DE4132229A1 - Einrichtung zur analyse und zur optimierung einer mehrzelligen batterie - Google Patents

Einrichtung zur analyse und zur optimierung einer mehrzelligen batterie

Info

Publication number
DE4132229A1
DE4132229A1 DE4132229A DE4132229A DE4132229A1 DE 4132229 A1 DE4132229 A1 DE 4132229A1 DE 4132229 A DE4132229 A DE 4132229A DE 4132229 A DE4132229 A DE 4132229A DE 4132229 A1 DE4132229 A1 DE 4132229A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
battery
selection network
measuring
lines
cells
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE4132229A
Other languages
English (en)
Other versions
DE4132229C2 (de
Inventor
Werner Retzlaff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mentzer Electronic GmbH
Original Assignee
Mentzer Electronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mentzer Electronic GmbH filed Critical Mentzer Electronic GmbH
Priority to DE4132229A priority Critical patent/DE4132229C2/de
Priority to DE4231732A priority patent/DE4231732C2/de
Publication of DE4132229A1 publication Critical patent/DE4132229A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE4132229C2 publication Critical patent/DE4132229C2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/3644—Constructional arrangements
    • G01R31/3648—Constructional arrangements comprising digital calculation means, e.g. for performing an algorithm
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019—Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • H05B41/288—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices and specially adapted for lamps without preheating electrodes, e.g. for high-intensity discharge lamps, high-pressure mercury or sodium lamps or low-pressure sodium lamps
    • H05B41/2881—Load circuits; Control thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • H05B41/288—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices and specially adapted for lamps without preheating electrodes, e.g. for high-intensity discharge lamps, high-pressure mercury or sodium lamps or low-pressure sodium lamps
    • H05B41/2885—Static converters especially adapted therefor; Control thereof
    • H05B41/2887—Static converters especially adapted therefor; Control thereof characterised by a controllable bridge in the final stage
    • H05B41/2888—Static converters especially adapted therefor; Control thereof characterised by a controllable bridge in the final stage the bridge being commutated at low frequency, e.g. 1kHz
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine microcontroller-gesteuerte Einrichtung zur Analyse und Optimierung des Ladezustandes einer mehrzelligen Batterie mit einer Einrichtung zur schaltbaren Verbindung auswählbarer Klemmenspannungen von Teilbatterien oder einer Zelle mit einer Meßeinrichtung.
Bei der Ladung und Entladung von mehrzelligen, in Serie geschalteten Batterien weisen die Klemmenspannungen der einzelnen Zellen oder Teilbatterien infolge von unvermeidlichen unterschiedlichen konstruktiven, chemischen und elektrischen Parametern der einzelnen Zellen unterschiedliche Klemmenspannungen auf. Bei der Anwendung herkömmlicher Ladegeräte, die zur Steuerung des Ladevorganges nach bekannten Ladekennlinien (UI-, W- usw.) lediglich die Klemmenspannungen einer großen Zahl der in Reihe geschalteten Zellen heranziehen, kommt es daher im Laufe der Zeit zu einer unerkannten, zunehmend unterschiedlichen Aufladung der Zellen. Dies kann soweit gehen, daß einzelne Zellen umgepolt werden. Besonders problematisch sind hierbei hermetisch geschlossene Zellen, da diese zum Erhalt des Elektrolyten die genaue Einhaltung einer maximalen Ladespannung erfordern /14/.
Weiter ist es bei Ausfall einer Batterie schwierig und zeitaufwendig, die defekte Batterie aufzufinden. Ebenso ist eine Klärung der Ausfallursache nicht elementar möglich.
Ein zusätzliches Problem tritt auf, wenn einzelne Zellen durch neue, mit eventuell im Verhältnis zu den verbliebenen Zellen stark abweichenden Parametern, ausgetauscht werden. Dieser Effekt tritt bekannterweise bei Pb-Gel-Zellen auf, deren Anfangskapazität nur etwa 70% des Endwertes beträgt, und die diese Endkapazität erst nach 20 bis 50 Zyklen erreichen. Diese Zellen können mit herkömmlichen Ladegeräten nicht angemessen geladen werden, so daß der Hersteller gezwungen ist, sogenannte vorzyklierte Zellen oder Teilbatterien bereitzustellen.
Die Erfindung berührt zwei Problemkreise, nämlich die Messung, Diagnose oder Analyse von Batterien, insbesondere die Ermittlung der momentanen Kapazität und die gezielte Nachladung ausgewählter Zellen oder Teilbatterien.
Es sind eine Reihe von Verfahren bekannt, die aus dem Klemmenverhalten der gesamten Batterie auf den Ladezustand schließen /1/, /2/, /3/.
In /4/ ist eine Anordnung beschrieben, die sich auf die Kapazitätsmessung einer aus in Reihe geschalteten Einzelelementen bestehenden Batterie bezieht. Dabei wird die gesamte Batterie mit einem Entladewiderstand belastet. Mittels eines Sequenzers werden dann zyklisch alle Elemente adressiert, und es werden die Klemmenspannungen aller Elemente nacheinander einem Komparator zugeführt. Außerdem wird die Entladezeit überwacht. Bei Unterschreitung eines Schwellwertes der Klemmenspannung eines Elements wird der zyklische Meßvorgang unterbrochen.
Bezugspotential für die Messung jeder Zellenspannung ist Massepotential, so daß die Genauigkeit bei diesem Verfahren mit steigender Elementeanzahl stark abnimmt. Weiterhin ist eine quantitative Angabe der Kapazität unmöglich - lediglich ein Schwellwert wird überwacht. Eine Nachladung einzelner Zellen während der Gesamtladung ist mit dieser Anordnung nicht möglich.
Bei der Schaltung nach /5/ wird der Verdrahtungsaufwand bei der Messung einer Vielzahl von Einzelelementen dadurch verringert, daß jede Zelle oder Gruppe von Zellen mit einer Meßschaltung verbunden ist, die über eine gemeinsame Steuerleitung und/oder Meßleitung ausgelöst wird, wobei diese Werte nacheinander über eine gemeinsame Meßleitung einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung zugeführt werden.
Das in /6/ beschriebene Batterieladesystem enthält einen Mikroprozessor und einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung und Weiterverarbeitung der elektrischen Signale, um daraus Ausgangssignale zu gewinnen, die zur Ladungssteuerung und Anzeige verwendet werden können.
Die rechnergesteuerte Anordnung nach /7/ dient zum Laden einer Vielzahl von Batterien, die verschiedenen Typs sein können und elektrisch nicht in Reihe geschaltet sind. Es wird zunächst der Typ und die Anfangsladung jeder Batterie bestimmt, und es werden dann die Batterien nacheinander in umgekehrter Reihenfolge ihrer Anfangsladung geladen.
Die Anwendungen /8/ bis /13/ stellen zum Teil sehr aufwendige Lösungen dar, gehen aber sämtlich von der Klemmenspannung der Gesamtbatterie aus.
In /15/ wird ein Ladeverfahren angegeben, das mit Hilfe eines Mikroprozessors die Ladung und Messung mehrerer Batterien gestattet.
Ferner sind noch bekannt:
  • -Automatisch gesteuertes Mikroprozessor-Batterieprüfgerät BAT-CAT der Firma ANPICO. Dieses Gerät dient ausschließlich zur Batteriediagnose. Hierbei werden die Zellenspannungen über eine Vielzahl von Analogeingängen (Meßeinschüben) mit hoher Auflösung (12 Bit) eingelesen.
  • -Batterielade und Controllsystem (BL + CS) der Firma "Hildebrand Industrie Electronic" in Dietlikon (CH). Bei diesem Gerät werden die einzelnen Zellen oder Teilbatterien über zweipolige Relais mit einem prozessorgesteuerten Meß- und Ladegerät verbunden, wobei je Zelle ein Relais vorhanden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Voraussetzungen für eine neuartige, kostengünstige Realisierung einer mikrocontroller­ gesteuerten Einrichtung der eingangs genannten Art mit folgenden Eigenschaften zu schaffen:
  • -Die Vermeidung der Überladung einzelner Zellen,
  • -die Vermeidung der Tiefentladung einzelner Zellen,
  • -die Zulassung nicht vorzyklierter Austauschbatterien,
  • -die Optimierung des Gesamtladezustandes der Batterie,
  • -die Möglichkeit einer Post-Mortem-Analyse zur Klärung der Ausfallursache,
  • -die Vorhersage eines in naher Zukunft zu erwartenden Ausfalls einer Zelle oder Teilbatterie.
Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht.
Mit der Erfindung werden folgende technische Probleme auf besonders einfache Weise gelöst:
  • -Die Messung aller Zellenspannungen mit einer Auflösung im 10 mV-Bereich bei gleichzeitig vorhandener sehr hoher Genauigkeit im 100 V-Bereich,
  • -die gezielte Nachladung einzelner Zellen oder Teilbatterien,
  • -die Selektion einzelner Zellen oder Teilbatterien als Voraussetzung für die beiden oben genannten Optionen.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 Schematisch den schaltungsmäßigen Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 2 eine genauere Darstellung der Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten der Schaltung nach Fig. 1 und
Fig. 3 ein spezielles Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Die Einrichtung nach Fig. 1 enthält einen Microcontroller 7 mit binären Ein/Ausgängen und analogen Eingängen, ein erstes Selektionsnetzwerk 2, mit welchem alle zu betrachtenden Knotenpunkte der in Reihe geschalteten Einzelzellen oder Teilbatterien einer Batterie 1 mit einem System von Doppelleitungen 3 schaltbar verbunden werden können. Jede der Leitungen des Systems von Doppelleitungen 3 ist mit je einem Eingang eines Überwachungsnetzwerkes 6 verbunden, dessen Ausgang mit einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden ist. Das System von Doppelleitungen 3 ist ferner mit einem zweiten Selektionsnetzwerk 5 verbunden, in welchem eine der Doppelleitungen 3 mit einer Nachladeeinrichtung 4 schaltbar verbunden werden kann, und in welchem das System von Doppelleitungen mit einem zweiten Selektionsnetzwerk 5 zusammengeschaltet werden kann, das mindestens zwei Ausgangsleitungen besitzt, die mit den Eingängen einer aus mindestens einem RC-Filter bestehenden Filterbaugruppe 8 verbunden sind. In einem dritten Selektionsnetzwerk 9 kann eines der RC-Filter der Filtergruppe 8 mit dem Eingang eines Spannungsmeßsystems 10 zusammengeschaltet sein, dessen Ausgang mit einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden ist.
Die Lade- und Entlade- und ggf. Rekuperationsströme werden mittels einer Stromerfassung 11, die je einen Meßshunt für den Ladestrom und den Entlade-/Rekuperationsstrom enthält, einem Strommeßsystem 12 zugeführt, dessen Ausgänge mit den Analogeingängen des Microcontrollers verbunden sind. Die Meßshunts sind je mit einer Klemme mit dem Minuspol der Batterie 1 und einem gemeinsamen Meßeingang (Nullpunkt) der Meßeinrichtung 12 verbunden. Das Strommeßsystem 12 enthält für die Messung des Entlade-/Rekuperations­ stromes einen invertierenden Single-Supply-Operationsverstärker, dessen negative Versorgungsspannung mit dem Nullpunkt der Meßeingänge bzw. dem Minuspol der Batterie 1 verbunden ist und dessen beide Eingänge mit dem Shunt 11 galvanisch verbunden sind. Die Ausgänge beider Verstärker sind mit je einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden.
Eine Präzisierung der Art und Weise der Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten erfolgt anhand der Fig. 2. Die n zu messenden oder nachzuladenden Zellen oder Teilbatterien 1.1 bis 1.n können mit Hilfe eines aus m untereinander gleichartigen, mehrpoligen Relais 2.1 bis 2.m mit geradzahliger Anzahl I von Arbeitskontakten bestehenden ersten Selektionsnetzwerkes 2 dergestalt mit einem in deiner Anzahl mit der Kontaktanzahl der Relais 2 übereinstimmenden System von Doppelleitungen 3.1 bis 3.I schaltbar verbunden werden, daß je eine Doppelleitung 3 einem Bereich aufeinanderfolgender Zellen oder Teilbatterien zugeordnet ist, wobei aufeinanderfolgende Batterieknotenpunkte von in ihren Ordnungsnummern aufeinanderfolgenden Relais 2 abwechselnd mit je einer der beiden Leitungen der dem jeweiligen Batteriebereich zugeordneten Doppelleitungen zusammengeschaltet werden können.
Die Potentiale aller Doppelleitungen 3 werden in einer aus einem Diodennetzwerk mit gemeinsamer Kathode und einem Spannungsteiler bestehenden Überwachungsnetzwerk 6 zu einem Leitungszustandssignal verdichtet, mit dessen Hilfe der Microcontroller das höchste Potential innerhalb sämtlicher Leitungen der Doppelleitungen 3 erkennen und verarbeiten kann.
Im zweiten Selektionsnetzwerk 5 kann jeweils eine der Doppelleitungen 3 mit einer potentialfreien Energiequelle zur Nachladung derart schaltbar verbunden werden, daß die mit Hilfe zweier benachbarter Relais 2 angesprochene Zelle oder Teilbatterie 1.x polrichtig mit der Nachladeeinrichtung 4 verbunden ist. Die Energieversorgung für die Nachladeeinrichtung 4 kann aus einer externen Quelle oder vorzugsweise mit Hilfe eines DC-DC-Wandlers mit Potentialtrennung aus der Batterie 1 erfolgen.
Das zweite Selektionsnetzwerk 5 ist außerdem mit einer aus mindestens einem und höchstens aus einer der Anzahl der Doppelleitungen 3 entsprechenden Anzahl von RC-Gliedern 8 verbunden, so daß jeweils mindestens ein Kondensator mit mindestens einer der im zweiten Selektionsnetzwerk 5 ausgewählten Doppelleitungen zusammengeschaltet werden kann. In einem Schaltwerk 9 wird jeweils einer der Kondensatoren ausgewählt und einem für die Verarbeitung von Eingangsspannungen beider Polarität ausgestatteten Meßsystem 10 zugeführt, in welchem eine im Schaltwerk 9 ausgewählte Kondensatorspannung für die Messung durch den Mikrorechner aufbereitet wird.
Bei Anwendung der beschriebenen Anordnung beträgt die Anzahl der notwendigen Relais im ersten Selektionsnetzwerk lediglich n DIVK + 1, wenn n die Zellen- oder Teilbatterieanzahl ist und K die Kontaktzahl der Relais 2 angibt. Weiterhin werden die gleichen Relais 2 sowohl für die Messung, als auch für die Nachladung verwendet.
In Fig. 3 ist die Schaltungsanordnung eines speziellen Ausführungsbeispiels dargestellt, das für die Analyse und die Nachladung von maximal 40 Zellen oder Teilbatterien vorgesehen ist. Wenn k Eingangsklemmen des aus Relais mit je vier Arbeitskontakten bestehenden Selektionsnetzwerkes 2 in der dargestellten Weise fortlaufend durchnummeriert werden und n die Anzahl der tatsächlich vorhandenen Zellen oder Teilbatterien angibt, so ist die Anschlußzuordnung zwischen der i-ten Minuspolklemme einer Zelle oder Teilbatterie und der j-ten Eingangsklemme des ersten Selektionsnetzwerkes 2 durch die Beziehung
i = 1 + [((j-1)MOD4) * d) + ((j-1)DIV4] (1)
gegeben, wobei für d gilt:
d = (n + 3)DIV4 (2)
Die Anzahl der mindestens benötigten Relais beträgt d + 1. Der Batterieklemmenindex i = n + 1 gehört zur negativen Klemme der nicht vorhandenen n+ersten Zelle oder Teilbatterie und bezeichnet die positive Klemme der n-ten Zelle oder Teilbatterie.
Das zweite Selektionsnetzwerk 5 besteht aus zwei vierpoligen Relais 5.1 und 5.2, die so geschaltet sind, daß aus den vier Doppelleitungen 3.1 bis 3.4 zwei ausgewählt werden können. Die Relais 5.3 bis 5.5 gestatten die polrichtige Anschaltung der Nachladeeinrichtung 4 an eine der mit den Relais 5.1 oder 5.2 ausgewählten Doppelleitungen.
Die Filterbaugruppe 8 enthält für jede dieser zwei Doppelleitungen ein RC-Filter mit untereinander gleichen Widerständen 8.1 und den Kondensatoren 8.2. Das dritte Selektionsnetzwerk 9 besteht lediglich aus einem Relais mit zwei Wechselkontakten. Das Spannungsmeßsystem 10 enthält zwei gleiche Strombegrenzungswiderstände 13, vier Low-Leakage-Begrenzungsdioden 15, zwei Symmetrierwiderstände 14, einen Filterkondensator 19, einen Single-Supply-Operationsverstärker 18, einen Rückkopplungswiderstand 16 und einen pull-down-Widerstand 17. Einer der in Reihe geschalteten Symmetrierwiderstände 14 ist mit einer für die Funktion des ADC erforderlichen, hier jedoch nicht näher betrachteten Referenzspannung Uref verbunden, und es ist die Ausgangsspannung Uc mit einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden.
Die Gesamtfunktion der Einrichtung kann entsprechend der weiter oben angegebenen Zielstellung in die folgenden Komponenten gegliedert werden :
1. Zyklisch fortwährende Analyse des Ladezustandes der einzelnen Zellen oder Teilbatterien,
2. bedarfsgerechtes Nachladen einzelner Zellen oder Teilbatterien,
3. Schutz- und Überwachungsfunktionen mit Strommessung,
4. Bedienung und Anzeige/Ausgabe von wählbaren Analyseergebnissen.
Für die vorliegende Erfindung sind dabei zwei Grundoperationen von besonderem Interesse. Diese werden im folgenden beschrieben:
  • -Messung der Klemmenspannung der selektierten Zelle oder Teilbatterie,
  • -Nachladung einer ausgewählten Zelle.
Voraussetzung für beide Operationen ist die beschriebene Einrichtung zur Selektion einer Zelle oder Teilbatterie.
Messung einer Teilspannung
Zunächst sind alle Relais entregt. Dann wird Relais 9 durch den Microcontroller so angesteuert, daß der für die anschließende Spannungsmessung nicht interessierende Kondensator 8.2 mit dem Eingang des Meßsystems 10 verbunden ist. Danach werden zwei benachbarte Relais 21.2(i+1) und eines der Relais 5.1 bis 5.2 so vom Microcontroller angesteuert, daß der nicht mit dem Eingang des Meßsystems 10 verbundene Kondensator 8.2 mit der zu messenden Zelle oder Teilbatterie verbunden ist. Dieser aktuelle Meßkondensator lädt sich über die Strombegrenzungswiderstände 8.1 auf den Wert der zu messenden Klemmenspannung unverfälscht auf, da er nicht über die Eingangswiderstände 13 mit dem Eingang des Meßsystems 10 verbunden ist. Somit kann beim anschließenden - technisch real nicht zeitsynchronen - Öffnen der Kontakte des Relais 5.1 oder 5.2 auch kurzzeitig kein einer möglichen, relativ hohen Gleichtaktspannung entsprechender Fehlerstrom über die Widerstände 13 zu einer Ladungsverschiebung im aktuellen Meßkondensator 8.2 führen.
Nach dem controllergesteuerten Öffnen der Kontakte von Relais 5.1 oder 5.2 wird Relais 9 umgeschaltet, so daß der aktuelle Meßkondensator mit dem Eingang des Meßsystems 10 verbunden ist und nach Ablauf einer durch die Zeitkonstante R14/2-C19 der Slew-Rate des Operations­ verstärkers 19 und einer, möglicherweise infolge hoher Gleichtaktspannung an den Widerständen 13 unmittelbar zuvor verursachten Übersteuerung des Operationsverstärkers bestimmten Übergangszeit am Ausgang Uc eine der zu messenden Zellen- oder Teilbatteriespannung entsprechende Ausgangsspannung zum Einlesen durch den Microcontroller zur Verfügung steht.
Nachladen einer Zelle oder Teilbatterie
Zunächst sind alle Relais entregt. Dann wird mit den Relais 2, 5.1 oder 5.2 und dem Relais 5.3 ein solcher Strompfad geschaffen, daß die Wechselkontakte von Relais 5.3 mit der nachzuladenden Zelle oder Teilbatterie verbunden sind. Bis zu diesem Zeitpunkt schalten alle Relais im stromlosen Zustand. Dann wird entsprechend der Polarität Relais 5.4 oder 5.5 zugeschaltet, wodurch der Ausgang der Nachladeeinrichtung 4 mit der adressierten Zelle oder Teilbatterie verbunden ist. Wenn die Strom- oder Spannungsquelle der Nachladeein­ richtung 4 nicht vom Microcontroller auftastbar ist, so schaltet Relais 5.4 bzw. 5.5 den Ladestrom ein, bei elektronischer Auftastung der Nachladeeinrichtung schaltet Relais 5.4 bzw. 5.5 stets lastfrei. Die Abschaltung des Ladestromes erfolgt in umgekehrter Reihenfolge, so daß in jedem Falle nur Relais 5.4 oder 5.5 unter Last schaltet.
Schutz und Überwachung
Um sicherzustellen, daß es bei dem relativ komplizierten Ablauf und der Vielzahl von beteiligten Relaiskontakten zu keiner Havarie und insbesondere zu keinen Kurzschlußschaltungen kommen kann, wird erfindungsgemäß so vorgegangen, daß sämtliche Leitungen der Doppelleitungen 3 in einer Überwachungsbaugruppe 7 zu einem Analogwert verdichtet werden, der vom Microcontroller gelesen werden kann. Das Bezugspotential des Microcontrollers (Groundpotential für Analogmessung) für diese Messung ist der Minuspol der Batterie. In dieser Baugruppe wird jede der Doppelleitungen mit je einer Anode einer hochsperrenden Diode verbunden, deren Kathoden parallel geschaltet und mit dem Eingang eines Spannungsteilers verbunden sind, an dessem Ausgang die als Analogwert UO vorliegende Leitungs­ zustandsinformation vom Microcontroller eingelesen werden kann. Mit dieser Anordnung ist jeweils das höchste positive Potential auf den Doppelleitungen 3 erfaßbar. Die Überwachungsbaugruppe kann auch aus einem Widerstandsnetzwerk bestehen, wodurch bei Verwendung von Präzisionswiderständen ein Leitungszustandssignal mit höherem Informationsgehalt bereit steht.
Vor jedem Zuschalten eines beliebigen Relais der Baugruppe 3 kann somit vom Microcontroller geprüft werden, ob die Spannungspegel auf den Leitungen den Erwartungen entsprechen, so daß bei Abweichungen eine Information über das vermutlich defekte Relais ausgegeben werden kann.
Strommessung
Wird der Shunt 11 vom Entlade- oder Rekuperationsstrom durchflossen, so entsteht an seiner mit dem Meßeingang verbundenen Klemme gegenüber dem Minuspol der Batterie bzw. dem Nullpunkt des Strom­ meßsystems 12 eine je nach Stromrichtung gepolte Spannung. Je einer der mit dem Shunt verbundenen Single-Supply-Operationsverstärker wird dadurch entweder übersteuert oder liefert an seinem Ausgang eine dem Strom proportionale Spannung. Da beide Verstärkerausgänge IB und IF dem Microcontroller 7 zugeführt werden, kann dieser erkennen, in welcher Richtung der Strom fließt und welche Größe er hat.

Claims (6)

1. Microcontroller-gesteuerte Einrichtung zur Analyse und Optimierung des Ladezustandes einer mehrzelligen Batterie mit einer Einrichtung zur schaltbaren Verbindung auswählbarer Klemmenspannungen von Teilbatterien oder Zellen mit einer Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein erstes, aus mehrpoligen, untereinander gleichartigen Relais mit vorzugsweise gerader Anzahl von Arbeitskontakten aufgebautes Selektionsnetzwerk enthält mit welchem alle mit der Einrichtung zu kontaktierenden Knotenpunkte der in Reihe geschalteten Einzelzellen oder Teilbatterien einer Batterie über mindestens einen Relaiskontakt mit einem in seiner Leitungsanzahl mit der Kontaktzahl der Relais übereinstimmenden System von Doppelleitungen schaltbar verbunden werden können, wobei je eine Doppelleitung einem Bereich aufeinanderfolgender Zellen oder Teilbatterien so zugeordnet ist, daß aufeinanderfolgende Batterieknotenpunkte von in ihren Ordnungsnummern aufeinanderfolgenden Relais abwechselnd mit je einer der beiden Leitungen der dem jeweiligen Batteriebereich zugeordneten Doppelleitungen kontaktiert werden, und wobei das System von Doppelleitungen mit den Eingängen eines zweiten Selektionsnetzwerkes verbunden ist, welches mindestens zwei Ausgangsleitungen besitzt, die mit den Eingängen einer aus mindestens einem RC-Filter bestehenden Filterbaugruppe verbunden sind, deren Ausgänge mit einem dritten Selektionsnetzwerk derart verbunden sind, daß jeweils eines der RC-Filter der Filterbau= gruppe mit dem Eingang eines Spannungsmeßsystems zusammengeschaltet werden kann.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Selektionsnetzwerk aus einem einzigen Relais mit zwei Wechselkontakten besteht, welches im Zusammenwirken mit den Relais des ersten und des zweiten Selektionsnetzwerkes derart angesteuert wird, daß in einer ersten Phase eines Meßvorganges die Klemmen der zur Messung vorgesehenen Zelle oder Teilbatterie mit einem der aus zwei RC-Gliedern bestehenden Filterbaugruppe verbunden sind, wobei der Ausgang der Filterbaugruppe in dieser Phase nicht mit dem Eingang des Spannungsmeßsystems verbunden ist, und daß in der sich anschließenden zweiten Phase eines Meßvorganges das Relais des dritten Selektionsnetzwerkes umgeschaltet wird, nachdem die Relaiskontakte des zweiten Selektionsnetzwerkes geöffnet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Leitungen des Systems von Doppelleitungen mit je einer Anode eines aus einem Diodennetzwerk mit gemeinsamer Kathode und nachgeschaltetem Spannungsteiler bestehenden Überwachungsnetzwerkes verbunden ist, dessen Ausgang mit einem Analogeingang des Microcontrollers verbunden ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Selektionsnetzwerk jeweils eine der Doppelleitungen mit einer potentialfreien Nachladeeinrichtung derart schaltbar verbunden wird, daß die mit Hilfe des ersten und zweiten Selektionsnetzwerkes angesprochene Zelle oder Teilbatterie polrichtig mit der Nachladeeinrichtung schaltbar verbunden werden kann, so daß das erste und zweite Selektionsnetzwerk sowohl für die Messung als auch für die Ladung auswählbarer Zellen oder Teilbatterien verwendet werden kann.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie für die Nachladeeinrichtung zur Ladungsoptimierung ausgewählter Zellen oder Teilbatterien mit Hilfe eines DC-DC-Wandlers unabhängig von Einsatzort, -zeit und Betriebszustand der Batterie aus der Batterie selbst gewonnen werden kann.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlade- und Rekuperationsströme der Batterie mittels eines Meßshunts und eines Strommeßsystems gemessen werden, wobei eine Klemme des Meßshunts mit dem Minuspol der Batterie und einem Meßeingang (Nullpunkt) des Strommeßsystems verbunden ist, und die zweite Shuntklemme mit einem zweiten Meßeingang des Strommeßsystems galvanisch verbunden ist, das je einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Single-Supply-Operationsverstärker enthält, dessen negative Versorgungsspannung mit dem Nullpunkt der Meßeingänge bzw. dem Minuspol der Batterie verbunden ist, und deren Eingänge des invertierenden und des nichtinvertierenden Verstärkers mit dem zweiten Meßeingang verbunden sind, und deren beide Ausgänge mit je einem Analogeingang des Microcontrollers verbunden sind.
DE4132229A 1991-09-27 1991-09-27 Mikrocontroller-gesteuerte Einrichtung zur Analyse des Ladezustands einer mehrzeiligen Batterie Expired - Fee Related DE4132229C2 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4132229A DE4132229C2 (de) 1991-09-27 1991-09-27 Mikrocontroller-gesteuerte Einrichtung zur Analyse des Ladezustands einer mehrzeiligen Batterie
DE4231732A DE4231732C2 (de) 1991-09-27 1992-09-22 Verfahren zum Laden einer mehrzelligen Batterie

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4132229A DE4132229C2 (de) 1991-09-27 1991-09-27 Mikrocontroller-gesteuerte Einrichtung zur Analyse des Ladezustands einer mehrzeiligen Batterie

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE4132229A1 true DE4132229A1 (de) 1993-04-08
DE4132229C2 DE4132229C2 (de) 1994-02-24

Family

ID=6441639

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE4132229A Expired - Fee Related DE4132229C2 (de) 1991-09-27 1991-09-27 Mikrocontroller-gesteuerte Einrichtung zur Analyse des Ladezustands einer mehrzeiligen Batterie

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE4132229C2 (de)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4338178A1 (de) * 1993-11-09 1995-05-11 Licentia Gmbh Anordnung zur Überwachung des Zustands von Brennstoffzellen-Modulen
AU664513B2 (en) * 1993-03-12 1995-11-16 Globe-Union Inc. State of charge indicator for deep-cycle applications
DE19605481C1 (de) * 1996-02-14 1997-06-12 Siemens Ag Batteriemeßmodul für eine USV-Batterie
EP0798839A2 (de) * 1996-03-25 1997-10-01 General Motors Corporation Verteiltes Verwaltungsapparat für Batterie-Pack
US5698967A (en) * 1995-04-03 1997-12-16 Electrosource, Inc. Battery management system
US6020718A (en) * 1996-07-01 2000-02-01 Fujitsu Limited Battery capacity predicting method, battery unit and apparatus using battery unit
US6437538B1 (en) 1999-10-21 2002-08-20 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Battery voltage measurement apparatus
AT503204B1 (de) * 2006-02-02 2008-05-15 Wieger Martin Dipl Ing Verfahren und anordnung zur veränderung des lade- und gesundheitszustandes (soc, soh) eines akkumulators
DE19810746B4 (de) * 1998-03-12 2008-10-16 Varta Automotive Systems Gmbh Platine mit einer Schaltung zur Überwachung einer mehrzelligen Akkumulatorenbatterie
WO2009059657A2 (de) * 2007-11-07 2009-05-14 Braun Gmbh Schaltungsanordnung mit einer akkumulatorkaskade
US20140042974A1 (en) * 2011-04-22 2014-02-13 Sk Innovation Co., Ltd. Detachable battery module, and method and apparatus for the charge equalization of a battery string using same

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0012315A1 (de) * 1978-12-07 1980-06-25 Société Anonyme dite SAFT Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des Ladezustandes eines Akkumulators
EP0067590A1 (de) * 1981-06-05 1982-12-22 Firing Circuits Inc. Verfahren und Vorrichtung zum Aufladen einer Batterie
EP0067589A1 (de) * 1981-06-05 1982-12-22 Firing Circuits Inc. Verfahren und Vorrichtung zum Testen einer Batterie
EP0071816A1 (de) * 1981-08-03 1983-02-16 Möhrstedt, Udo Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Ladezustandes einer Batterie
EP0074444A1 (de) * 1980-03-05 1983-03-23 Jerome Hal Lemelson System für wiederaufladbare Batterien
EP0090699A1 (de) * 1982-03-17 1983-10-05 Regie Nationale Des Usines Renault Verfahren und Schaltung zur Messung des Ladezustandes eines elektrochemischen Stromerzeugers während des Betriebs
EP0112242A1 (de) * 1982-12-13 1984-06-27 Electricite De France Anordnung zum Überprüfen der Leistungsfähigkeit einer Batterie von Akkumulatorelementen
EP0121325A2 (de) * 1983-03-04 1984-10-10 Electronic Designs (I.W.) Limited Ladung von Batterien
US4484140A (en) * 1982-04-23 1984-11-20 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Battery scanning system
EP0181112A2 (de) * 1984-10-29 1986-05-14 Christie Electric Corp. Steuerungsvorrichtung für ein Batterieladegerät
EP0277321A1 (de) * 1987-01-29 1988-08-10 Accumulatorenfabrik Sonnenschein Gmbh Schaltung zur laufenden Überprüfung der Qualität einer mehrzelligen Batterie
EP0293664A2 (de) * 1987-06-01 1988-12-07 Power-Tech Systems Corporation Universalverfahren und -vorrichtung zur Ladung einer Batterie
EP0314155A2 (de) * 1987-10-30 1989-05-03 Anton/Bauer, Inc. Batterieladesystem
GB2216277A (en) * 1988-03-02 1989-10-04 Beghelli G P B Srl Controlling and diagnosing the charge level of batteries
EP0336381A2 (de) * 1988-04-05 1989-10-11 Bradenahl, Daisy Verfahren zum Laden und gleichzeitigen Prüfen des Zustandes eines Nickelcadmium-Akkumulators
EP0339446A2 (de) * 1988-04-23 1989-11-02 Accumulatorenfabrik Sonnenschein Gmbh Verfahren zum Laden von Bleiakkumulatoren
EP0361859A2 (de) * 1988-09-26 1990-04-04 Eveready Battery Company, Inc. Batterieladegeräte

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0012315A1 (de) * 1978-12-07 1980-06-25 Société Anonyme dite SAFT Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des Ladezustandes eines Akkumulators
EP0074444A1 (de) * 1980-03-05 1983-03-23 Jerome Hal Lemelson System für wiederaufladbare Batterien
EP0067590A1 (de) * 1981-06-05 1982-12-22 Firing Circuits Inc. Verfahren und Vorrichtung zum Aufladen einer Batterie
EP0067589A1 (de) * 1981-06-05 1982-12-22 Firing Circuits Inc. Verfahren und Vorrichtung zum Testen einer Batterie
EP0071816A1 (de) * 1981-08-03 1983-02-16 Möhrstedt, Udo Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Ladezustandes einer Batterie
EP0090699A1 (de) * 1982-03-17 1983-10-05 Regie Nationale Des Usines Renault Verfahren und Schaltung zur Messung des Ladezustandes eines elektrochemischen Stromerzeugers während des Betriebs
US4484140A (en) * 1982-04-23 1984-11-20 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Battery scanning system
EP0112242A1 (de) * 1982-12-13 1984-06-27 Electricite De France Anordnung zum Überprüfen der Leistungsfähigkeit einer Batterie von Akkumulatorelementen
EP0121325A2 (de) * 1983-03-04 1984-10-10 Electronic Designs (I.W.) Limited Ladung von Batterien
EP0181112A2 (de) * 1984-10-29 1986-05-14 Christie Electric Corp. Steuerungsvorrichtung für ein Batterieladegerät
EP0277321A1 (de) * 1987-01-29 1988-08-10 Accumulatorenfabrik Sonnenschein Gmbh Schaltung zur laufenden Überprüfung der Qualität einer mehrzelligen Batterie
EP0293664A2 (de) * 1987-06-01 1988-12-07 Power-Tech Systems Corporation Universalverfahren und -vorrichtung zur Ladung einer Batterie
EP0314155A2 (de) * 1987-10-30 1989-05-03 Anton/Bauer, Inc. Batterieladesystem
GB2216277A (en) * 1988-03-02 1989-10-04 Beghelli G P B Srl Controlling and diagnosing the charge level of batteries
EP0336381A2 (de) * 1988-04-05 1989-10-11 Bradenahl, Daisy Verfahren zum Laden und gleichzeitigen Prüfen des Zustandes eines Nickelcadmium-Akkumulators
EP0339446A2 (de) * 1988-04-23 1989-11-02 Accumulatorenfabrik Sonnenschein Gmbh Verfahren zum Laden von Bleiakkumulatoren
EP0361859A2 (de) * 1988-09-26 1990-04-04 Eveready Battery Company, Inc. Batterieladegeräte

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU664513B2 (en) * 1993-03-12 1995-11-16 Globe-Union Inc. State of charge indicator for deep-cycle applications
DE4338178A1 (de) * 1993-11-09 1995-05-11 Licentia Gmbh Anordnung zur Überwachung des Zustands von Brennstoffzellen-Modulen
DE4338178C2 (de) * 1993-11-09 2003-04-30 Aeg Energietechnik Gmbh Anordnung zur Überwachung des Zustands von Brennstoffzellen-Modulen
US5698967A (en) * 1995-04-03 1997-12-16 Electrosource, Inc. Battery management system
US5701068A (en) * 1995-04-03 1997-12-23 Electrosource, Inc. Battery management system
DE19605481C1 (de) * 1996-02-14 1997-06-12 Siemens Ag Batteriemeßmodul für eine USV-Batterie
EP0798839A2 (de) * 1996-03-25 1997-10-01 General Motors Corporation Verteiltes Verwaltungsapparat für Batterie-Pack
EP0798839A3 (de) * 1996-03-25 1998-06-10 General Motors Corporation Verteiltes Verwaltungsapparat für Batterie-Pack
US6020718A (en) * 1996-07-01 2000-02-01 Fujitsu Limited Battery capacity predicting method, battery unit and apparatus using battery unit
DE19810746B4 (de) * 1998-03-12 2008-10-16 Varta Automotive Systems Gmbh Platine mit einer Schaltung zur Überwachung einer mehrzelligen Akkumulatorenbatterie
US6437538B1 (en) 1999-10-21 2002-08-20 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Battery voltage measurement apparatus
AT503204B1 (de) * 2006-02-02 2008-05-15 Wieger Martin Dipl Ing Verfahren und anordnung zur veränderung des lade- und gesundheitszustandes (soc, soh) eines akkumulators
WO2009059657A2 (de) * 2007-11-07 2009-05-14 Braun Gmbh Schaltungsanordnung mit einer akkumulatorkaskade
WO2009059657A3 (de) * 2007-11-07 2009-11-12 Braun Gmbh Schaltungsanordnung mit einer akkumulatorkaskade
CN101849193B (zh) * 2007-11-07 2013-03-06 博朗有限公司 具有电池级联的电路布置
US20140042974A1 (en) * 2011-04-22 2014-02-13 Sk Innovation Co., Ltd. Detachable battery module, and method and apparatus for the charge equalization of a battery string using same
US20170288422A1 (en) * 2011-04-22 2017-10-05 Sk Innovation Co., Ltd. Charge equalization apparatus for a battery string
US10680447B2 (en) * 2011-04-22 2020-06-09 Sk Innovation Co., Ltd. Charge equalization apparatus for a battery string

Also Published As

Publication number Publication date
DE4132229C2 (de) 1994-02-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0589287A2 (de) Verfahren zum Laden einer mehrzelligen Batterie
DE102014222676B4 (de) Überwachen der spannung eines batteriesatzes in einem elektrofahrzeug
DE102005041824A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Ladungsausgleich zwischen den Einzelzellen eines Doppelschichtkondensators, insbesondere in einem Mehrspannungs-Kraftfahrzeugbordnetz
EP3503343A1 (de) Elektrisches system und verfahren zur diagnose der funktionsfähigkeit von leistungsrelais in einem elektrischen system
EP0080164A2 (de) Überwachungseinrichtung für eine Batterie
DE4402716C2 (de) Abschätzung der Lebensdauer und der Kapazität eines Energiespeichers
EP0582913A1 (de) Schaltungsvorrichtung
DE102018214609A1 (de) Akkupack sowie Ladeverfahren für ein Akkupack
EP1671142B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum messen einzelner zellenspannungen in einem zellenstapel eines energiespeichers
EP2419750A1 (de) Ermittlung des innenwiderstands einer batteriezelle einer traktionsbatterie bei einsatz von resistivem zellbalancing
DE102011009474A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Überwachen und Symmetrieren eines mehrzelligen Energiespeicherstapels
DE102012222720A1 (de) Batteriemanagementsystem und Batteriesystem
DE4132229C2 (de) Mikrocontroller-gesteuerte Einrichtung zur Analyse des Ladezustands einer mehrzeiligen Batterie
DE102014206694A1 (de) Vorladeschaltanordnung, Spannungsversorgungsanordnung und Verfahren zum Verbinden eines Verbrauchers mit einer Gleichspannungs-Hochspannungsquelle
DE4231732C2 (de) Verfahren zum Laden einer mehrzelligen Batterie
DE102019219349A1 (de) Erdschlusserfassungsvorrichtung
EP3314275B1 (de) Messanordnung zum erkennen einer fehlfunktion in einer energiespeicheranordnung
DE10100945B4 (de) Verfahren und Anordnung zum Laden von seriell geschalteten Batteriezellen
EP0122473B1 (de) Verfahren zur Überwachung der Ladung von Batterien
EP3314276B1 (de) Messanordnung zum erkennen einer fehlfunktion einer energiespeicheranordnung
DE102012215063A1 (de) Überwachungsschaltung für ein Schütz
WO2021089253A1 (de) Batteriesystem für ein elektrofahrzeug, verfahren zur diagnose eines batteriesystems und elektrofahrzeug
DE102007029956A1 (de) Verfahren zur Bestimmung des irreversiblen Kapazitätsverlustes bei Li-Ionen-Batterien
DE102019135585A1 (de) Elektronik
DE202023105085U1 (de) Batteriemodul

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
D2 Grant after examination
AG Has addition no.

Ref country code: DE

Ref document number: 4231732

Format of ref document f/p: P

8364 No opposition during term of opposition
AG Has addition no.

Ref country code: DE

Ref document number: 4231732

Format of ref document f/p: P

8339 Ceased/non-payment of the annual fee