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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwaltung von Batterieenergie.
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In
Anwendungen, wo mehrere Batterien als Energiespeichermittel verwendet
werden, können unausgewogene
Ladezustände
der Batterien von einer Reihe von Ursachen hervorgerufen werden.
So kann es bei Batterien z.B. zu einer "Selbstentladung" kommen, die eine Funktion der Batterietemperatur ist,
wobei sich wärmere
Batterien im typischen Falle stärker
selbstentladen als kühlere
Batterien. Demzufolge zeigen wärmere
Batterien im Verlauf der Zeit einen niedrigeren Ladezustand als
kühlere
Batterien. Zusätzliche
Faktoren wie Herstellungsabweichungen, das Alter der Batterien oder
andere Faktoren können
sich auch auf die Selbstentladerate der Batterien auswirken.
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Unausgewogene
Ladezustände
von Batterien sind nachteilig. Wenn ein Batteriepaket mit mehreren
in Reihe geschalteten Batterien verwendet wird, wie es z.B. für ein Elektrofahrzeug typisch
ist, wird das Energieabgabevermögen
des Batteriepaketes durch die Batterie mit dem niedrigsten Ladepegel beschränkt. Wenn
diese Batterie leer ist, ist auch das praktische Vermögen des
Batteriepakets, Energie weiter abzugeben, aufgebraucht. Dies trifft
zu, obwohl alle anderen Batterien im Batteriepack noch unverbraucht
sein können.
Somit beeinträchtigen
Ungleichgewichte des Ladezustandes der Batterien die Fähigkeit
dieser Batterien, ihre Energieabgabekapazität voll auszuschöpfen.
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Verschiedene
Verfahren zum Vergleichmäßigen der
Ladezustände
von Batterien sind schon vorgeschlagen worden. Mehrere dieser Verfahren
werden dann angewendet, wenn die Batterien geladen werden. Ein solches
Verfahren beinhaltet einfach das Laden der Batterien mit einem konstanten
Reihenstrom, bis alle Batterien vollständig geladen sind. Ein erheblicher
Nachteil dieses Verfahrens ist, daß die Batterien, die bei Beginn
des Ladevorganges schon einen höheren
Ladestand aufweisen, weiter Strom empfangen, nachdem sie schon voll
geladen sind. Dies kann negative Auswirkungen auf die Batterielebensdauer
haben. Auch kann die beim Durchleiten von Strom durch eine voll
geladene Batterie erzeugte Wärme
Temperaturgefälle
zwischen den Batterien in einem Batteriepaket verursachen. Temperaturgefälle zwischen
Batterien sind jedoch nachteilig, weil sie zumindest aus dem oben
erläuterten
Grund unterschiedliche Selbstentladekurven unter den Batterien fördern.
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Ein
zweites Ladeabgleichverfahren, das für den Einsatz beim Laden von
Batterien vorgeschlagen worden ist, beinhaltet das Laden der Batterien mit
einem relativ hohen Reihenstrom, bis eine der Batterien voll geladen
ist. Danach wird der Ladestrom auf einen Kleinst- oder "Rieselstrom" reduziert, bis alle übrigen Batterien
geladen sind. Zwar kann dieses Verfahren helfen, die soeben erläuterten
Probleme mit der Batterielebensdauer und Temperaturgefällen zu
mindern, die Probleme sind aber weiterhin vorhanden. Außerdem kann
das Absenken des Ladestromes auf einen kleinen "Rieselstrom" zu einer sehr langen Ladezeit führen, bis
alle Batterien voll geladen sind. Gerade bei einem elektrischen
Fahrzeug jedoch sind kurze Ladezeiten ein sehr wichtiges Merkmal.
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Ein
drittes Ladeabgleichverfahren beim Laden von Batterien ist vorgeschlagen
worden, das wiederum das Laden der Batterien mit einem relativ hohen
Reihenstrom beinhaltet, bis eine der Batterien voll geladen ist.
Es sind Mittel vorgesehen, um den Ladestrom dann an dieser voll
geladenen Batterie im Nebenschluß vorbeizuleiten, so daß nur die
anderen Batterien weiter Ladestrom empfangen. So wie die Batterien
nacheinander ihren vollen Ladezustand erreichen, so wird auch der
Ladestrom an diesen vorbeigeleitet. Der Ladevorgang ist dann abgeschlossen,
wenn die letzte Batterie ihre volle Ladung erreicht hat,. Das Patent
der Vereinigten Staaten von Amerika Nr. 3,980,940 von Mabuchi u.a.
offenbart ein solches Ladeabgleichverfahren. Zwar hilft dieses Verfahren,
die Nachteile der beiden ersten Verfahren zu beheben, hat dafür aber eigene
Nachteile. Um einen relativ hohen Ladestrom auf eine Nebenschlußleitung
umzuschalten, müssen
die für
diese Umschaltung verantwortlichen elektrischen Komponenten relativ
hohe Nennleistungen haben. Solche Komponenten können teuer und groß sein.
Außerdem kann,
wenn die Komponenten in der Nähe
der Batterien angeordnet sind, die von den Komponenten erzeugte
Wärme die
gleichen Temperaturgefälle
bewirken, die dieses Nebenschlußverfahren
sonst zu vermeiden hilft. Wird andererseits der Ladestrom gesenkt,
wenn die erste Batterie voll geladen ist (so daß die für die Umschaltung der Ströme zuständigen Komponenten
in ihrer Größe reduziert
werden können-,
und ihre Wärmeentwicklung
gesenkt werden kann), entstehen längere Ladezeiten für die Batterien.
Die Patentschriften der Vereinigten Staaten von Amerika, Nr. 4,238,721
von DeLuca u.a.; 4,614,905 von Petersson u.a.; und 5,283,512 von
Stadnik u.a. offenbaren Ladeabgleichverfahren dieser Art.
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Ein
weiterer Nachteil jedes Ladeabgleichsystems, das nur beim Laden
der Batterien arbeitet, sollte ebenfalls erwähnt werden. Unter bestimmten
Betriebsbedingungen kann es vorkommen, daß die Batterien oft nicht "am Ladegerät" gelassen werden,
bis alle Batterien voll geladen sind. In diesen Fällen kann ein
Ladeabgleichverfahren, daß nur
dann arbeitet, wenn die Batterien geladen werden, die Ladung der Batterien
nicht vollständig
abgleichen.
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Ein
weiteres Ladeabgleichverfahren ist in dem '940er Patent offenbart. Im '940er Patent sind Mittel
vorgesehen, um alle Batterien unmittelbar vor dem Beginn des Batterieladevorganges
bis auf einen gemeinsamen Punkt der Tiefentladung zu entladen. Zwar
können
mit diesem Verfahren Ungleichgewichte der Ladezustände reduziert
werden, es verlängert aber
auch die Gesamtzeit, die zum Aufladen der Batterien erforderlich
ist. Dies liegt daran, daß der
Batterieladeprozess jetzt auch das Entladen beinhaltet, das unmittelbar
vor dem Laden erfolgt. Hinzu kommt, daß, wenn das Batteriepaket nur
für kurze
Zeit am Ladegerät
angeschlossen wird, das Batteriepaket effektiv weniger Energieabgabevermögen hat,
als es vor dem Anschließen
an das Ladegerät
hatte. Dazu kann es deshalb kommen, weil alle Batterien im Batteriepaket,
einschließlich
der am weitesten entladenen Batterie, zwangsweise bis auf einen
sehr niedrigen Wert (unter dem normalen Betriebsbereich der Batterien)
entladen werden, um einen Abgleich vor dem Laden zu gewährleisten.
Ein System, in welchem die Batterien, nachdem sie für einen
bestimmten Zeitraum am Ladegerät
angeschlossen waren, weniger Energieabgabevermögen als vorher haben, kann
für den
Kunden unbefriedigend sein.
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Die
US-Patentschrift 4,614,905 befaßt
sich mit einem Regler zur Regelung des Ladestromes für jede individuelle
Zelle in einer Batterie. Der Regler ändert die Höhe eines Nebenschlußstromes
für jede Zelle
in Reaktion auf den Ausgangswert eines Differenzverstärkers, um
so Differenzen im Ladezustand der einzelnen Zellen auszugleichen.
Der Differenzverstärker
hat einen an einer festen Referenzspannung anliegenden Eingang,
und einen anderen Eingang, der an der Zellenspannung anliegt, wodurch der
effektive Ladezustand in jeder Zelle in der Reihe bestimmt wird,
wenn die in Reihe geschalteten Zellen geladen werden. Somit offenbart
dieses Dokument ein Verfahren zum Abgleichen der Ladungen mehrerer
in Reihe geschalteter Batterien durch Umgehen einer oder mehrerer
dieser Batterien im Nebenschluß,
welches Verfahren die Schritte der Bestimmung des effektiven Ladezustandes
jeder Batterie in der Reihe beinhaltet, sowie die individuelle Umgehung
jeder Batterie im Nebenschluß anhand
des effektiven Ladezustandes jeder Batterie in der Reihe, so daß Nebenschlußströme erzeugt.
werden, die wenigstens teilweise die Differenzen im effektiven Ladezustand
der Batterien ausgleichen.
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Diese
Schrift offenbart jedoch nicht die Durchführung dieser Schritte, während die
in Reihe geschalteten Batterien über
einen Verbraucher entladen werden oder ruhen.
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Ein
Batterieladestromabgleichverfahren, das den Zwang der Zufuhr von
Ladeströmen
an bereits voll geladene Batterien wesentlich senkt bzw. ganz vermeidet,
das unter Verwendung von Elektrokomponenten mit relativ kleiner
Nennleistung durchgeführt werden
kann, das keinen nachteiligen Einfluß auf die Ladezeit der Batterien
hat, das nicht ausschließlich darauf
angewiesen ist, das Fahrzeug "ans
Ladegerät" zu legen, bis alle
Batterien voll geladen sind, um den Ladeabgleich vorzunehmen, und
das auch nicht die Batterien unmittelbar vor dem Laden entlädt, bringt
daher Vorteile gegenüber
dem bisherigen Stand der Technik.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Abgleichen der Ladungen
mehrerer in Reihe geschalteter Batterien gemäß Patentanspruch 1.
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Die
vorliegende Erfindung stellt außerdem ein
zweites Verfahren zum Abgleichen der Ladungen mehrerer in Reihe
geschalteter Batterien. Das Verfahren beinhaltet die Messung der
Temperaturen der Batterien und die individuelle Abschaltung einer
oder mehrerer Batterien in Nebenschluß, so daß Nebenschlußströme von diesen
Batterien erzeugt werden, die Funktionen der Temperaturen dieser
Batterien sind.
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Zudem
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Abgleichen der
Ladungen mehrerer in Reihe geschalteter Batterien, welche Batterien
zum Speichern und Abgeben von Energie für den Antrieb eines elektrisch
getriebenen Fahrzeuges vorgesehen sind. Das Verfahren beinhaltet
die Bestimmung effektiver oder relativer Ladezustände der
Batterien, wenn die Batterien Energie für den Antrieb des elektrisch angetriebenen
Fahrzeuges liefern. Das Verfahren beinhaltet des weiteren die individuelle
Abschaltung in Nebenschluß einer
oder mehrerer Batterien, wenn die Batterien Energie für den Antrieb
des elektrisch getriebenen Fahrzeuges liefern, um Nebenschlußströme von diesen
Batterien zu erzeugen.
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Verfahren
zum Ladungsabgleich gemäß der vorliegenden
Erfindung können
kontinuierlich arbeiten, um die Entstehung großer Ladungsungleichgewichte
in Batteriepaketen mit mehreren Batterien zu vermeiden. Solche Verfahren
können
daher den Zwang, bereits voll geladenen Batterien beim Wiederaufladen
weiter Ladestrom zuzuführen,
ganz wesentlich senken. Außerdem
können
die Verfahren unter Einsatz elektrischer Komponenten mit relativ
kleiner Nennleistung zum Einsatz gebracht werden. Die Verfahren
haben auch keine negativen Auswirkungen auf die Batterieladezeiten
und sind nicht darauf angewiesen, das Fahrzeug "am Ladegerät" zu lassen, bis alle Batterien voll
geladen sind, um den Ladungsabgleich vorzunehmen. Die Verfahren
führen auch
keine Entladung der Batterien unmittelbar vor dem Wiederaufladen
durch. Dadurch, daß sie
kontinuierlich arbeiten, um das Auftreten großer Ungleichgewichte der Ladungen
zu vermeiden, können
erfindungsgemäße Verfahren
zum Ladungsabgleich deutliche Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der
Technik liefern.
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Die
Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig
näher erläutert werden;
dabei zeigt:
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1:
ein Batteriepaket mit mehreren Batterien 20 zusammen mit
zugehörigen Überwachungskomponenten;
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2:
interne Details der Modulsteuereinheiten 26 aus 1;
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3:
ein Flußdiagramm,
welches ein Batterieladungsabgleichverfahren gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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4:
ein Flußdiagramm,
welches ein Batterieladungsabgleichverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Es
sei zunächst
Bezug genommen auf 1. 1 veranschaulicht
ein System mit einem Batteriepaket, bestehend aus in Reihe geschalteten Batterien 20.
Das Batteriepaket hat einen positiven Pol (+) und einen negativen
Pol (–),
diese Pole sind an einem (nicht dargestellten) elektrischen Verbraucher
angeschlossen, welcher die in den Batterien 20 gespeicherte
Energie verbraucht. Über
den positiven Pol (+) und den negativen Pol (–) wird das Batteriepaket auch
durch Anschließen
an ein (nicht dargestelltes) Ladegerät wiederaufgeladen.
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An
jeder Batterie 20 ist eine Modulsteuereinheit 26 angeschlossen.
Die Modulsteuereinheiten 26 sind jeweils an einem Datenbus 28 angeschlossen, z.B.
an einem mittelschnellen seriellen Kommunikationsprotokoll-Bus bzw.
SCP-Bus (serial communications protocol), wie er von der Ford Motor
Company verwendet wird. Andere Datenbusse mit geeigneter Bandbreite
können
ebenfalls eingesetzt werden. Eine zentrale Steuerung 30 ist
ebenfalls am Datenbus 28 angeschlossen. Die zentrale Steuerung 30 ist vorzugsweise
eine auf einem Mikroprozessor basierende Komponente mit ausreichenden
Mikroprozessor-Ressourcen
(Durchsatz, Speicher, Eingänge, Ausgänge, Datenbusschnittstelle
u.ä.),
um die ihm in der vorliegenden Offenbarungsschrift zugewiesenen Funktionen
ausführen
zu können.
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Es
sei nun Bezug genommen auf 2, wo weitere
Details bezüglich
der Modulsteuereinheiten 26 dargestellt werden. Jede Modulsteuereinheit 26 ist
vorzugsweise sehr klein und ist vorzugsweise in dem Gehäuse der
entsprechenden Batterie 20 angeordnet. Die Modulsteuereinheit 26 beinhaltet
einen Mikroprozessor 40 wie z.B. den Mikroprozessor PIC16C71
der Microchip Corporation, es kann aber auch jeder beliebige gleichwertige
Mikroprozessor verwendet werden. Ebenso ist in der Modulsteuereinheit 26 ein
Analog-Digital-Wandler (A/D) 42 enthalten.
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Des
weiteren ist in der Modulsteuereinheit 26 ein Spannungsregler 44 enthalten.
Der Spannungsregler 44 liefert eine geregelte Spannung
Vref von vorzugsweise 5 Volt Gleichstrom
für den
Einsatz in der Modulsteuereinheit 26. Vref wird
z.B. als Spannungsquelle für
den Mikroprozessor 40 und den A/D-Wandler 42 eingesetzt.
Ein von zwei Widerständen 46 und 48 gebildeter
Spannungsteiler ist an der jeweiligen Batterie angeschlossen. Der
Mittelpol 50 dieses Spannungsteilers ist am A/D-Wandler 42 angeschlossen,
so daß die
Modulsteuereinheit 26 die Polspannung der Batterie 20 messen
kann.
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Ein
thermischer Widerstand bzw. Heißleiter 52 ist
ebenfalls in der Modulsteuereinheit 26 enthalten. Der Heißleiter 52 dient
zur Messung der Temperatur der jeweiligen Batterie 20,
an welcher die Modulsteuereinheit 26 angeschlossen ist. Über einen angemessenen
spannungsseitigen Vorschaltwiderstand 54 liegt der Heißleiter
an Vre f an. Der
Mittelpol 56 zwischen dem Heißleiter 52 und dem
Vorschaltwiderstand 54 ist am A/D = Wandler 42 angeschlossen.
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Die
Modulsteuereinheit 26 weist des weiteren einen Widerstand 60 auf,
der an einem Ausgang 62 des Mikroprozessors 40 anliegt.
Ausgang 62 des Mikroprozessors 40 ist ein Ausgang,
der in pulsbreitenmodulierter Weise (PWM) an Masse angelegt werden
kann (LOW). Die relative Einschaltdauer, mit welcher der Ausgang 62 an
Masse (LOW) gelegt wird, ist über
das Programm steuerbar. Für
einen Teil der Signalperiode am Ausgang 62 liegt der Ausgang 62 also
an HOCH (d.h. etwa fünf
Volt) an. Für
den Rest der Periode liegt der Ausgang 62 "TIEF" bzw. auf LOW (d.h. etwa null Volt),
so daß der
Widerstand 60 zwischen den Polen der Batterie 20 im
Nebenschluß umgangen
wird. In einer Ausführungs form
der vorliegenden Erfindung ist der Widerstand 60 so gewählt, daß er 200
Ohm hat. Bei 100% relativer Einschaltdauer auf LOW zieht der Ausgang 62 des
Mikroprozessors 40 also einen Strom von 25 Milliampere
(5 Volt/200 Ohm) von der Batterie 20. Bei kleineren relativen
Einschaltzeiten zieht der Ausgang 62 weniger Durchschnittsstrom
von der Batterie 20.
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Die
Modulsteuereinheit 26 beinhaltet auch eine Datenbus-Schnittstellenschaltung 64,
mittels welcher der Mikroprozessor 40 im für den Datenbus 28 geeigneten
Protokoll kommunizieren kann. Weiterhin wird ein optischer Isolator 66 eingesetzt,
um eine gemeinsame Spannungstrennung zwischen der zentralen Steuerung 30 und
den Batterien 20 zu gewährleisten.
Das die besagte Reihenschaltung von Batterien 20 enthaltende
Batteriepaket hat im Falle eines typischen Elektrofahrzeuges eine
Spannung von mehreren hundert Volt zwischen dem (+)-Pol und dem
(–)-Pol.
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Das
System der 1 und 2 gleicht
die Ladung der Batterien 20 in einer Weise aus, die nun beschrieben
werden soll. Das nun beschriebene Verfahren kann kontinuierlich
ausgeführt
werden, werden die Batterien geladen werden, wenn sie über den Verbraucher,
für den
sie bestimmt sind (z.B. den Elektromotor in einem Elektrofahrzeug),
entladen werden, oder auch wenn sie ruhen. Das Verfahren kann als "kontinuierlich" bezeichnet werden,
insofern es ständig
arbeiten kann, große
Ungleichgewichte in der Ladung der Batterien 20 zu vermeiden,
statt einzig darauf zu beruhen, den Abgleich am Ende des Ladevorganges
der Batterien 20 vorzunehmen.
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Es
sei nun zusätzlich
Bezug genommen auf 3 zur Beschreibung einer Ausführungsform
des Algorithmus, der in dem Ladungsabgleichverfahren eingesetzt
werden kann. Bei Schritt 100 wird die Temperatur jeder
der Batterien 20 gemessen. Diese Messungen werden von jeder
Modulsteuereinheit 26 durchgeführt, vorzugsweise auf einen
Befehl der zentralen Steuerung 30, unter Einsatz des Heißleiters 52 in
jeder Modulsteuereinheit 26. Die Temperaturen werden dann
an die zentrale Steuerung 30 zurückgemeldet. Die Zentralsteuerung 30 enthält einen Speicher
mit einer Nachschlagetabelle, welche die typische Selbstentladerate
der Batterien 20 (in Stromeinheiten) als Funktion der Temperatur
enthält. Diese
Nachschlagetabelle ist mit empirisch ermittelten Daten bestückt, die
durch Messen der Entladeraten der Batterien im Labor oder bei der
Entwicklung des Fahrzeuges zusammengestellt werden. Im allgemeinen
hat die kühlste
Batterie 20 die niedrigste Selbstentladerate, und je wärmer die
Batterien sind, desto höher
sind ihre Selbstentladeraten.
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Bei
Schritt 102 befiehlt die zentrale Steuerung 30 jeder
Modulsteuereinheit 26, einen angemessenen Teil des Stromes über den
Widerstand 60 und den Mikroprozessorausgang 62 im
Nebenschluß umzuleiten,
um so die Selbstentladeraten der Batterien 20 abzugleichen.
Die Batterie 20 mit der höchsten Selbstentladerate braucht
keinen Nebenstrom abzuzweigen, während
Batterien 20 mit niedrigeren Selbstentladeraten einen immer
größeren Anteil
an Strom im Nebenschluß abzweigen
müssen,
um alle Selbstentladeraten abzugleichen. Die Schritte 100 und 102 werden
mit einer vorgegebenen Häufigkeit ständig wiederholt.
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Der
Algorithmus nach 3 senkt wesentlich die Tendenz
zur Bildung von Ungleichgewichten der Ladezustände der Batterien 20 wegen
ungleicher Selbstentladeraten zwischen den Batterien 20.
Dadurch wird jegliches am Ende des Ladevorganges auszugleichende
Ungleichgewicht erheblich reduziert. (Es sei angemerkt, daß hier jedes
beliebige bekannte Abgleichverfahren am Ende des Ladevorganges,
wie z.B. die in der Hintergrundbeschreibung dieser Anmeldung erwähnten Verfahren,
eingesetzt werden kann.) Das verringerte Ungleichgewicht, das am
Ende des Ladevorganges noch ausgeglichen werden muß, verringert
auch ganz erheblich eine Reihe von Nachteilen, die in der Hintergrundbeschreibung
der vorliegenden Anmeldung erläutert worden
sind, und die mit Abgleichverfahren am Ende des Ladevorganges nach
dem bisherigen Stand der Technik verbunden sind. Wenn z.B. ein hoher
Ladestrom eingesetzt wird, bis eine Batterie 20 geladen ist,
und dann ein Rieselstrom verwendet wird, bis der Rest der Batterien 20 geladen
ist, dann braucht dieser Rieselstrom nur noch für eine relativ kurze Zeit angelegt
zu werden. Dies liegt daran, daß die
Entstehung starker Ungleichgewichte zwischen den Batterien 20 vermieden
wird. Starke Erhöhungen
der Ladezeit werden somit vermieden. Außerdem braucht, wenn ein hoher
Ladestrom verwendet wird, bis eine Batterie 20 geladen
ist, und dann ein kleinerer Strom, der im Nebenschluß um jede
volle Batterie 20 herumgeleitet wird, dieser kleinere Strom
auch nur für
einen relativ kurzen Zeitraum angelegt zu werden.
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Ein
vorteilhaftes Merkmal des vorliegenden Systems und Verfahrens zur
Vergleichmäßigung von Ladungen
sollte hier ebenfalls betont werden. Dazu sei daran erinnert, daß der Nebenschlußwiderstand 62 in
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung 200 Ohm hat. Mit einer Maximalspannung
von fünf
Volt am Widerstand 62 führt
der Widerstand 62 eine Leistung von V2/R
von nur einem achtel Watt ab. Es ist somit leicht ersichtlich, daß das kontinuierliche Ladungsabgleichverfahren
nach der vorliegenden Erfindung keine wattstarken elektronischen
Hochleistungskomponenten erfordert. Dieser Vorteil wird dadurch
gewonnen, daß das
kontinuierliche Ladungsabgleichverfahren das Auftreten großer Ladungsungleichgewichte
verhindert und einen Abgleich nur über einen kurzen Zeitraum erfordert.
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Ein
zweiter Algorithmus gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist mit Bezug auf 4 dargestellt.
Hier wird in Schritt 200 die Polspannung jeder Batterie
von ihrer jeweiligen Modulsteuereinheit 26 gemessen, vorzugsweise auf
einen simultanen Befehl von der zentralen Steuerung 30.
Ein solcher simultaner Befehl kann über eine einzige "Rundum"-Meldung auf dem
Datenbus 28 ausgegeben werden, die an alle Modulsteuereinheiten 26 gerichtet
ist; jede Modulsteuereinheit 26 mißt dann umgehend die Polspannung
ihrer zugehörigen
Batterie 20. Die Polspannungen werden dann von den einzelnen
Modulsteuereinheiten 26 an die zentrale Steuerung 30 zurückgemeldet,
wie es die Freigabe auf dem Datenbus 28 zuläßt. Da die
Batterien 20 in Reihe geschaltet sind, wird von dem elektrischen
Verbraucher (z.B. dem Elektromotor eines Elektrofahrzeuges), für den sie
bestimmt sind, von allen Batterien 20 derselbe Strom gezogen,
bzw. wird den Batterien 20 von ihrem Ladegerät derselbe Strom
zugeführt.
Für Batterien,
aus welchen derselbe Strom (oder gar kein Strom) gezogen wird, oder die
mit demselben Strom versorgt werden, sind die relativen Polspannungen
an den Batterien ein Maß für die relativen
Ladezustände
der Batterien. Die Batterien mit höheren Polspannungen haben dabei
höhere
Ladestände.
In Schritt 202 befiehlt daher die zentrale Steuerung 30 denjenigen
Modulsteuereinheiten 26, die mit den Batterien 20 mit
höheren
Spannungen verbunden sind, Strom im Nebenschluß über ihre Nebenschlußwiderstände 60 und
Mikroprozessorausgänge 62 abzuleiten.
Die Batterien 20 mit den höchsten Spannungen werden dabei
angewiesen, mehr Strom im Nebenschluß abzuführen. Die Batterie 20 mit
der niedrigsten Spannung braucht keinerlei Strom im Nebenschluß abzuführen. Dieser
Algorithmus nach 4 hilft, Ladungsungleichgewichte,
die dann am Ende des Ladevorganges der Batterien 20 noch
ausgeglichen werden müssen,
fortlaufend zu vermeiden bzw. zu senken. Der Algorithmus wird mit einer
vorgegebenen Häufigkeit
wiederholt ausgeführt.
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Um
den Algorithmus nach 4 noch weiter zu verstärken, können Informationen über den
effektiv von den Batterien abgezogenen Strom oder den den Batterien 20 zugeführten Strom
von einem in Reihe mit den Batterien 20 geschalteten Stromsensor
geliefert werden. Solche Informationen über den effektiven Strom können als
Hilfe eingesetzt werden, die effektiven Ladezustände der Batterien 20 zu
bestimmen, oder den Algorithmus nach 4 in anderer
Weise zu verfeinern.
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Die
Algorithmen gemäß den 3 und 4 sind
auch über
eine Reihe von Lade-/Entladezyklen der Batterien 20 "lernfähig". Eine oder mehrere
Batterie(n) kann/können
z.B. wegen solchen Faktoren wie Herstellungsabweichungen Selbstentladeraten
haben, die von den zu erwartenden Nennwerten abweichen. Solche Differenzen
in den Selbstentladeraten können
dadurch erlernt werden, daß die Batterien 20 über eine
Reihe von Lade-/Entladezyklen
beobachtet werden, und die Ladungsabgleichalgorithmen können sich
dementsprechend adaptiv neu kalibrieren.
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Ein
anderer Algorithmus für
den kontinuierlichen Ladungsabgleich der Batterien 20 kann
die in den 3 und 4 dargestellten
Vorgehensweisen miteinander kombinieren. Das heißt, die Modulsteuereinheiten 26 können angewiesen
werden, Strom anhand einer dreidimensionalen Funktion umzuschalten,
die sowohl die Temperatur als auch die Spannung der Batterien 20 als
unabhängige
Variablen einsetzt, und den Strom als abhängige Variable in Nebenschluß schaltet.
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Man
kann versucht sein, die in der vorliegenden Offenbarung beschriebene
Strategie zum Umschalten von Strom von einigen der Batterien 20 in Frage
zu stellen. Sie kann nach Verschwendung der in diesen Batterien 20 gespeicherten
elektrischen Energie aussehen und kann somit nachteilig erscheinen.
In der Praxis jedoch kann das die Batterien 20 enthaltende
Batteriepaket keine weitere elektrische Energie abgeben, wenn eine
der Batterien 20 leer ist. Daher ist jeglicher Energieüberschuß in den
anderen Batterien 20 sowieso nicht nutzbar (wenigstens
bis die Ladungen der Batterien 20 ausgeglichen sind). Einer
der Vorteile der Strategie des kontinuierlichen Ladungsabgleichs,
der in der vorliegenden Offenbarungsschrift beschrieben ist, ist,
daß die
Größe des Ungleichgewichtes
klein gehalten wird, wodurch das Laden der Batterien (einschließlich jeglichen
erforderlichen Abgleichs am Ende des Ladevorganges) in relativ kurzer
Zeit vorgenommen werden kann.