DE19535675A1 - Vorrichtung zur Überwachung einer Akkumulatoren-Batterie - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Überwachung und Nachladung der einzel­ nen Zellen einer Akkumulatoren-Batterie.

Akkumulatoren-Batterien bestehen oft aus der Reihenschaltung einer Vielzahl einzelner Ak­ kumulatoren-Zellen. Die einzelnen Akkumulatoren-Zellen sind mit Fertigungstoleranzen behaf­ tet, so daß ihre Kapazität Abweichungen gegenüber der Nennkapazität aufweist. Im Betrieb können einzelne Zellen unterschiedlich altern, so daß sich eine zusätzliche Betriebstoleranz ergibt. Aufgrund unterschiedlicher Betriebstemperaturen und je nach Art des Akkumulators kann die Selbstentladerate in einigen Zellen höher sein als in anderen Zellen. Bei ständigem Entladen und Laden der in Reihe geschalteten Zellen kann es deshalb zu Ladezustands- und Kapazitätsabweichungen kommen, so daß die Zellen geringster Kapazität das Entladeende erreichen, während andere Zellen der gleichen Batterie noch genügend geladen sind. Bei ho­ her Belastung der Akkumulatoren-Batterie kann es daher beim Entladeende zu einer totalen Entladung einzelner Zellen der Batterie mit anschließender Potentialumkehr bzw. -Umpolung kommen. Dadurch können die Zellen irreparabel geschädigt werden. Beim Ladevorgang wer­ den dagegen die Zellen mit geringerer Kapazität zuerst aufgeladen, während andere Zellen noch nicht den Endpunkt der Ladung erreicht haben. Das Ladungsende der zuerst vollgelade­ nen Zellen wird nicht festgestellt, so daß diese Zellen dann überladen werden und je nach Art des verwendeten Akkumulators Schädigungen durch die Überladung auftreten können.

Um Akkumulatoren-Batterien vor Tiefentladung oder Überladung einzelner Zellen zu schützen, wurden Batterieüberwachungssysteme entwickelt, die an einzelnen Modulen die aktuelle Zel­ lenspannung des Moduls messen. Aufgrund der Batteriekonstruktion ist es aber nicht immer möglich einzelne Zellen zu überwachen. Wird eine größere Kapazitätsdifferenz zwischen den Zellen festgestellt, müssen einzelne Module individuell nachgeladen werden, was erheblichen Wartungsaufwand verursacht.

Es wurden bereits Systeme entwickelt, die es gestatten, die Einzelzellen der Akkumulatoren-Batterie mit parallelen Leitungen derart zu verbinden, daß von einem zentralen Ladegerät aus die einzelnen Zellen nachgeladen werden können. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, nach einer Hauptladung alle Einzelzellen auf einen gleichen Ladezustand zu bringen. Grund­ sätzlich läßt sich mit einem solchen System auch die Nachladung einzelner Zellen ermögli­ chen. Dazu müssen jedoch viele parallele Leitungen zu einem zentralen Lade- und Überwa­ chungsgerät geführt werden. (DE-OS 41 31 732).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System anzugeben, das eine kontinuierliche Überwachung einzelner Batteriezellen einer Akkumulatoren-Batterie ermöglicht und welches darüber hinaus in der Lage ist, einzelne Zellen der Akkumulatoren-Batterie auf einen bestimm­ ten Ladezustand zu bringen bzw. beispielsweise nachzuladen, wenn eine Nachladung erfor­ derlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung zur Überwachung und Nachla­ dung der einzelnen Zellen einer Akkumulatoren-Batterie gelöst, bei der jede der einzelnen Ak­ kumulatoren-Zellen der Akkumulatoren-Batterie mit einer Elektronikeinheit versehen ist, die an eine alle Elektronikeinheiten verbindende Zwei-Draht-Leitung angeschlossen ist, über welche im Modus Nachladen parallel alle nachzuladenden Zellen ladbar sind und über die im Modus Informationsübertragung von allen Zellen Informationswerte übertragbar sind.

Zur Steuerung der Elektronikeinheiten ist ein zentrales Mastersystem vorgesehen, über das zwischen den Betriebsmodi Nachladen und Überwachen beliebig umgeschaltet werden kann.

Zur galvanischen Trennung der einzelnen Akkumulatorenzellen von der Nachladungs- und Überwachungseinheit sind in der Elektronikeinheit wechselspannungsgespeiste Übertrager vorhanden, die erfindungsgemäß eine erste Sekundärwicklung besitzen, über welche mittels eines Gleichrichters die angeschlossenen Zellen auf eine gleichmäßige Entspannung auflad­ bar bzw. nachladbar sind, und welche eine zweite Sekundärwicklung besitzen, über die die Elektronikeinheit einerseits mit einer Versorgungsspannung gespeist wird und die andererseits zur Übertragung von Meßinformationen von der Akkumulatorenzelle zum zentralen Master­ system dient.

Derartige Zustandsinformationen, die über das Messystem überwacht werden, sind beispiels­ weise die Zellenspannung und die Zellentemperatur.

Im folgenden ist anhand der Figuren der Gegenstand der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch mehrere in Reihe geschaltete Zellen einer Akkumulatoren-Batterie mit erfindungsgemäßer Überwachungs- und Nachladeeinheit.

Fig. 2 zeigt eine Akkumulatoren-Zelle mit einer Elektronikeinheit, die eine Schaltungsanord­ nung enthält, welche eine Nachladung und eine Überwachung der Einzelzellen ermöglicht.

Fig. 3 zeigt schematisch das zur Steuerung der Vorrichtung vorhandene Mastersystem.

Fig. 4 zeigt ein Spannungs/Zeitdiagramm mit den Spannungspegeln der Informationsübertra­ gung.

Gemäß Fig. 1 besteht die Akkumulatoren-Batterie aus einer nicht näher dargestellten Viel­ zahl von einzelnen Akkumulatoren-Zellen 1. Jeder dieser Akkumulatoren ist mittels einer Elek­ tronikeinheit 2 an eine Zwei-Draht-Leitung 3 angeschlossen, welche sowohl eine Nachladung der Einzelzellen, als auch eine Überwachung jeder Zelle ermöglicht. Die Zellen sind von der Zwei-Draht-Bus-Leitung 3 erfindungsgemäß galvanisch getrennt. Jede der in Fig. 2 schema­ tisch dargestellten Elektronikeinheiten enthält einen Übertrager 4 für mittel- oder hochfrequen­ te Spannungen mit je einer Primärwicklung 4a und zwei Sekundärwicklungen 4b und 4c. Die erste dieser Sekundärwicklungen 4b speist die Akkumulatoren-Zelle 1 in einer Mittelpunkt­ schaltung über zwei Gleichrichterdioden 5a und 5b. Anstelle der Mittelpunktschaltung kann gegebenenfalls eine Brückenschaltung verwendet werden.

Die zweite Sekundärwicklung 4c ist für die eigentliche Informationsübertragung vorgesehen. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform speist diese Sekundärwicklung 4c über eine erste Gleichrichterdiode 6a eine positive Versorgungsspannung und über eine zweite Gleichrichter­ diode 6b eine negative Versorgungsspannung für die angeschlossene Messeinrichtung 7. Auch die hier dargestellte Schaltungsanordnung kann durch zwei weitere Dioden zu einer Doppelmittelpunktschaltung ergänzt werden.

Die Sekundärwicklung 4c ist so ausgelegt, daß im Nachlademodus eine Betriebsspannung entsteht, die von den angeschlossenen Messeinheiten 7 ohne Beeinträchtigung ihrer Arbeits­ weise verarbeitet werden kann.

Vorzugsweise sind die verwendeten Gleichrichter Schottky-Dioden. Die Versorgungsspannung der Messeinrichtung 7 kann sowohl für Operationsverstärker, als auch für Mikrorechner ausge­ legt werden.

In der Informationsphase wird die Wechselspannung auf dem gemeinsamen Bus, bzw. der Zwei-Draht-Leitung 3, so weit herabgesetzt, daß auch bei entladenen Zellen keine Nachladung über die erste Sekundärwicklung 4b erfolgen kann. Mit Hilfe der zweiten Sekundärwicklung 4c kann je nach Art des Akkumulators die Versorgungsspannung für die Messeinrichtung 7 ge­ genüber der Zellspannung wesentlich heraufgesetzt werden.

Gemäß Fig. 3 wird die Wechselspannungsquelle 8, deren Innenwiderstand 9 und die Infor­ mationsverarbeitung 10 von einem Rechnersystem 11 gesteuert, das die Funktion eines Ma­ sters einnimmt. Die Informationsverarbeitung 10 wird gegebenenfalls über eine Hilfsspannung U_H versorgt. Über das Rechnersystem 11 wird festgelegt, ob über die parallele Zwei-Draht- Bus-Leitung 3 eine Nachladung oder eine Informationsübertragung erfolgt. Bei Nachladung wird der Innenwiderstand 9 der Wechselspannungsquelle 8 über den Rechner 11 auf einen niederohmigen Wert gesteuert und auf die notwendige Nachladespannung eingestellt. Bei einer Informationsübertragung wird die Speisespannung herabgesetzt und die Wechselspan­ nungsquelle erhält einen definierten Innenwiderstand 9. Dies wird beispielsweise durch einen Widerstand realisiert, der bei Nachladung von einem Kontakt überbrückt ist oder dadurch, daß der Widerstand als gesteuerter Widerstand in Form eines Feldeffekttransistors ausgebildet ist. Damit der Nennwert der Spannung an der Zwei-Draht-Bus-Leitung 3 zur Speisung der Busteil­ nehmer, d. h. der Elektronikeinheiten 2 erhalten bleibt, wird die Spannung der Wechselspan­ nungsquelle 8 um den Wert des Spannungsabfalls an diesem Innenwiderstand 9 heraufge­ setzt.

Zur Informationsübertragung über die Zwei-Draht-Leitung 3 wird eine Spannung gewählt, de­ ren Spannungspegel gemäß Fig. 4 zwischen zwei definierten Werten wechselt. Die Span­ nungswerte 12a und 12b entsprechen dem Pegel "high", die Spannungspegel 13a und 13b dem Pegel "low". Für logisch "1" kann demgemäß der volle Pegel "high" gewählt werden und für logisch "0" ein wesentlich geringerer Pegelwert "low". Die Unterscheidung zwischen den Pegeln "high" und "low" erfolgt durch Belastung der gemeinsamen Versorgungsleitung. Dabei wird die Versorgungsleitung bei Einstellung des Pegels für logisch "0" vom steuernden Rech­ ner oder von einem Meßpunkt, bzw. der Elektronikeinheit derart belastet, daß der Pegel auf den erforderlichen niedrigeren Wert gesenkt wird. Dies ist erfindungsgemäß möglich mit Hilfe von Opto-Kopplern, Transistoren oder Relaiskontakten direkt an der Speiseleitung. Es ist aber auch möglich, die Belastung auf der Sekundärseite des Übertragers 4 vorzunehmen. Als Schaltelemente können hier Transistoren, Feldeffekttransistoren oder Relais verwendet wer­ den. Dabei wird durch Anordnung und entsprechende Bemessung von Speicherkondensato­ ren in der Gleichspannungsversorgung des Messystems der Elektronikeinheit die Stromver­ sorgung für die Messeinrichtung auch bei Informationen mit niedrigem "low"-Pegel für einen ausreichenden Zeitraum gewährleistet. Vorteilhaft ist es, die Steuerung für "high"-Pegel und "low"-Pegel mit der speisenden Wechselspannung zu synchronisieren. Beispielsweise kann das Informationsbit logisch "0" mit der Periodendauer des Wechselspannungssystems syn­ chronisiert werden; damit ist eine höhere Übertragungsrate erzielbar. Grundsätzlich kann der Pegel "low" aber auch über mehrere Perioden der Speisespannung unsynchronisiert einge­ stellt werden.

Durch einen Masterbefehl der Rechner- und Überwachungseinheit 11 können sämtliche Spannungswerte und/oder Temperaturwerte oder andere Meßwerte der angeschlossenen Zellen zur gleichen Zeit gemessen und nacheinander gesendet werden.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht es, eine gleichmäßige Nachladung der Einzel­ zellen der Akkumulatoren-Batterie während oder am Ende einer Ladung vorzunehmen. Die unterschiedlichen Kapazitätswerte aufgrund von Fertigungs- oder Betriebstoleranzen können daher ausgeglichen werden, indem jeweils auf einen definierten Höchstwert der jeweiligen Ist-Kapazität geladen wird. Darüber hinaus ist eine ständige Überwachung der Einzelzellen der Batterie über die Zwei-Draht-Leitung 3 im Entlade- und Ladebetrieb möglich.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Überwachung und Nachladung der einzelnen Zellen einer Akkumulatoren-Batterie, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Einzelzellen (1) der Akkumulatoren-Batterie mit einer Elektronikeinheit (2) versehen ist, die an eine alle Elektronikeinheiten verbindende Zwei-Draht-Leitung (3) angeschlossen ist und über welche im Modus Nachladen parallel alle nachzuladenden Zellen ladbar sind und über die im Modus Informationsübertragung von allen Zellen Informationswerte übertragbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Elektronik­ einheiten (2) ein zentrales Mastersystem (10, 11) vorgesehen ist, über das zwischen den Betriebsmodi Nachladen und Überwachen umschaltbar ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur galvanischen Trennung der Akkumulatorenzellen (1) wechselspannungsgespeiste Übertrager (4) in den Elektronikeinheiten (2) vorgesehen sind, die eine erste Sekundärwicklung (4b) mit einem Gleichrichter (5a, 5b) besitzen, über welche alle Einzelzellen auf eine gleichmäßige End­ spannung aufladbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertra­ ger (4) mit einer zweiten Sekundärwicklung (4c) versehen ist, aus der mit Hilfe von Gleich­ richtern (6a, 6b) eine Spannungsversorgung zur Speisung einer Messeinrichtung (7) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Modus Informationsübertragung die die Zwei-Draht-Leitung (3) speisende Wech­ selspannungsquelle (8) auf einen höheren Innenwiderstand (9) schaltbar ist, und daß die Spannung so steuerbar ist, daß unter Berücksichtigung der zu speisenden Busteilnehmer in Form der Elektronikeinrichtungen (2) der diesen zugeordnete Nennspannungswert erhalten bleibt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Informationskodierung der Spannungswert zwischen zwei definierten Pegeln schaltbar ist, wobei die höhere Spannung rezessiv dem Informationswert "high" (oder lo­ gisch "1") und die niedrige Spannung dominant dem Informationswert "low" (oder logisch "0") entspricht.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrige Spannung an jeder Stelle der Zwei-Draht-Bus-Leitung (3) durch eine defi­ nierte Belastung einstellbar ist und der kleinste einstellbare Wert 0 Volt entspricht.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Informationsbit 0 mit der Periodendauer des Wechselspannungssystems synchro­ nisiert ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Elektronikeinheiten (2) Kondensatoren vorgesehen sind, über die die Energie­ versorgung der Messeinheiten (7) auch beim Senden von "low"-Pegeln für einen ausrei­ chenden Zeitraum gesichert ist.