 eine Trenneinrichtung 15 geschaltet werden. Die Trenn- und Ladeeinrichtung 14 und die Trenneinrichtung 15 umfassen jeweils ein Schütz 16 beziehungsweise 17, welche dafür vorgesehen sind, die Batteriezellen 11-1, ..., 11-n von den Batterieterminals 12, 13 abzutrennen, um letztere spannungsfrei zu schalten. In der Lade- und Trenneinrichtung 14 ist zusätzlich ein Ladeschütz 18 mit einem zu dem Ladeschütz 18 in Serie geschalteten Ladewiderstand 19 vorgesehen.
  • Im Gegensatz zu der in 1 und 2 gezeigten Batterie nach dem Stand der Technik umfasst die erfindungsgemäße Batterie 10 ferner eine Diode 23, deren Kathode mit dem Pluspol 27 der Batteriezellen verbunden ist und deren Anode mit einem positiven Ladeanschluss 24 verbunden ist. Der Minuspol 28 der Batteriezellen ist mit einem negativen Ladeanschluss 25 verbunden.
  • Der positive Ladeanschluss 24 und der negative Ladeanschluss 25 sind Anschlüsse, an denen ein Ladegerät 20 an die Batterie angeschlossen werden kann. Wird an die Ladeanschlüsse 24, 25 ein Ladegerät 20 angeschlossen, so kann über die Diode 23 ein Ladestrom fließen, der die Batterie auflädt. Werden dagegen die Ladeanschlüsse 24 und 25 kurzgeschlossen, so sperrt die Diode 23.
  • Zwischen dem Minuspol 28 der Batteriezellen und dem negativen Ladeanschluss 25 kann ein Schütz 22 angeordnet sein.
  • Wahlweise kann die Diode 23 auch zwischen dem Minuspol 28 der Batteriezellen und dem negativen Ladeanschluss 25 angeordnet sein (nicht gezeigt); in diesem Fall ist die Anode der Diode 23 mit dem Minuspol 28 der Batteriezellen verbunden, und die Kathode der Diode 23 ist mit dem negativen Ladeanschluss 25 verbunden. Hier kann ein Schütz zwischen dem Pluspol 27 der Batteriezellen und dem positiven Ladeanschluss 24 angeordnet sein.
  • Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Batterie ist der Minuspol 28 der Batteriezellen wie bei der Batterie nach dem Stand der Technik optional über ein Schutz 17 mit dem negativen Batterieterminal 13 verbunden. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Batterie, die ein Schutz 26 umfasst, dessen einer Anschluss mit dem Minuspol 28 der Batteriezellen verbunden ist und dessen anderer Anschluss sowohl mit dem negativen Batterieterminal 13 als auch mit dem negativen Ladeanschluss 25 verbunden ist. Das Schütz 26 ist also in Reihe mit den Batteriezellen 11-1, ..., 11-n angeordnet. Dadurch, dass der Minuspol 28 der Batteriezellen über dasselbe Schütz 26 mit dem negativen Batterieterminal 13 und mit dem negativen Ladeanschluss 25 verbunden ist, wird ein weiteres Schütz eingespart. Das Schütz 26 erfüllt die Doppelfunktion, sowohl im Fahrbetrieb als auch im Ladebetrieb den Stromfluss unterbrechen zu können.
  • In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die Diode 23 als Teil der Batterie ausgeführt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch durchgeführt werden, wenn die Diode als Teil des Ladegeräts ausgeführt ist (nicht gezeigt). In diesem Fall wird die Diode an einem Anschluss des Ladegeräts angeordnet, der beim Laden mit einem Ladeanschluss der Batterie verbunden wird. Beispielsweise kann das Ladegerät eine Diode aufweisen, deren Kathode mit dem Anschluss des Ladegeräts verbunden ist, der beim Laden mit dem positiven Ladeanschluss der Batterie verbunden wird. Tritt in diesem Fall ein Kurzschluss im Ladegerät auf, so sperrt die Diode und verhindert eine Entladung der Batterie.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Aufladen einer Batterie (10) mit mindestens einer Batteriezelle (11-1, ..., 11-n), dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Anschluss eines Ladegeräts (20) über ein Gleichrichtmittel (23) mit einem ersten Pol (27) der mindestens einen Batteriezelle (11-1) verbunden wird, wobei das Gleichrichtmittel (23) derart ausgerichtet wird, dass ein Ladestrom fließen kann.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gleichrichtmittel (23) eine Diode, insbesondere eine Halbleiterdiode ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei ein zweiter Anschluss des Ladegeräts (20) über ein Schaltmittel (22, 26) mit einem zweiten Pol (28) der mindestens einen Batteriezelle (11-n) verbunden wird.
  4. Ladegerät, dadurch gekennzeichnet, dass an einem ersten Anschluss des Ladegeräts ein Gleichrichtmittel derart angeordnet ist, dass, wenn das Ladegerät mit einer Batterie verbunden wird, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 ausführbar ist.
  5. Batterie (10), umfassend mindestens eine Batteriezelle (11-1, ..., 11-n), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) ein Gleichrichtmittel (23) umfasst, wobei ein erster Anschluss des Gleichrichtmittels (23) mit einem ersten Pol (27) der mindestens einen Batteriezelle (11-1) verbunden ist, wobei ein zweiter Anschluss des Gleichrichtmittels (23) mit einem ersten Ladeanschluss (24) verbunden ist und wobei das Gleichrichtmittel (23) derart angeordnet ist, dass, wenn die Batterie (10) mit einem Ladegerät (20) verbunden wird, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 ausführbar ist.
  6. Batterie (10) nach Anspruch 5, wobei die Batterie (10) ferner ein erstes Schaltmittel (22, 26) umfasst, wobei ein erster Anschluss des ersten Schaltmittels (22, 26) mit einem zweiten Pol (28) der mindestens einen Batteriezelle (11-n) verbunden ist und wobei ein zweiter Anschluss des ersten Schaltmittels (22, 26) mit einem zweiten Ladeanschluss (25) verbunden ist.
  7. Batterie (10) nach Anspruch 6, wobei der zweite Anschluss des ersten Schaltmittels (26) mit einem ersten Batterieterminal (13) verbunden ist.
  8. Batterie (10) nach Anspruch 6, wobei die Batterie (10) ferner ein zweites Schaltmittel (17) umfasst, wobei ein erster Anschluss des zweiten Schaltmittels (17) mit dem zweiten Pol (28) der mindestens einen Batteriezelle (11-n) verbunden ist und wobei ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltmittels (17) mit einem ersten Batterieterminal (13) verbunden ist.
  9. Batterie (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Batterie (10) ferner ein drittes Schaltmittel (16) umfasst, wobei ein erster Anschluss des dritten Schaltmittels (16) mit dem ersten Pol (27) der mindestens einen Batteriezelle (11-1) verbunden ist und wobei ein zweiter Anschluss des dritten Schaltmittels (16) mit einem zweiten Batterieterminal (12) verbunden ist.
  10. Kraftfahrzeug, insbesondere elektrisches Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug eine Batterie (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 9 umfasst und wobei das Antriebssystem des Kraftfahrzeugs mit der Batterie verbunden ist.
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