DE19504629A1 - Vorrichtung zur Ladung mehrzelliger Akkumulatorenbatterien - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ladung mehrzelliger Akkumulatoren­ batterien, bei dem der Ladezustand der Einzelzellen oder von Gruppen von Zellen im Batterie­ verband überwacht und vergleichmäßigt wird.

Schaltungsanordnungen zur laufenden Überprüfung mehrzelliger Batterien sind in vielen Aus­ gestaltungen bekannt. Beispielsweise ist der DE-PS 37 02 591 eine solche Anordnung zu ent­ nehmen, bei der an jede Zelle oder an Gruppen von Zellen eine Meßschaltung angeschlossen ist, die die verschiedenen Zustandsparameter der Zelle oder Zellengruppe erfaßt und über eine gemeinsame Meßleitung sequentiell an eine Auswerteschaltung übergibt. Die einzelnen Meßschaltungen sind von der Meßleitung dabei galvanisch entkoppelt.

Bei der Ladung und Entladung mehrzelliger Batterien treten Unterschiede in den Zellenspan­ nungen der einzelnen Zellen auf, die auf unvermeidbare Fertigungstoleranzen und/oder Be­ triebstemperaturen der Zellen zurückzuführen sind. In einem größeren Batterieverband kann es aufgrund dieser Ungleichmäßigkeiten im Laufe der Zeit zu einem stark unterschiedlichen Ladezustand einzelner Zellen kommen, was zu Unzuverlässigkeit der gesamten Batterie füh­ ren kann.

Es sind daher auch schon Anordnungen vorgeschlagen worden, welche eine Vergleichmäßi­ gung des Ladezustandes von Einzelzellen oder von kleinen Gruppen von Einzelzellen im Batterieverband ermöglichen sollen. Beispielsweise ist der DE-PS 41 32 299 eine Einrichtung zu entnehmen, bei der über Sondenleitungen, die während des Entladevorganges zur Über­ wachung des Zellenverhaltens dienen, im Anschluß an die eigentliche Aufladung der gesam­ ten Batterie gezielt einzelne Zellen oder Zellgruppen eine zusätzliche Ladung erfahren kön­ nen. Diese Schaltungsanordnung hat jedoch den Nachteil, daß es spezielle Sondenleitungen zu den Einzelzellen erfordert. Damit ist erheblicher Installationsaufwand verbunden und im Fehlerfall wird auch das Betriebspersonal gefährdet. Darüber hinaus muß bei bekannten Ver­ fahren jeder Zelle bzw. Gruppe von Zellen eine eigene Ladeeinrichtung für die Nachladung zugeordnet werden. Wenn als Alternative die einzige Ladeeinrichtung sequentiell auf die je­ weils betroffenen Zellen aufgeschaltet wird, führt dies zu einer erheblichen Verlängerung der Gesamtladedauer der Batterie.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, durch welches einerseits eine ein­ wandfreie Überwachung der Einzelzellen oder Gruppen von Zellen einer Batterie möglich ist und bei dem auch eine Vergleichmäßigung des Ladezustands von Einzelzellen oder Zellen­ gruppen gewährleistet wird, indem einzelne Zellen oder Zellengruppen nachgeladen werden und dabei den Schaltungs- und Verdrahtungsaufwand innerhalb der mehrzelligen Batterie möglichst gering halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem eingangs angegebenen Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird über ein mit jeder Einzelzelle oder mit jeder Gruppe von Zellen verbun­ denes Schaltglied im Verlauf des Betriebs der Batterie eine Zustandsinformation der Einzelzel­ len oder Zellengruppen an ein zentrales Batteriemanagementsystem übermittelt. Die Über­ mittlung erfolgt vorteilhafterweise über eine Ringleitung, mit der die einzelnen Schaltglieder über Kopplungslieder verbunden sind. Beispielsweise kann die Zustandsinformation auf op­ tischem Wege in die Ringleitung eingespeist werden. Diese Ringleitung bzw. das so geschaf­ fene Bussystem, an das alle Einzelzellen bzw. Zellengruppen angeschlossen sind, ist mit einer Zentraleinheit, die aus Ladegerät und Batteriemanagementsystem besteht, verbunden.

Das einzelne Schaltglied verbindet die Endpole der jeweiligen Einzelzelle bzw. einer Gruppe von Einzelzellen. Dieses elektronische Schaltglied besitzt nur zwei mögliche Betriebszustände, nämlich einen ersten Betriebszustand, in dem es sehr hochohmig ist, so daß ein Stromfluß über das Schaltglied praktisch nicht stattfindet und eine Entladung der angeschlossenen Einzelzelle oder Zellengruppe praktisch vernachlässigbar ist, und einen zweiten Betriebszustand, in dem das Schaltglied so niederohmig ist, daß ein durch den Zellenverband fließender Ladestrom im wesentlichen an der jeweiligen Zellengruppe bzw. Zelle vorbeifließt.

Dieses elektronische Schaltteil kann erfindungsgemäß über das Bussystem gezielt für jede einzelne Zelle bzw. Zellengruppe angesprochen und zwischen den beiden Betriebszuständen umgeschaltet werden. Es ist daher möglich, nach Abschluß der eigentlichen Ladung der ge­ samten Batterie einen kleinen Ladestrom für eine gewisse Zeit weiterfließen zu lassen. Nach vom Batteriemanagementsystem festgelegten Kriterien werden dann die Schaltglieder bei den Zellen oder Zellgruppen so geschaltet, daß einzelne Zellen oder Zellengruppen eine ihren in­ dividuellen Bedürfnissen entsprechende Nachladung erfahren können.

Anhand der Figuren ist im folgenden der Gegenstand der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung, Fig. 2 den grundsätzlichen Verlauf einer möglichen Strom/Spannungskennlinie eines Schaltglieds gemäß der Erfindung und Fig. 3 einen möglichen Schaltungsaufbau dieses Schaltglieds.

Die Einzelzellen 1 der mehrzelligen Batterie sind in Gruppen von je 3 Zellen zu einer Zellen­ gruppe 2 zusammengeschaltet. Jede Zellengruppe 2 ist mit einem Schaltglied 3 verbunden. Die Schaltglieder 3 sind über Kopplungsglieder 4 galvanisch möglichst weitgehend entkoppelt mit dem Bussystem 5 verbunden. Dieses Bussystem steht wiederum mit einer nicht dargestell­ ten zentralen Auswertungs- und Überwachungseinheit bzw. mit einem Batteriemanagement­ system in Verbindung.

Entsprechend den vom Batteriemanagement während der Aufladung festgelegten Kriterien werden einzelne der Schaltglieder 3 angesteuert und bei den Zellen, die keine Nachladung erfahren wollen, in ihren niederohmigen Betriebszustand versetzt, während bei den übrigen Zellen, die einer Nachladung bedürfen, die elektronischen Schaltglieder in den hochohmigen Betriebszustand geschaltet werden. Somit werden gezielt einzelne Zellen des Batterieverbandes bzw. einzelne Zellengruppen nachgeladen, ohne daß eine galvanische Verbindung zu den Einzelzellen besteht und ohne daß für die Einzelzellen oder Zellengruppen eine individuelle Ladeschaltung vorgesehen werden müßte. Darüber hinaus werden sämtliche Zellen, die nachgeladen werden müssen, gleichzeitig nachgeladen, so daß keine unnötige Verlängerung der Gesamtladedauer der Batterie durch sequentielles Nachladen einzelner Zellen notwendig wird.

Die elektronische Schalteinheit sollte im hochohmigen Betriebszustand einen Widerstandswert von mindestens 1000 Ohm pro Volt und pro Ah Nennkapazität der Batterie, vorzugsweise ei­ nen Widerstandswert von mehr als 10 000 Ohm/Volt/Ah und insbesondere Widerstandswerte besitzen, die größer sind als 100 000 Ohm/Volt/Ah. Dieser Mindestwiderstandswert soll auch für Ströme in Entladerichtung erreicht werden, wenn der elektronische Schalter seinen niederohmigen Betriebszustand einnimmt, wobei sich die Spannungsangabe auf die der Schalteinheit jeweils zugeordnete Zelle bzw. Gruppe von Zellen bezieht. Im niederohmigen Betriebszustand sollte das Schaltglied einen Widerstandswert besitzen, der geringer ist als 1 Ohm/Volt/Ah Kapazität der Batterie.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt das elektronische Schaltglied eine nichtlineare Kennlinie in Überladerichtung, wenn sie in den niederohmigen Zustand geschaltet ist. Diese Strom/Spannungskennlinie (I, U) ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Kennlinie ist so beschaffen, daß der Widerstandswert nur dann niedrig ist, wenn die anliegende Spannung größer ist als die Ruhespannung U_o der zugeordneten Zelle oder Zellengruppe. Eine einfache Ausführungsform einer entsprechenden Schaltung ist Fig. 3 zu entnehmen, gemäß der an die Zelle oder Zellengruppe 1 eine Reihenschaltung aus Widerstand R, Zenerdiode Z und Diode D angeschlossen ist.

Der einstellbare Nachladestrom sollte zwischen dem 1stündigen und dem 500stündigen Strom der Batterie liegen, vorzugsweise zwischen dem 10- und 100stündigen Strom, insbesondere aber zwischen dem 20stündigen und 50stündigen Strom, bezogen auf die Nennkapazität der Batterie.

Vorteilhaft ist es, in jedem Schaltglied ein Bauteil vorzusehen, welches einen Stromfluß in Entladerichtung sicher ausschließt. Dabei handelt es sich im einfachsten Fall um eine Diode oder ein vergleichbares Bauelement. Das Bussystem ist galvanisch getrennt, z. B. optisch ge­ koppelt mit den elektronischen Schalteinheiten auf den Einzelzellen oder Zellengruppen ver­ bunden. Es ist aber auch möglich, auf eine strenge galvanische Trennung zu verzichten und das Bussystem sehr hochohmig galvanisch an die Zellen bzw. Zellengruppen anzukoppeln. Dies kann beispielsweise durch hochohmige Widerstände direkt an den Zellen erfolgen oder durch Widerstandsleitungen. Es ist dann technisch nicht möglich, nennenswerte Ströme über diese Leitungen zu führen, um wie bei der Schaltung des deutschen Patents 41 32 229, die Einzelzellen oder Batteriegruppen über diese Leitungen nachzuladen. Derartige hochohmige Leitungen sind aber für die Übermittlung von Informationen von den Einzelzellen oder Zellen­ gruppen zum Batteriemanagement hin ebenso geeignet, wie ein galvanisch abgetrenntes Bussystem, und sie können auch für die Steuerung der elektronischen Schaltglieder verwen­ det werden. Das System behält dabei aber den Vorteil bei, daß keine individuelle Ladeschal­ tung für die Einzelzellen oder Zellengruppen benötigt wird, und daß durch Kurzschlüsse dieser Leitungen keine zusätzlichen Betriebsstörungen hervorgerufen werden können.

Eine erfindungsgemäße Batterie mit den zugehörigen Schaltgliedern und Überwachungsschal­ tung kann in einer stationären Anlage angeordnet sein, sie kann aber auch in einem Elektrostraßenfahrzeug oder einem sonstigen elektrischen Gerät sinnvoll Verwendung finden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Ladung mehrzelliger Akkumulatorenbatterien, bei dem der Ladezustand der Einzelzellen oder von Gruppen von Zellen im Batterieverband überwacht und ver­ gleichmäßigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit jeder Einzelzelle oder Zellengruppe ein elektronisches Schaltglied verbunden ist, welches zwei Betriebszustände annehmen kann, nämlich entweder so hochohmig, daß eine Entladung der angeschlossenen Einzel­ zelle oder Zellengruppe durch das elektronische Schaltglied praktisch vernachlässigbar ist, oder so niederohmig, daß es einen zur Ladung von Zellen oder Zellengruppen ge­ eigneten Strom führen kann, und daß alle Schaltglieder galvanisch im wesentlichen ent­ koppelt mit einem Bussystem verbunden sind, über das Zustandsinformationen der Einzelzellen oder Zellengruppen an ein zentrales Batteriemanagementsystem übermit­ telbar sind und über welches die Schaltglieder zur Änderung ihres Betriebszustandes ansteuerbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Schalt­ glied im niederohmigen Zustand in Laderichtung einen Widerstandswert von weniger als 1 Ohm/Volt/Ah Nennkapazität der Batterie besitzt und dabei Ströme in Entladerichtung sperrt und, daß sie im hochohmigen Betriebszustand einen Widerstandswert von mehr als 10 000 Ohm/Volt/Ah, vorzugsweise von mehr als 100 000 Ohm/Volt/Ah besitzt.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachlade­ strom für Einzelzellen oder Zellengruppen auf Werte zwischen dem 10stündigen und 100stündigen Strom, insbesondere zwischen dem 20stündigen und 50stündigen Strom, eingestellt ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektroni­ sche Schaltglied ein Bauteil enthält, welches einen Stromfluß in Entladerichtung sicher ausschließt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bussystem über Kopplungsglieder zur Potentialtrennung mit den elektronischen Schaltgliedern der Einzelzellen oder Gruppen von Einzelzellen verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Schaltglied im niederohmigen Zustand eine nichtlineare Strom/Spannungskennlinie besitzt.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Schaltglieds in niederohmigem Zustand nur dann nieder­ ohmig ist, wenn am Schaltglied eine Spannung anliegt, die größer ist als die Ruhespan­ nung der angeschlossenen Zelle oder Zellengruppe.