DE10100945A1

DE10100945A1 - Verfahren und Anordnung zum Laden von seriell geschalteten Batteriezellen

Info

Publication number: DE10100945A1
Application number: DE2001100945
Authority: DE
Inventors: Peter Kornetzky
Original assignee: INST MIKROELEKTRONIK und MECHA
Current assignee: INST MIKROELEKTRONIK und MECHA
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: WO2002063741A3; WO2002063741A2; EP1350295A2; DE10100945B4

Abstract

Bei besonders empfindlichen Zellsystemen muß der Ladestrom jeder einzelnen Zelle individuell eingestellt werden, um das Überladen einzelner Zellen und damit deren Zerstörung zu verhindern. Hierzu ist es bekannt, die Spannung jeder einzelnen Zelle zu messen. DOLLAR A Das Ladeverfahren kann wesentlich vereinfacht werden, indem die Zellspannungen jeweils zweier Batteriezellen mittels einer Spannungsvergleichsschaltung verglichen und der Ladestrom der Batteriezelle mit der jeweils höheren Spannung nach Überschreiten einer vorbestimmten Differenz der Zellspannungen mindestens teilweise geshuntet wird. DOLLAR A Das Verfahren eignet sich z. B. besonders zum Laden von Lithium-Ionenzellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Laden von seriell geschalteten Batteriezellen mittels eines gemeinsamen Ladestromes.

In Batterieanordnungen werden üblicherweise zur Erhöhung der zur Verfügung zu stellenden Spannung zwei oder mehr Zellen in Reihe geschaltet. Bei wiederaufladbaren Batterieanordnun gen (Akkumulatoren) werden durch einen gemeinsamen Stromfluß durch alle in Reihe geschaltete Zellen zumeist alle Zellen gleichzeitig und mit exakt dem gleichen Strom geladen. Nur bei besonders empfindlichen Zellsystemen wie z. B. Lithium- Ionenzellen muß der Ladestrom jeder einzelnen Zelle indivi duell eingestellt werden, um das Überladen einzelner Zellen und damit deren Zerstörung zu verhindern. Hierzu ist es be kannt, die Spannung jeder einzelnen Zelle zu messen und dar aus ein Kriterium zur Vorbeileitung eines Teils oder des ge samten Ladestromes abzuleiten. Die Spannungsmessung muß da bei mit einer hohen Reproduzierbarkeit und, relativen Genau igkeit bezogen auf alle Zellen im System erfolgen, da be reits sehr kleine Unterschiede in den Zellspannungen auf nicht zu vernachlässigende Unterschiede im Ladungszustand schließen lassen. Insbesondere bei Batterieanordnungen mit vielen in Reihe geschalteten Zellen steigt der elektronische Aufwand zur Messung und Auswertung der Zellspannungen erheb lich an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, mit de nen mit einfachen Mitteln eine individuelle Einstellung des Ladestromes jeder Batteriezelle möglich wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Ge genstand der Unteransprüche.

Danach werden die Zellspannungen jeweils zweier Batteriezel len mittels einer Spannungsvergleichsschaltung verglichen und der Ladestrom der Batteriezelle mit der jeweils höheren Spannung nach Überschreiten einer vorbestimmten Differenz der Zellspannungen mindestens teilweise geshuntet.

Zweckmäßig werden die Spannungen jeweils benachbarter Zellen miteinander verglichen.

Eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens hat erfindungsgemäß

- jeweils einen Spannungsabgriff an jedem Pol einer Batte riezelle,
- jeweils eine Spannungskomparatorschaltung für zwei Batte riezellen, an die die Spannungsabgriffe dieser beiden Batte riezellen geführt sind,
- jeweils einen in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Spannungskomparatorschaltung ansteuerbaren Bypass an je der Batteriezelle.

Die Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß zur Bewertung des Ladezustandes lediglich eine Relativmessung der Zellspannun gen zweier jeweils benachbarter Zellen erforderlich ist, de ren Aufwand auch bei vielen in Reihe geschalteten Zellen al lein von deren Anzahl abhängig ist. Eine aufwendige Absolut messung der Zellspannungen ist zum Erreichen einer gleichmä ßigen Aufladung aller Zellen im System nicht erforderlich.

Nach einer ersten Variante ist der Komparatorschaltung je weils eine Logikanordnung nachgeordnet, die die Zustände der Komparatoren auswertet und nach einem eigen- oder fremdbe stimmten Zeitregime die Bypässe ansteuert. Die Komparatoren können beispielsweise durch Operationsverstärker realisiert werden.

In Ergänzung zur Erfassung der unterschiedlichen Ladezustän de kann zusätzlich eine Schutzfunktion zur Erfassung der Zellspannung realisiert werden, die ein Überschreiten der zulässigen Grenzwerte signalisiert. Dadurch wird die Zelle vor Überladung geschützt. Gegebenenfalls sollte die Abfrage des Überspannungszustandes getaktet erfolgen. Weiterhin ist nach Erreichen der Ladeendspannung der ersten Zelle im Sys tem eine Begrenzung des Ladestromes sinnvoll, um ein weite res Aufladen der betroffenen Zelle zu verhindern. Die Span nungsüberwachung kann auf einzelne Zellen begrenzt werden, da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Ladeendspannung der Zellen nahezu gleichzeitig erreicht wird.

Nach einer bevorzugten Variante sind zur Übertragung des Zu standes beim Vergleich benachbarter Zellen zwei digitale Ka näle vorgesehen, die sich kostengünstig auch über hohe Po tentialbarrieren, wie sie z. B. bei Batterieanordnungen mit hoher Zellenzahl entstehen, realisieren lassen. Durch eine intelligente Auslegung einer der Spannungskomparatorschal tung nachgeordneten Logik können relativ einfach Informatio nen über den Zustand einzelner Zellen generiert werden. Der Algorithmus zum Ladungsausgleich kann so gestaltet werden, daß ein Ladungsausgleich bereits zu Beginn eines Ladevor gangs einsetzt, wodurch sich die Ausgleichsströme am Bypass auf eine längere Zeit verteilen und dadurch Vorteile bei der thermischen Belastung des Gesamtsystems entstehen. Die Ab frage der Zellenspannungen und die Zuschaltung der Bypässe erfolgt nacheinander. Da die Zuschaltung eines Bypasses den Ladestrom der zugeordneten Zelle und damit deren Spannung beeinflusst, erfolgt die Abfrage der Komparatoren bei abgeschalteten Bypässen nach einer zellabhängigen Stabilisie rungszeit.

Gegebenenfalls können mehrere Logikschaltungen vorgesehen sein, die zeitlich koordiniert getaktet werden.

Die Betriebszustände der Bypässe, der Komparatoren und gege benenfalls der Spannungsüberwachung können in einer zentra len Elektronik erfaßt werden, um dann z. B. aus der Häufig keit des Zuschaltens eines Bypasses auf die Kapazität der Zelle Schließen zu können (z. B. ist die Zelle, bei der der Bypass am häufigsten zugeschaltet ist, die mit der gerings ten Kapazität). Außerdem können auch die Kapazitätsverhält nisse über einen längeren Zeitraum erfasst werden, um daraus relative Änderungen der Zellkapazitäten ableiten zu können.

Bei einer hohen Zellenzahl entsteht das Problem der Potenti alverschiebung zwischen der aktuellen Zelle und der zentra len Elektronik. Da jeweils nur eine begrenzte Zahl von digi talen Signalen ausgetauscht werden muß, ist der Einsatz von potentialtrennenden Bauelementen, wie Optokopplern oder ähn lichen Bauteilen, sinnvoll.

Die Bypässe können elektronische Schalter in Reihe mit Wi derständen oder Transistoren sein, deren Strom regelbar ist. Zur thermischen Entlastung der Anordnung ist es auch mög lich, die Energie, die beim Vorbeileiten des Stromes an ei ner Zelle umgesetzt wird, induktiv zurückzugewinnen, indem in Reihe zu dem elektronischen Schalter induktive Bauelemen te geschaltet sind, die die aufgenommene elektrische Energie an separate Energiespeicher oder an die Ladestromquelle oder an andere Batteriezellen oder andere elektrische Verbraucher liefern.

Die Wirkungsweise des Verfahrens soll anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit zwei in Reihe geschalteten Batteriezellen und

Fig. 2 eine entsprechende Anordnung für vier Batteriezel len.

In Fig. 1 ist eine Anordnung von zwei in Reihe geschalteten Zellen n und n + 1 dargestellt. Beide Zellen sind mit einem Bypass n und Bypass n + 1 versehen, die es gestatten, Teile oder die gesamte Höhe des zufließenden Ladestromes IL an den Zellen n bzw. n + 1 vorbeizuleiten, so daß der verbleibende Ladestrom ILn und ILn + 1 der Zellen n und n + 1 beeinflußt wird. Die Zellspannungen werden an den Punkten A, B und C abgegriffen und einer Auswerteschaltung zugeführt. Diese be steht aus einer Anordnung von Widerständen R1, R2 und R3, wobei die Widerstände R1 und R3 jeweils gleich groß bemessen sind, einer Komparatorschaltung und einer Logikschaltung. Die Widerstände R1, R2, R3 sind zueinander so bemessen, daß der jeweils größere Teil der zwischen den Punkten A und C anliegenden Spannung an den Widerständen R1 und R3 abfällt.

Die am Widerstand R2 abfallende Spannung wird als Toleranz spannung Vtol bezeichnet. Ein Komparator U1 vergleicht die zwischen den Punkten B und D anliegende Spannung und gibt an seinem Ausgang out_a ein High-Signal, wenn die Summe aus der Spannung Vn an Zelle n und der Toleranzspannung Vtol größer wird als die Spannung Vn + 1 an der Zelle n + 1. Ist dagegen die Summe aus den Spannungen Vn + 1 und Vtol größer als die Span nung Vn, geht der Ausgang out_b eines Komparators U2 auf High. Sind beide Komparatorausgänge out_a, out_b auf Low, so liegt die Differenz der beiden Zellspannungen Vn, Vn + 1 in nerhalb der vorgegebenen Toleranzspannung Vtol. Die Aus gangssignale der Komparatoren U1, U2 werden zu Zeitpunkten ausgewertet, die von der Logik vorgegeben werden. Die Logik bestimmt auch das Zuschalten der Bypässe n und n + 1 nach ei nem vorgegebenen Algorithmus, in den noch weitere Kriterien, wie z. B. das Erreichen einer vorgegebenen Ladeendspannung für die Zellen, dynamische Effekte bei der Aufladung der Zellen, die Balance zwischen den Ladeströmen ILn und ILn + 1 und/oder andere Kriterien berücksichtigt werden können.

Prinzipiell können mehrere ineinandergeschachtelte Anordnun gen gemäß Fig. 1 bei einer beliebig hohen Zellenzahl reali siert werden. Eine entsprechende Anordnung für vier Zellen n. . .n + 3 ist in Fig. 2 dargestellt.

Bezugszeichenliste

A, B, C Punkte für Spannungsabgriff
R1, R2, R3 Widerstände
Vtol Toleranzspannung
U1, U2 Komparator
out_a, out_b Ausgänge der Komparatoren
Vn, Vn + 1 Spannung der Zellen
ILn, ILn + 1 Ladestrom
Ibn, Ibn + 1 Bypassstrom

Claims

1. Verfahren zum Laden von seriell geschalteten Batterie zellen mittels eines gemeinsamen Ladestromes dadurch gekennzeichnet, daß die Zellspannungen jeweils zweier Batteriezellen mittels einer Spannungsvergleichsschaltung verglichen und der Ladestrom der Batteriezelle mit der jeweils höheren Spannung nach Überschreiten einer vorbestimmten Diffe renz der Zellspannungen mindestens teilweise geshuntet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Spannungsvergleichsschaltung von einer der Span nungsvergleichsschaltung nachgeordneten Logikschaltung taktweise abgefragt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Bypass durch die Logikschaltung getaktet zugeschal tet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Bypass durch die Logikschaltung in Abhängigkeit von der Höhe der Differenz der Zellspannungen getaktet zuge schaltet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Bypassstrom durch die Logikschaltung in Abhängigkeit von der Höhe der Differenz der Zellspannungen geregelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Zellspannung einzelner oder aller Zellen mit einem Festwert verglichen und nach Überschreiten des Festwer tes ein Signal an die Logik weitergeleitet wird, in des sen Folge der Bypassstrom und/oder der Gesamtladestrom beeinflußt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die beim Vorbeileiten des Ladestromes an einer Zelle um gesetzte Energie induktiv zurückgewonnen wird.

8. Anordnung zum Laden von seriell geschalteten Batterie zellen mittels eines gemeinsamen Ladestromes zur Durch führung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden An sprüche, gekennzeichnet durch

- jeweils einen Spannungsabgriff an jedem Pol einer Bat teriezelle,
- jeweils eine Spannungskomparatorschaltung für zwei Batteriezellen, an die die Spannungsabgriffe dieser bei den Batteriezellen geführt sind,
- jeweils einen in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Spannungskomparatorschaltung ansteuerbaren Bypass an jeder Batteriezelle.

9. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Spannungskomparatorschaltung aus zwei. Komparatoren (U1, U2) besteht, deren gemeinsames Bezugspotential an der Verbindung (B) der Pole zweier benachbarter Batte riezellen abgegriffen ist, daß die übrigen zwei Eingänge der Komparatoren (U1, U2) das Potential an zwei Wider ständen (R1; R3) abgreifen, die an den Gegenpolen der verbundenen Pole anliegen und die miteinander durch ei nen dritten Widerstand (R2) verbunden sind.

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet dadurch, daß alle Ausgänge (out_a, out_b) der Spannungskomparator schaltung an die Eingänge einer Logikschaltung geführt sind, deren Ausgänge mit Ansteuerpunkten der Bypässe verbunden sind.

11. Anordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß einzelne oder alle Zellen mit einer Spannungsüberwachung versehen sind, die ein Signal an einen zusätzlichen Ein gang der Logikschaltung abgibt, wenn die Zellspannung einen zellentypabhängigen Spannungswert überschreitet.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Logikschaltung über einen oder mehrere zusätzliche Eingänge und/oder Ausgänge verfügt, die zur Steuerung des zeitlichen Ablaufs der getakteten Abfrage der Kompa ratoren und/oder der Spannungsüberwachung und/oder des zeitlichen Ablaufs der getakteten Aktivierung der Bypäs se mit einer oder mehreren zusätzlichen Logikschaltungen verbunden sind.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet dadurch, daß die Logikschaltung über einen oder mehrere zusätzliche Eingänge und/oder Ausgänge verfügt, die zur Erfassung des Zustandes der Komparatoren und/oder der Bypässe und/oder der Spannungsüberwachung der Zellen und zur Zu führung zu einer digitalen Signalverarbeitung mit einer oder mehreren zusätzlichen Logikschaltungen verbunden sind.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, gekennzeichnet dadurch, daß zur Übertragung einzelner oder aller digitalen Signale potentialtrennende Bauelemente wie z. B. Optokoppler oder Impulstransformatoren vorhanden sind.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet dadurch, daß die Bypässe elektronische Schalter sind, die in Reihe mit Widerständen geschaltet sind.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet dadurch, daß die Bypässe stromgeregelte Transistoren sind.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet dadurch, daß die Bypässe elektronische Schalter sind, die in Reihe mit induktiven, die aufgenommene elektrische Energie an separate Energiespeicher oder an die Ladestromquelle o der an andere Batteriezellen oder andere elektrische Verbraucher liefernden Bauteilen wie Spulen oder Trans formatoren geschaltet sind.