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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Batterie mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Patentanspruch 1.
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Eine
derartige Batterie ist aus der
FR 2 589 008 B1 bekannt. Der Ladevorgang
findet für
alle Einzelzellen gleichzeitig und in Abhängigkeit des individuellen
Ladezustands statt. Eine Möglichkeit,
darüber
hinaus den Ladevorgang individuell zu steuern, besteht nicht.
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Eine
derartige Möglichkeit
besteht bei einer mikrokontroller-gesteuerten Einrichtung zur Analyse des
Ladezustands und zum Laden einer mehrzelligen Batterie, wie sie
aus der
DE 42 31 732
C2 bekannt ist. Dabei ist die Batterie mit einer Vielzahl
von Doppelleitungen versehen, die jeweils zu einer oder mehreren
Einzelzellen führen
und über
die die Differenz-Ladung der angeschlossenen Einzelzellen durchgeführt wird.
Aufgrund der Vielzahl von Doppelleitungen ist eine derartige Batterie
extrem störanfällig und
für den
Einsatz unter hoher mechanischer Belastung, wie beispielsweise in
einem Fahrzeug, weniger geeignet.
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In
diesem Zusammenhang ist es aus der
DE 42 25 746 A1 bekannt, bei einer Batterie
mit mehreren Einzelzellen die Einzelzellen individuell per Direktanschluss
an ein Ladegerät
aufzuladen. Die Information über
den Ladezustand wird ebenfalls direkt mittels des parallel angeschlossenen
und mit elektrischer Energie versorgten Einzelzellen-Moduls gewonnen.
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Ferner
ist aus der
DE 33 12
600 A1 eine Einzelzellenbatterie bekannt, bei der eine
Nachladung entsprechend der entnommenen Kapazität vorgenommen werden kann.
Eine Anregung, bei einer Batterie aus mehreren in Reihe geschalteten
Einzelzellen ohne zusätzliche äußere Beschaltung
die Möglichkeit
einer individuellen Ladung und Überprüfung jeder
Einzelzelle zu schaffen, ergibt sich daraus nicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie der eingangs
genannten Art zu schaffen, bei der die Möglichkeit einer individuellen
Einzelzellen-Ladung mit geringem schaltungstechnischen und Leitungsaufwand
realisiert ist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
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Die
Einzelzellen-Module besitzen nun zusätzlich die Möglichkeit,
individuelle Ladesignale zu empfangen und umzusetzen. Die Abgabe
der individuellen Ladesignale geschieht durch die Zentraleinheit über die
Stromleitung, die als modulierter Feldbus ausgestaltet sein kann.
Dadurch können
aufwendige und störanfällige Leitungsverbindungen
(Doppelleitungen) von der Zentraleinheit zu den Einzelzellen- Modulen
entfallen. Weitere Leitungsverbindungen werden dadurch eingespart,
dass die Einzelzellen-Module
aus der jeweiligen Einzelzelle heraus mit elektrischer Energie versorgt
sind.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis
11 und werden anhand der Zeichnung weiter erläutert.
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1 den
prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterie,
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2 den
elektrischen Aufbau von darin verwendeten Einzelzellen-Modulen,
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3 eine
konstruktive Ausführung
des Moduls von 2,
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4 bis 6 Einzelheiten
des Moduls von 3,
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7 Einzelzellen
mit Modulen auf einem Zellverbinder,
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8 eine
Funktionsdarstellung der Stromverteilung,
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9 die
Ausführungsform
des Moduls als Zellkappe und
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10 Ausführungsformen eines Leistungsschalters,
der in den Modulen der 2 bis 9 Anwendung
findet.
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Die
in 1 gezeigte Batterie besteht aus mehreren Einzelzellen
E, die über
eine Stromleitung 1 miteinander verbunden sind und denen
jeweils ein Einzelzellen-Modul 2 zugeordnet ist. Die Module 2 sind über die
Stromleitung 1 mit einer Zen traleinheit 3 verbunden
und tauschen mit dieser Daten über
den Zustand der jeweiligen Einzelzelle E aus. Ferner erhalten Sie
von der Zentraleinheit individuelle Ladesignale aufgrund derer sie
den Ladevorgang der jeweiligen Einzelzelle steuern. Dies wird weiter
unten im Detail erläutert.
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Die
Module 2 sind in unmittelbarer Nähe der Einzelzellen, z.B. am
Gehäuse,
am Zellverbinder oder an der Zellkappe (wird erläutert) angeordnet und aus der
jeweiligen Einzelzelle heraus mit elektrischer Energie versorgt.
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Die
von den Modulen 2 gelieferten Daten werden durch die Zentraleinheit 3 zyklisch
abgefragt, die an beliebiger Stelle, z.B. in einem On-Board-Ladegerät der Batterie
untergebracht sein kann. Die Zentraleinheit 3 sammelt die
Daten aller Einzelzellen und kann den Ladestrom jeder Einzelzelle
innerhalb bestimmter Grenzen mittels der Module 2 beeinflussen.
Die Zentraleinheit 3 wiederum kann off-line (z.B. für Diagnosezwecke)
und/oder on-line mit weiteren Bordsystemen im Datenaustausch stehen
(nicht dargestellt).
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Das
Einzelzellenmodul (2) besteht als Kernstück aus einer
Logikeinheit (4), die folgende Aufgaben erledigt:
- • Datenaustausch
zur Zentraleinheit
- • Messung
der Einzelzellenparameter (Zelltemperatur, Zellspannung, ...)
- • Steuerung
des Leistungsteils
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Zur
Messung der physikalischen Größen kommen
bekannte Sensoren zum Einsatz. In der Grundversion sind folgende
Meßgrößen vorgesehen:
- • Einzelzellenspannung
- • Temperatur
(eine oder mehrere), (5 bezeichnet einen Temperatursensor).
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Weiter
kann es vorteilhaft sein, je nach Batterietyp weitere Kenngrößen zu messen,
beispielsweise
- • Einzelzellendruck
- • Elektrolytpegel
- • Elektrolytdichte
- • Elektrolytdurchfluß
- • Isolationsfehler
- • Zellstrom
- • pH-Wert
- • Sauerstoff-/Wasserstoffkonzentration
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Es
dient zur Signaltrennung der Stromleitung, d.h. zur Ein- und Auskoppelung
der Signale zwischen Zentraleinheit und Module. Es besteht im einfachsten
Fall aus einem Kondensator 6.
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Die
Leistungseinheit 7 dient dazu, einen Teil des Gesamt-Ladestroms
um die betreffende Einzelzelle herumzuleiten, der Bypass-Strom trägt somit nicht
zur Ladung bei. Der Gesamtwirkungsgrad der Batterieladung verschlechtert
sich dadurch nicht. Bei herkömmlicher
Aufladung muß die
zuerst volle Zelle diese Energie durch Gasungswärme abgeben. Die Zelle wird
dabei stark überladen
und geschädigt.
Die Folge ist eine überproportionale
Kapazitätsveränderung
während
des Betriebes.
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Die
Leistungseinheit wird vorzugsweise möglichst von den anderen Bauteilen
entkoppelt. Damit ist sichergestellt, daß eine thermische Beeinflussung
minimiert wird. Weiter kann damit vermieden werden, daß im Falle
eines Totalausfalls der leistungsführenden Teile die anderen Systemkomponenten
geschädigt
werden. Die Logikeinheit meldet der Zentraleinheit den Ausfall des
Leistungsgliedes (Halbleiterschalter, Relais, ...).
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Um
im Schadensfall die Auswirkungen zu begrenzen ist optional eine
Sicherung in der leistungsführenden
Leitung vorzusehen. Im einfachsten Fall wird die herausgeführte Polleitung
so bemessen, daß diese
im Kurzschlußfall
sicher schnell durchbrennt.
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Am
einfachsten läßt sich
dies durch Verwendung von Leiterbahnen auf gedruckten Schaltungen realisieren,
die eine entsprechend bemessene Engstelle als Sicherungselement
aufweisen 13, 3.
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Die
Spannungsversorgung 8, 2, des Einzelzellenmoduls
erfolgt aus der Einzelzelle heraus.
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Aufgabe
dieses Systemteils ist es, die Spannung auf das erforderliche Niveau
anzuheben und zu stabilisieren. Weiter soll eine gewisse Energiemenge 9 gespeichert
werden, um beim Ausfall einer Einzelzelle, d.h. beim Ausfall der
Spannungsversorgung des Moduls, den Betrieb des Moduls so lange
sicherzustellen, daß eine
entsprechende Meldung an die Zentraleinheit abgegeben werden kann.
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Ausführungsformen
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Die
bauliche Ausführung
richtet sich insbesondere nach der Ausführung der Batterie-Einzelzellen.
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Grundsätzlich sind
4 Ausführungen
dargestellt, die in ihrer Funktionsweise identisch sind, deren Leistungsmerkmale
jedoch geringfügig
variieren. Beschrieben werden die Ausführungen als
- • eigenständige Funktionseinheit
(3)
- • als
Teil der Polverbinder (6)
- • als
Teil des Einzelzellengehäuses
(9)
- • als
Batteriekappe (9)
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1. Einzelzellenmodul
als eigenständige
Funktionseinheit
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Alle
Bauteile sind auf einer Leiterplatte (3) angeordnet,
die Leiterplatte besitzt zwei Löcher 10,
die den Abstand und Durchmesser der Einzelzellenanschlüsse besitzen.
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Die
Platinen werden auf die Anschlüsse
jeder Einzelzelle montiert, d.h. es sind keine weiteren Befestigungspunkte
notwendig.
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Ausführung
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Anschlüsse
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Im
Bereich der Befestigungslöcher 10 sind die
Platinen durch Metalleinsätze
z.B. Blindniete 11 verstärkt. Die Oberflächen dienen
als Kontaktierung und zur Auf nahme der Schraubenkräfte. Unter
dieser Anschraubfläche,
die eine enge thermische Kopplung zu den Batteriepolen und damit
zum Zellinneren hat, werden vorzugsweise die Temperatursensoren angeordnet 5.
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Anordnung
der Bauelemente
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Steuerungsteile 4 und
Leistungsteil 7 werden vorzugsweise räumlich entkoppelt. Damit ist
sichergestellt, daß bei
thermischen Versagen der Endstufe der Steuerungsteil nicht beschädigt wird.
Die Entkopplung kann dadurch verbessert werden, in dem die Leiterplatte
zwischen den Steuerungs- und Leistungsteil teilweise ausgenommen
ist 12.
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Sicherung
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Um
auch beim Ausfall des Schaltelements eine Schädigung der Einzelzelle auszuschließen, ist eine
Sicherung vorzusehen. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, indem
ein Leiterbahnabschnitt 13 so dimensioniert wird, daß er bei Überschreiten
der höchstzulässigen Stromdichte
abbrennt.
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2. Einzelzellenmodul
als Teil der Polverbinder
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Der
Aufbau erfolgt vorzugsweise als hochintegriertes Modul 17.
Die Verbindung zum Masse-Anschluß wird vorzugsweise als großflächige Verbindung
ausgeführt, 14 die
wiederum großflächig auf dem
Untergrund (Polverbinder) aufgebracht wird. Damit ist auch eine
gute thermische Kopplung zum Untergrund gewährleistet. Befestigt man die
Einzelzelleneinheit an einer Stelle der Einzelzelle, die thermisch
repräsentativ
ist, kann der Temperatursensor 5 auf dieser Kontaktierungsfläche angeordnet
werden.
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Die
Massefläche 14 kann
auch gleichzeitig zur Abführung
der anfallenden Verlustwärme
des Leistungsteils dienen. Die Temperaturerhöhung ist vom Modul im Leerlauf
der Batterie durch Einschalten des Leistungstransistors bei frühzeitiger
Temperaturmessung ermittelt und gespeichert worden.
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Charakteristische
Temperaturen herrschen an vielen Batteriesystemen an den Anschlußpolen, da
diese eine funktionsbedingt gute Verbindung zu den Elektroden besitzen.
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Aus
diesem Grund wird vorgeschlagen, die Module 17 vorzugsweise
auf den Verbindungslaschen 22 der einzelnen Einzelzellen
anzuordnen (6).
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Der
Anbau erfolgt vorzugsweise an der zur benachbarten Einzelzelle gegenüberliegenden
Seite. Damit ist eine weitgehende thermische Entkopplung zur Nachbarzelle
sichergestellt.
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Die
Verbindung zum Pluspol wird durch eine kurze Leitung 15 dargestellt,
an deren Ende ein geeigneter Kabelschuh 16 vorgesehen wird,
um den Plusanschluß mit
unter den entsprechenden Einzelzellenanschluß klemmen zu können.
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Damit
ergibt sich eine kompakte Einheit bestehend aus Verbindungslasche,
Einzelzellenmodul sowie Anschlußleitung
mit Kabelschuh.
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Diese
Elemente können
vorzugsweise symmetrisch ausgeführt
werden, so daß pro
Einzelzellentyp nur eine Ausführung
von Elementen notwendig ist, die sich lediglich in der logischen
Adresse unterscheiden.
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Diese
Anordnung läßt sich
nicht nur kostengünstig
herstellen sondern minimiert auch die Lagerhaltung und ermöglicht einen
sehr einfachen Austausch im Schadensfall.
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3. Einzelzellenmodul
als Teil des Einzelzellengehäuses
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Ausführungen
wie beschrieben, lassen sich auch direkt auf der Außenseite
des Einzelzellengehäuses
befestigen.
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Vorzugsweise
kommt dabei ein Modul zum Einsatz. Das Modul kann dabei direkt in
das Einzelzellengehäuse
integriert werden.
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4. Einzelzellenmodul
als Teil einer Einzelzellenkappe
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Zum
Schutz vor Berührung
der Batterie-/Einzelzellenpole sind vorzugsweise Zellkappen 26 vorgesehen
(9).
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Der
Austausch einzelner Zellmodule gestaltet sich durch eine Integration
der Zellmodule in der aufgesteckten Zellkappe einfach. Die elektrische
und thermische Kontaktierung des Einzelzellenmoduls und die Befestigung
der isolierten Zellkappe geschieht vorzugsweise über die Pole.
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Dabei
wird folgender Aufbau vorgesehen:
Die Verbindungsleitung 15 wird
als Feder ausgeführt. Diese
Feder ist in der Zellkappe 26 befestigt.
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Die
Feder drückt über eine
in der Zellkappe beweglich gelagerte Druckscheibe 27 auf
die Anschlußpole
der Batterie und stellt so eine elektrisch leitende Verbindung her.
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Auf
einer Seite wird zwischen der federnden Verbindungsleitung 15 und
dem Druckstück 27 ein Einzelzellenmodul 1 eingefügt.
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Damit
ist das Zellmodul leicht auswechselbar und ohne weitere Verbindungsleitungen
sicher und geschützt
in der Zellkappe untergebracht.
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Der
Zentraleinheit ist die Meß-
und Steuerzentrale des Batterieüberwachungssystems.
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Die
Zellmodule werden vorzugsweise in einem festen Zeitraster angesprochen
und melden die Zelldaten zurück.
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Die
Zentraleinheit 3 verdichtet die Daten und legt eine Einzelzellenstatistik über der
Batterielebensdauer an.
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Diese
Werte, verglichen mit einem ebenfalls abgespeicherten Zellkennfeld
(FT, Q, I, V, ...), leiten die Steuersignale
her, die an das jeweilige Einzelzellenmodul übertragen werden. Der Leistungsschalter
des Moduls wird aktiviert und ermöglicht so eine individuelle
Aufladung der Einzelzelle.
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Die
frühzeitige
Erkennung von stark streuenden Zellparameter mittels der Batteriestatistik
erlaubt eine rechtzeitige Meldung über die Diagnoseschnittstelle
beim Ser vice. Die Wartung und ein evtl. nötiger Zellaustausch werden
so rechtzeitig erkannt ohne Ausfall der Batterie im Fahrzeug. Die
Zentraleinheit gibt die Zellnummer der defekten Einzelzelle an der Diagnose
aus.
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Der
Zentraleinheit überwacht
die Ladung und die Entladung der Batterie. Die Ladung und Entladung
wird auf die schwächste
Einzelzelle angepaßt,
so daß die
natürliche
Toleranz der Zellen über der
Lebensdauer erhalten bleibt. Bei der Entladung wird abhängig vom
Ladezustand und der Temperatur der Einzelzelle, bei Unter- oder Überschreiten
einer in den Kennfeldern vorgegebenen Maximalgröße ein Signal zur Leistungsreduzierung
an den Verbraucher gegeben. Die Bypass-Stromeinschaltung, die von der
Zentraleinheit gesteuert wird, erfolgt vor zugsweise in zeitkonstanten
Blöcken
je Zelle. Die Bilanzierung der netto in die Zellen eingeladenen
Ah wird dadurch ohne große
analytischen Aufwand präzise.
Die Batterieladezustandsanzeige, die von der ladungsmäßig kleinsten
Zelle abzuleiten ist, gewinnt dadurch an Genauigkeit („Tankanzeige").
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Die
Einzelzelleneinheit enthält
vorzugsweise einen nichtflüchtigen
Speicher (EEPROM), dem bei der Batteriekonfiguration die Zelladresse
programmiert wird. Die Adresse entspricht vorzugsweise der Einzelzellennummer.
Es können
bei Bedarf aber auch andere Daten wie Fertigungsdaten oder ähnliches
abgelegt werden. Innerhalb einer Batterie muß die Adressierung der Einzelzelleneinheit
eindeutig sein.
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Im
Datenverkehr hat die Zentraleinheit 3, (1)
die Master-Funktion, die Module 1 haben Slave-Funktion.
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Die
Zentraleinheit spricht zyklisch jeweils einen Slave an, nimmt die
Kommunikation auf und empfängt
die aktuellen Meßwerte
oder Störungsmeldungen
der Module und sendet Steuerbefehle an die jeweiligen Module.
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Die
Datenübertragung
erfolgt mittels eines hochfrequenten modulierten Signals, das auf
der Stromleitung 2 übertragen
wird.
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Zentraleinheit
und Module koppeln die hochfrequenten Informationen auf gebräuchliche
Art und Weise z.B. kapazitiv oder induktiv auf die Gleichspannungs schiene
ein. Denkbar, und vor allem kostengünstiger, kann für die Übertragung
der Signale von den einzelnen Modulen zur Zentraleinheit auch eine
einzelne als Busleitung fungierende Verbindung zur Zentraleinheit
verwendet werden, die am Batteriestecker über einen zusätzlichen
Hilfspin geführt wird.
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Die
Zentraleinheit 3 sammelt alle Daten aus den einzelnen Modulen 1,
speichert diese und bereitet die Daten weiter auf wie z.B. Mittelwertbildung oder
Verknüpfung
von Daten zur Diagnose. In der Zentraleinheit werden alle physikalischen
Meßgrößen statistisch
ausgewertet und gespeichert.
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Die
Zentraleinheit kennt dadurch die Zellparameter und lädt die Einzelzellen
bedarfsgerecht und individuell verschieden auf.
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Alle
aufbereiteten Daten können
online oder offline anderen Systemen z.B. Verbrauchern, Energiemanagementsystemen
oder Batterieladegeräten (extern/intern)
zur Verfügung
gestellt werden. Die Datenübertragung
kann dabei sowohl über
eine serielle 17 als auch über eine parallele Schnittstelle 18 beliebiger
Konfiguration oder moduliert über
die Stromleitungen erfolgen.
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Off-Line
können
z.B. Diagnosedaten an ein stationäres Diagnosegerät übertragen
werden.
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Geladen
wird die Batterie durch ein Ladegerät. Normalerweise wird, durch
die Reihenschaltung bedingt, jede Einzelzelle eines Stranges mit
der gleichen Ladungsmenge beaufschlagt. Parallelschaltung von Strängen oder
durch Toleranzen unterschiedlicher Zellgrößen, ergeben unterschiedliche
Ladezustände
der Einzelzellen. Bekannte Systeme können mittels je einer zusätzlichen
Leitung eine Einzelzelle oder einen Zellblock nachladen.
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Um
den Aufwand zu minimieren, wird eine Lösung mittels eines Bypass-Stromes
vorgeschlagen (8).
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Der
Gesamtstrom 19, der in die Batterie eingespeist wird und
durch alle Einzelzellen eines Stranges fließt, kann über jeder Einzelzelle aufgeteilt
werden. Dazu dient ein Bypass-Element 7, das Teil des Einzelzellenmoduls
ist.
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Damit
kann ein bestimmter Teil der Ladung 20 an jeder einzelne
Einzelzelle vorbeigeleitet werden. Das bewirkt, daß Einzelzellen
mit geringerem Ladungsbedarf weniger Ladung 21 bekommen,
Einzelzellen mit hohem Bedarf jedoch die volle Ladung.
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Je
nach Anforderung und Batterietyp können zwei unterschiedliche
Systeme eingesetzt werden, deren Funktion die gleiche ist, die sich
jedoch im Aufbau und der Betriebsweise des Leistungsteils unterscheiden.
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Im
Bypass-Pfad sind ein Schalter 23, (10)
z.B. ein Transistor und ein Widerstand 24 angeordnet 9a.
Der Schalter ist entweder geöffnet oder
geschlossen. Im geschlossenen Zustand wird der Strom durch den Widerstand
begrenzt. Eine Leistungssteuerung ist mittels Takten des Schalters
möglich.
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Ist
eine Einzelzelle weitgehend vollgeladen, kann ein Teil der Ladung
an der Einzelzelle vorbeigeführt
werden, d.h. eine Einzelzelle wird im Vergleich mit anderen Einzelzellen
weniger geladen, d.h. die Einzelzellen erreichen zum gleichen Zeitpunkt
den gewünschten
Ladezustand. Alternative: An Einzelzellen mit geringerer Kapazität wird ebenso
ein Teil des Ladestromes über
den Bypass vorbeigeleitet. Dadurch erreichen diese das Ladeende
nicht vor sondern auch idealerweise gleichzeitig mit den schwächeren Einzelzellen.
Da die Erkennung des aktuellen Ladezustands mitunter schwierig ist,
kann vorteilhaft ein selbstlernendes System zur Anwendung kommen.
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Beim
ersten Ladevorgang wird vom System festgestellt, welche Einzelzellen
mehr oder weniger Ladung benötigen.
Diese Information wird gespeichert. Beim darauf folgenden Ladevorgang
werden die Einzelzellen, die weniger Ladung speichern können, schon
frühzeitig
mit weniger Strom beaufschlagt, d.h. die Bypass-Leitung wird früher geöffnet.
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Dieser "Lernvorgang" wird bei jeder Ladung wiederholt
und aktualisiert, nach einigen Durchläufen kann mit guter Genauigkeit
ein gleichmäßiges Ladeende
aller Einzelzellen erreicht werden.
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Beim
Entladen der Batterie übernehmen
die Module nur die Erfassung der Meßgrößen die im Zentraleinheitsteuergerät zur Bildung
der Abbuchkriterien bei entladener Batterie benötigt werden.
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Bypass-Element
mit aktiver Stromregelung
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In
dieser Ausführung
ist im Bypass-Zweig lediglich ein aktives Bauteil 25 vorgesehen
(Widerstand entfällt),
mit dem der Strom geregelt werden kann.
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Vorteil
dieser Lösung
ist, eine kostenpotimale Ausführung
der zahlreichen Module. Im Versagensfall kann dieses Bauteil einen
Kurzschluß der Zelle
darstellen, der eine Sicherung in der Zuleitung zu diesem Bauteil
zum Ansprechen bringt. Damit kann sichergestellt werden, daß sich die
Einzelzelle nach Versagen des Schalters nicht selbst entladen kann.
Das Freiwerden der Zelle im Fehlerfall des Leistungsgliedes 25 durch „Freibrennen" geschieht dabei
während
des Ladens oder Entladens. Der Stromimpuls wird dabei einer der
Traktionszellen entnommen.