DE10108335C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Ausgleichen eines Ladungszustandes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Batterieladen und insbesondere auf ein Batterieladeverfahren und eine Betterieladevorrichtung für einen sogenannten La­ dungsausgleich mehrerer in Reihe geschalteter Batterien in einem elektrochemischen Pack bzw. Paket.

Die vorliegende Erfindung hat ihren Ursprung in einem Nickelmetallhydrid-Batteriepaket für eine spezielle Anwendung als Energiequelle für einen Antrieb in einem Elektrofahrzeug, wie z. B. einem Automobil. Wie im folgenden deutlich wird, ist sie jedoch nicht nur auf solch eine Anwendung oder ein derar­ tiges Umfeld begrenzt, sondern kann auf Reihenschaltungen von Batterien angewendet werden, wie sie in Sicherungs- oder nicht unterbrechbaren Stromversorgungen, einem Raumfahrzeug und dergleichen verwendet werden.

Im Umfeld einer Antriebstromquelle für ein Elektrofahr­ zeug ist das Batteriesystem sich stark ändernden Entladungs­ strömen und Entladungsraten, manchmal hohen Betriebstempera­ turen, Tiefentladungen und häufigen Wiederaufladungsvorgängen ausgesetzt. In solchen Fahrzeugen verwendete Batteriepakete sind im allgemeinen in Reihe gekoppelte Zellen.

Als Folge von Leistungsunterschieden von Batterie zu Bat­ terie, die sich aus internen Impedanzen, Verunreinigungen, einer Dichte des elektrolytischen Materials, dem Alter oder Gradienten der Umgebungstemperatur über das Batteriepaket er­ geben können, um einige derartige Einflüsse zu nennen, ent­ wickelt sich allmählich eine Abweichung in der zu einer gege­ benen Zeit in jeder Batterie gespeicherten Energiemenge. Da­ her sind alle Batterien, die zur gleichen Zeit für den glei­ chen Standard aus den gleichen Materialien hergestellt wur­ den, überhaupt nicht identisch. Kleine Unterschiede im Zel­ lenaufbau und den Elementarbestandteilen werden im Laufe der Zeit verstärkt. Da die Batterien in einem Pack bzw. Paket an­ geordnet sind, können einige auf einer Seite des Pakets einer Umgebungstemperatur und einer unterschiedlichen Temperatur auf der anderen ausgesetzt sein. Flächen des Pakets können Wärme unterschiedlich ableiten in Abhängigkeit davon, wie die Batterien des Paktes freigelegt oder zu diesem Zweck einge­ schlossen sind. Diese Temperaturgradienten beeinflussen die Leistung der einzelnen Zelle.

Die Leistungsfähigkeit des Batteriepakets und daher die Reichweite des Fahrzeugs sind dann in hohem Maße durch die Batterie bestimmt, die die geringste Energiemenge enthält. Das heißt, beim Entladen eines solchen in Reihe geschalteten Pakets hängt die Menge an nutzbarer Energie von der schwäch­ sten Zelle ab. Dementsprechend wird eine Batterie, die auf einen signifikant niedrigeren Ladungszustand (SOC) als die anderen fällt, eine gleichzeitige Reduzierung der Reichweite des Fahrzeugs bewirken. Ein extremes Ungleichgewicht kann ei­ ne sogenannte Zellenumkehr zur Folge haben, die auftritt, wenn eine Batterie im Energieinhalt von anderen im Paket si­ gnifikant verschieden ist, wie es der Fall ist, wenn eine Zelle vollständig entladen wurde, während andere zumindest teilweise geladen bleiben. Eine weitere Verwendung des Pakets kann eine umgekehrte Polaritätsspannung in der entladenen Zelle verursachen, was eine Qualitätsminderung dieser Batte­ rie bewirkt. Die Fähigkeit, die Energie oder Ladung in jeder der Batterien ins Gleichgewicht zu bringen bzw. zu kompensie­ ren, verbessert die Lebensdauer der einzelnen Batterien sowie die nutzbare Kapazität des gesamten Pakets.

Ein Ausgleich des Batteriepakets ist ein Prozeß, durch den mehr Ladung zu den Batterien zurückgeführt wird, als z. B. durch die Fahrzeugnutzung oder Selbstentladung entnommen wur­ de. In einem Verfahren, in dem während eines Ausgleichs La­ dung zu allen Batterien in einem Paket gemeinsam zurückge­ führt wird, beginnen Batterien, die vollständig geladen sind oder bald vollständig geladen werden, in einem Überladungszu­ stand eine Sauerstoffrekombination und erzeugen Wärme, wäh­ rend Batterien in einem niedrigeren Ladungszustand weiter in der Leistungsfähigkeit zunehmen, bis auch sie eine Sauer­ stoffrekombination beginnen. Es wird angenommen, daß an die­ sem Punkt unter den Batterien im Paket ein SOC-Gleichgewicht erreicht worden ist.

Dieser Ausgleichsprozeß oder kompensierende Prozeß wird typischerweise über eine feste Zeitspanne nach einem normalen Wiederaufladen ausgeführt. Der Strom, der an die Batterien angelegt wird, wird so ausgewählt, daß er den effektivsten Ausgleich in der für das Verfahren vorgesehenen Zeit ergibt. Der Strom ist typischerweise ein niedriger Strom, der durch das Batteriepaket geleitet wird, um die schwächer geladenen Batterien hochzufahren, während die Entwicklung von Gas durch Elektrolyse in den überladenen Zellen minimiert wird. Dies verhält sich so, weil eine Batterie bei etwa 90% der vollen Ladung bei einer hohen Laderate eine reduzierte Effektivität der Ladungsaufnahme zeigt. Ein Betrieb bei dem niedrigen Strom zum Ladungsausgleich verlängert im allgemeinen den Ladeprozeß.

Eine Überladung erfordert offensichtlich zusätzliche La­ dungszeit und erhöht die Menge an nutzbarer, im Batteriepaket gespeicherter Energie nicht signifikant. Nachteile dieses Ansatzes beinhalten eine übermäßig verlängerte Ladungsdauer sowie einen zusätzlichen Energieverbrauch durch das thermi­ sche Steuerungssystem der Fahrzeugbatterie, da es veranlaßt wird, die durch Sauerstoffrekombination vollständig geladener Batterien erzeugte zusätzliche Wärme abzuführen, während andere im Paket den Ausgleichspegel erreichen.

In DE 694 18 570 T2 sind ein Verfahren zum Spannungsaus­ gleich von in Reihen geschalteten Traktionsbatterien für elektrische Fahrzeuge während der Wiederaufladung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.

In DE 44 42 825 A1 ist ein System zum Speichern elektri­ scher Energie für den Betrieb eines elektrischen Geräts, insbesondere den Antrieb eines Elektrofahrzeugs, beschrieben, das eine wiederaufladbare Hochtemperaturbatterie, insbesonde­ re auf Natrium/Metallchlorid- oder Natrium/Schwefel-Basis, und ein Batteriemanagementsystem aufweist, das für eine Ein­ stellung der Temperatur der Batterie sorgt, eine Leistungs­ stromabgabe oder -aufnahme der Batterie überwacht und schal­ tet, und über eine Kommunikationsschnittstelle mit anderen Steuereinrichtungen des Geräts bzw. Fahrzeugs kommunizieren kann.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Ladungszeit für einen Ausgleich zu reduzieren sowie den Energieverbrauch des thermischen Steuerungssystems während des Ausgleichs zu reduzieren.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5.

Dieses Ziel wurde in einem Gesichtspunkt der Erfindung, wie sie für Fahrzeuge wie z. B. elektrische Automobilsysteme angewendet wird, über die Erkenntnis erreicht, daß der Ausgleichsprozeß optimiert werden kann, falls er gleichzeitig mit anderen routinemäßigen Fahrzeugfunktionen im Rahmen einer Wartung während Zeitspannen ausgeführt wird, in denen die Temperatur des Batteriepakets in einem niedrigeren Tempera­ turbereich liegt. Falls z. B. das Fahrzeug im Ruhezustand ist und mit einem Ladegerät verbunden ist, wie z. B. beim Laden über Nacht, bietet sich eine Gelegenheit für einen optimalen Ausgleich. Dies wäre der Fall, wenn die Fahrzeugsysteme "auf­ wachen", um eine periodische, thermische Steuerung für die Batterien zu leisten. Ein Ausgleich ist auch optimal während einer Kühlung wie z. B. nach einem Wiederaufladungsvorgang.

Ein Ausgleichsstrom wird als Funktion der Umgebungsbedin­ gungen und Effektivität des thermischen Systems gewählt, die durch das Batteriepaket-Steuermodul festgestellt werden, so daß Wärme minimiert und dann auch einfacher vom Batteriepaket abgeführt werden kann, wodurch auch die Dauer des Prozesses verringert wird, die ansonsten verlängert werden würde, um übermäßige Wärme abzuleiten, die in kürzerer Zeit als der op­ timalen erzeugt werden würde. Ein Gelegenheitsausgleich bzw. ein Ausgleich zu einem günstigen Zeitpunkt wird daher häufi­ ger als typisch, zu zweckmäßigeren Zeiten und in einer Weise ausgeführt, um den Prozeß im Hinblick auf herrschende Bedin­ gungen zu optimieren. Es ist insbesondere wünschenswert, den Gelegenheitsausgleich zu einer Zeit durchzuführen, wenn die Batterien beim Start des Prozesses so vollständig wie möglich geladen sind.

Da die während eines Ausgleichs entwickelte Wärme im all­ gemeinen dem Strom proportional ist, wird es außerdem als weiter wünschenswert angesehen, den Ausgleichsstrom als Funk­ tion der Pakettemperatur sowie der Kühleffektivität des ther­ mischen Systems des Pakets zu ändern. Als Vorteile werden Re­ duzierungen der Ladungszeiten und des begleitenden Energie­ verbrauchs sowie eine verlängerte Langlebigkeit der Batterien durch Verringerung der Betriebstemperatur im Ausgleichsprozeß betrachtet.

Die vorliegende Erfindung in einer Form schafft eine ver­ besserte Batterieladevorrichtung und -verfahren mit einer Steuereinheit und einem Batterien ausgleichenden bzw. kompen­ sierenden System einschließlich eines Algorithmus, der das Laden mehrerer, in Reihe geschalteter Batterien eines Batte­ riepakets überwacht und ins Gleichgewicht bringt. Beispiels­ weise umfaßt wie z. B. in einem wiederaufladbaren Nickelme­ tallhydrid-Batteriepaket ein Verfahren zum Ausgleichen eines Ladungszustandes unter mehreren Batterien im Batteriepaket gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ein Bestimmen, ob das Paket-Kühlsystem in einem Kühlmodus und mit einem Kühlen des Paktes beschäftigt ist. Ein vorausgewählter Ladungszustand (SOC_min), unterhalb von dem ein Ausgleich nicht stattfinden wird, wurde zusammen mit einer ersten, vorausgewählten Paket­ temperatur (T_opp) eingerichtet, oberhalb der ein Ausgleich nicht stattfinden wird, wurden vorher als Arbeitskriterien eingerichtet. Ein zweites, vorausgewähltes Kriterium für die Einlaßtemperatur eines Kühlmediums (T_hi), oberhalb der man annimmt, daß die Effektivität einer Paketkühlung durch das Paket-Kühlsystem reduziert ist, wird vorzugsweise ebenfalls eingerichtet.

Die Temperatur wird dann aus der Gesamtpakettemperatur gemessen, wobei T_opp und T_hi vorzugsweise an einem Einlaß in das Paket-Kühlsystem gemessen werden, durch den ein Kühlmedi­ um vor einer Wärmeübertragung vom Paket strömt. Der Ladungs­ zustand des Pakets wird gemessen. Falls das Kühlsystem im Kühlmodus ist, wird bei einem ersten Strom ein Ladungsaus­ gleich im Paket eingeleitet, falls der Ladungszustand ober­ halb von SOC_min und die Gesamtpakettemperatur unterhalb von T_opp liegt. Ein Ladungsausgleich im Paket kann am bevorzugte­ sten zusätzlich bei einem zweiten Strom stattfinden, der niedriger als der erste Strom ist, wobei der zweite Strom am vorteilhaftesten als Funktion der Temperatur geändert wird, falls der Ladungszustand oberhalb von SOC_min und die Pakettem­ peratur unterhalb von T_opp liegt, die Einlaßtemperatur des Kühlmediums aber höher als T_hi ist. Der Ausgleich setzt sich fort, bis der Kühlmodus des Pakets abgeschlossen worden ist oder eine vorher eingerichtete Ampèrestunden-Eingabe erreicht worden ist.

Eine Vorrichtung zum verbesserten Ausgleich eines La­ dungszustandes in einem wiederaufladbaren, elektrochemischen Batteriesystem mit einer Reihenanordnung mehrerer Batterien in einem Paket und einem Paket-Kühlsystem mit einem Kühlmodus wird durch die vorliegende Erfindung gleichfalls geschaffen. Diese Vorrichtung enthält eine Batteriepaket-Steuereinheit mit einer Komparatorschaltung. Die Steuereinheit wird mit dem vorausgewählten Kriterium für den Ladungszustand (SOC_min), un­ terhalb von dem ein Ausgleich nicht stattfinden wird, und dem ersten, vorausgewählten Kriterium für die Pakettemperatur (T_opp) programmiert, oberhalb der ein Ausgleich nicht statt­ finden wird.

Ein Temperatursensor steht mit einem Abfühlpunkt für die Pakettemperatur in Verbindung und erzeugt ein Temperatursi­ gnal. Der Stromsensor stellt den Paketstrom fest, der zur Steuereinheit übertragen wird, um einen Ladungszustand durch das Verfahren einer Ampèrestunden-Integration zu berechnen.

Die Signalschaltungsanordnung überträgt die Temperatur- und Stromsignale zur Steuereinheit. Die Schaltungsanordnung für eine Ausgleichsladung koppelt eine Stromquelle mit jeder Bat­ terie.

Die Steuereinheit hat ein Ausgleichsprogramm, welches ei­ ne Ausgleichsladung von der Stromquelle bei einem ersten Strom einleitet, wenn der Ladungszustand oberhalb von SOC_min und die Pakettemperatur unterhalb von T_opp liegt. Die Steuer­ einheit wird ferner vorzugsweise mit einem zweiten vorausge­ wählten Kriterium für die Einlaßtemperatur eines Kühlmediums (T_hi) programmiert, oberhalb der man annimmt, daß die Effek­ tivität einer Paketkühlung durch das Paket-Kühlsystem redu­ ziert ist. Das Programm beginnt dann stattdessen einen Aus­ gleich von Ladung im Paket bei einem zweiten Strom, welcher niedriger als der erste Strom ist, falls der Ladungszustand oberhalb von SOC_min, die Pakettemperatur unterhalb von T_opp und die Einlaßtemperatur des Kühlmediums oberhalb von T_hi liegt.

Die Erfindung wird zusammen mit ihren Vorteilen bei Be­ trachtung der folgenden, ausführlichen Beschreibung einer Aus­ führungsform besser verstanden, die in Verbindung mit den Zeichnungen vorgenommen wird, in welchen:

Fig. 1 ein schematisches, blockartiges Diagramm der allge­ meinen Komponenten eines Systems gemäß der vorliegenden Er­ findung ist und

Fig. 2 ein Flußdiagramm einer Programmlogik zum Ausführen eines Systems für einen Gelegenheitsausgleich gemäß der vor­ liegenden Erfindung ist.

Zunächst ist nun in Fig. 1 ein blockartiges Diagramm ei­ ner gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese ist ein computergestütztes System zum dy­ namischen Bestimmen günstiger Zeitspannen für einen Batterie­ ausgleich, worauf im übrigen als ins Gleichgewicht bringen bzw. Kompensieren verwiesen wird. Kern des Systems ist ein Batteriepaket-Steuermodul ("BPM") 10 mit einem Ladealgorith­ mus 11, der die Ausgleichslogik 12 enthält, die im folgenden beschrieben wird. Das BPM weist relativ standardmäßig die üb­ liche CPU, einen Taktgeber, ROM, RAM, getrennte I/O- Anschlüsse, eine A/D-Umwandlungsschaltung, serielle Übertra­ gungs- und Datenverbindungen zur Übermittlung, Steuerung und Datenübertragung mit externen Geräten und dergleichen auf, die in der Technik bekannt sind.

Das Batteriepaket 15 ist eine standardmäßige Reihenanord­ nung einzelner Module 16, auf die hierin im übrigen als Bat­ terien oder Zellen Bezug genommen wird. In einer Anwendung der vorliegenden Erfindung sind diese mehrere Nickelhydrid­ zellen 16a, 16b, . . ., 16n zur Verwendung als Stromquelle für einen Kraftfahrzeugantrieb. Andere Zusatzgeräte eines Fahr­ zeuges können durch ein weiteres Batteriesystem gespeist wer­ den.

Temperaturablesungen für jede der Batterien werden von einem jeweiligen Temperatursensor, wie z. B. geeigneten Thermi­ storen oder Thermoelementen erhalten, die in den Zeichnungen als Linien 20a, 20b und 20n dargestellt sind. Ein Ladungszu­ stand (SOC) wird für das Batteriepaket über eine standardmä­ ßige, hier durch eine Linie 23 angegebene Ampèrestunden- Integration des Stromsignals ebenfalls bestimmt. Eine geeig­ nete Schaltungsanordnung überträgt Signale der Temperatur 20a, 20b und 20n und des Stroms 23 zum BPM.

Das Batteriepaket 15 weist ein standardmäßiges, thermi­ sches System zum Steuern der Temperatur des Batteriepakets auf, wie z. B. beim Ableiten oder Abschirmen von Wärme während Batterieladevorgängen. Das thermische System 25 kann z. B. flüssigkeits- oder luftgekühlt sein. Das verwendete Fluidme­ dium hat zumindest einen Einlaßpunkt in das thermische Sy­ stem, der hier als 25a angegeben ist. Ein anderer, durch eine Linie 21 angezeigter Temperatursensor überwacht die Tempera­ tur des Fluidmediums, wobei Signale über eine geeignete Schaltungsanordnung an das BPM geliefert werden. Über eine Leitung 22 wird auch ein Signal geliefert, das anzeigt, ob das thermische System 25 arbeitet oder nicht.

In Fig. 2 insbesondere ist ein repräsentatives Prozeßab­ laufdiagramm für eine Logiksequenz dargestellt, die von dem BPM 10 ausgeführt wird, um den Ausgleich zum günstigen Zeit­ punkt bzw. Gelegenheitsausgleich der vorliegenden Erfindung auszuführen. Fig. 2 ist im wesentlichen ein Organisations- oder Hauptschleifenprogramm, welches Subroutinen zum Ausfüh­ ren verschiedener Aufgaben enthält. Diese Subroutinen werden hier nicht in allen Details beschrieben, da sie im wesentli­ chen standardmäßig und von sich aus gut verstanden sind.

Bei Block 300 liest das BPM das Eingangssignal 22, um zu Anfang zu bestimmen, ob das thermische System 25 in einem Kühlzyklus arbeitet oder nicht. Falls nicht, wird kein Gele­ genheitsausgleich durchgeführt, wie durch Block 310 angegeben ist. Falls das thermische System 25 in Betrieb ist, wird dann eine Temperaturablesung der Medientemperatur des thermischen Systems vorgenommen (Signal 21). Diese Temperatur des Fluid­ mediums, die als ein Temperaturzustand des allgemeinen oder gesamten Batteriepakets gleichgesetzt wird, wird dann mit der Pakettemperatur verglichen, oberhalb der nicht erwünscht ist, daß ein Ausgleich stattfindet (T_opp). Die Ausgleichslogik 11 des BPM bestimmt auch einen Gesamt-SOC, der dann mit einem SOC verglichen wird, unterhalb von dem nicht erwünscht ist, daß ein Ausgleich stattfindet (SOC_min). T_opp und SOC_min sind vorbestimmte, in eine Komparatorschaltung des BPM program­ mierte Werte. Diese Schwellenwerte von T_opp und SOC_min werden aus im wesentlichen repräsentativen Werten abgeleitet, die in Batterien des im System genutzten Typs erfahren und empirisch bestimmt wurden. SOC ist im allgemeinen eine Funktion der vollen Kapazität der Batterie bei einem Ladungszustand von 100% (Qf) und der vom Paket entnommenen, kumulativen Kapazi­ tät (Qd) gemäß der folgenden Formel:

SOC = (Qf - Qd)/Qf,

die den Ladungszustand als Verhältnis einer nicht entnommenen Ladung zu einer vollen Ladung ergibt.

Wie in Blöcken 330 und 340 veranschaulicht ist, wird, falls das Pakettemperatursignal 20a, 20b, 20n oberhalb von T_opp oder der SOC oberhalb von SOC_min liegt, dann ein Gelegen­ heitsausgleich nicht ausgeführt, wie durch Blöcke 331 und 341 angegeben ist. Falls die Bedingungen der Blöcke 330 und 340 erfüllt sind, wird danach ein Vergleich diesbezüglich vorge­ nommen, ob die Einlaßtemperatur des thermischen Systems ober­ halb eines vorbestimmten Wertes liegt, bei dem angenommen wird, daß die Kühleffektivität reduziert ist (T_hi), wie bei Block 350 angegeben ist. T_hi ist wieder ein in die Kompara­ torschaltung des BPM programmierter Wert.

Falls der Vergleich bei Block 350 eine Temperatur angibt, die niedriger als T_hi ist, veranschaulicht der Block 351 ei­ nen Prozeß eines Gelegenheitsausgleichs, der dann im Gange ist, wobei ein Kompensieren bei einem Strom ausgeführt wird, der für eine Paketkühlung ausgewählt wurde, die dann bei ei­ ner effizienteren oder effizientesten Rate stattfindet, (I_hi). Der Ausgleich setzt sich bei I_hi fort während einer vorausge­ wählten Zeitspanne ("x") von Ampèrestunden, die im allgemei­ nen mit der herkömmlichen Konstruktionskapazität der Batteri­ en zusammenhängt, die gemäß wohlbekannten Verfahren bestimmt wird, oder bis der normale Wartungsprozeß für die Paketküh­ lung abgeschlossen worden ist.

Sollte die Einlaßtemperatur (Signal 21) oberhalb T_hi lie­ gen, veranschaulicht Block 352 einen Prozeß eines Gelegen­ heitsausgleichs, der im Gange ist, wobei ein Kompensieren bei einem Strom ausgeführt wird, der für Bedingungen ausgewählt wurde, bei denen angenommen wird, daß die Effektivität der Paketkühlung reduziert ist (I_lo). Der Ausgleich setzt sich gleichfalls bei I_lo fort für x Ampèrestunden (A/h), oder bis die Paketkühlung abgeschlossen worden ist.

Wie oben festgestellt wurde, wird der Gelegenheitsaus­ gleich in Verbindung mit einer anderen Batteriewartungs­ arbeit, typischerweise während einer Kühlung der Batterie, ausgeführt. Diese Ereignisse lösen einen Beginn der Aus­ gleichslogik aus, die mit Block 300 beginnt. Ein optimierter Strom wird angelegt, der die Batterien im Paket ausgleicht, während die Erzeugung von Wärme durch Überladen minimiert wird, so daß die Dauer der Paketkühlung gleichfalls minimiert wird. I_lo und I_hi können überdies kontinuierlich als Funktion einer Gesamtpakettemperatur und Kühleffektivität des thermi­ schen Systems 25 geändert werden, wie durch eine geeignete Nachschlagetabelle in der Komparatorschaltung des BPM vorge­ sehen ist. Quellen eines Ladungsstroms beinhalten Stromquel­ len außerhalb des Fahrzeugs, wie z. B. standardmäßige, externe Paketladegeräte und/oder Quellen von Gegenstrombremsen am Fahrzeug.

In einer Anwendung der Erfindung war das verwendete Sy­ stem ein luftgekühltes System, d. h. Umgebungsluft wurde als das Kühlmedium in einer nicht umwälzenden Anordnung verwen­ det. Der relevante Batterietyp war ein Nickelmetallhydrid- Tiefzyklus mit einer Kapazität von ungefähr 90-100 Ampère­ stunden, 200 W/kg und einer spezifischen Energie von 65 W­ h/kg.

Die Temperatur T_hi wurde am Lufteinlaß genommen, um da­ durch den Effekt der Temperatur der Umgebungsluft zu berück­ sichtigen und die Kühleffektivität des Luftstroms (Kühl­ medium) einzustellen, der auf das Batteriepaket angewendet wurde. Je höher die Temperatur des Kühlmediums war, desto we­ niger effektiv war die Wärmeübertragung vom Batteriepaket.

Die spezielle, gewählte T_hi betrug 12°C. Sie wurde empi­ risch erreicht, wobei sie im wesentlichen nach dem Zeitumfang eingestellt wurde, der nötig war, um das Batteriepaket im allgemeinen über die Spanne eines typischen, nutzungsfreien Zyklus während der Nacht zu kühlen. T_hi ist somit eine Funk­ tion des relevanten Typs eines Batteriepakets.

Es sollte zusätzlich besonders erwähnt werden, daß beim Umwälzen von Kühlmedium (wie z. B. eines flüssigen Kühlmit­ tels), wobei die Temperatur des an das Batteriepaket abgege­ benen Kühlmittels eher gesteuert werden kann, T_hi im wesent­ lichen aus der Gleichung herausfällt, wie im wesentlichen durch das geschlossene Schleifensystem erfüllt wird, das ver­ mutlich bei einer geringeren Temperatur als T_hi arbeitet. Dies würde auch I_lo als Faktor effektiv beseitigen, da wieder angenommen werden könnte, daß das thermische System stets bei einer geringeren Temperatur als T_hi arbeitet.

T_opp wurde in der vorhergehenden Anwendung so gewählt, daß am Ende des Ausgleichsprozesses keine unerwünschte Wärmemenge erzeugt wurde. Dies war eine empirische Bestimmung und wurde insbesondere im Hinblick auf eine Vermeidung einer thermi­ schen Zerstörung vorgenommen. In der beispielhaften Ausfüh­ rungsform wurde ein T_opp von 38°C genutzt.

SOC_min wurde bei 97% ausgewählt, was ein Punkt ist, an dem die Batterie nicht vollständig geladen ist und sie daher einen gewissen Teil des Stroms nutzt, der zum Gelegenheits­ ausgleich gedacht ist, um einen Ladungszustand von 100% zu erreichen, und danach mit dem Ausgleich fortfährt.

I_lo und I_hi wurden als ziemlich standardmäßige Werte für diesen Typ eines Batteriepakets und Kühlmediums gewählt, die im wesentlichen ausgewählt wurden, um eine thermische Zerstö­ rung zu vermeiden. I_lo betrug 2 A und I_hi 4 A. Die Ampèrestun­ den-Grenze für einen Ausgleich war bei 7 A/h festgelegt. Ob­ gleich vom Batterietyp abhängig sollte die für diese Anwen­ dung festgelegte Grenze die Ampèrestunden beinhalten, die erforderlich sind, um zuerst einen Ladungszustand von 100% zu erreichen und dann in den Ausgleich einzutreten und ihn abzu­ schließen.

Obgleich die Erfindung bezüglich einer gegenwärtig bevor­ zugten Ausführungsform diskutiert wurde, erkennt der Fachmann verschiedene Modifikationen, Variationen und Alternativen, die noch in den beabsichtigten Umfang der Erfindung fallen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Ausgleichen eines Ladungszustandes unter mehre­ ren Batterien (16a, 16b, 16c) in einem wiederaufladbaren, elektro­ chemischen Batteriesystem mit einer Reihenanordnung der Batte­ rien in einem Paket (15) und einem Paket-Kühlsystem (25) mit ei­ nem Kühlmodus unter Verwendung eines Kühlmediums, aufwei­ send die Schritte:
Bestimmen, ob das Paket-Kühlsystem (25) im Kühlmodus ist und mit einer Paketkühlung beschäftigt ist;
Einrichten eines vorausgewählten Schwellwertes für den Ladungs­ zustand (SOC_min), unterhalb dessen ein Ausgleich nicht stattfinden wird;
Einrichten eines ersten, vorausgewählten Schwellwertes für die Pakettemperatur (T_opp), oberhalb dessen ein Ausgleich nicht statt­ finden wird;
Einrichten eines zweiten, vorausgewählten Schwellwertes für eine Kühlmedientemperatur (T_hi), oberhalb dessen angenommen wird, daß die Effektivität einer Paketkühlung durch das Paket- Kühlsystem (25) reduziert ist;
Messen der Gesamtpakettemperatur;
Berechnen des Ladungszustandes, und
falls das Kühlsystem (25) im Kühlmodus ist,
Einleiten eines La­ dungsausgleichs im Paket (15) bei einem ersten Strom, falls der La­ dungszustand oberhalb des vorausgewählten Schwellwertes für den Ladungszustand (SOC_min), die Gesamtpakettemperatur unterhalb des ersten, vorausgewählten Schwellwertes für die Pakettemperatur (T_opp) liegt und die Kühlmedientemperatur niedriger als der zweite Schwellwert für die Kühlmedientemperatur (T_hi) ist, oder
Einleiten eines Ladungsausgleichs im Paket (15) bei einem zweiten Strom, der niedriger als der erste Strom ist, falls der Ladungszustand oberhalb des vorausgewählten Schwellwertes für den Ladungszustand (SOC_min) und die Pakettemperatur unterhalb des ersten, vorausgewählten Schwellwertes für die Pakettemperatur (T_opp), aber die Kühlmedien­ temperatur oberhalb des zweiten Schwellwertes für die Kühlmedien­ temperatur (T_hi) liegt.

2. Ausgleichsverfahren nach Anspruch 1, worin die Kühlmedientempe­ ratur (T_hi) gemessen wird, um die Kühlmedientemperatur zu bestimmen, wie sie auf das Paket (15) angewendet wird.

3. Ausgleichsverfahren nach Anspruch 1, worin der zweite Strom als Funktion der Temperatur geändert wird.

4. Ausgleichsverfahren nach Anspruch 1, worin ein Ausgleich sich fortsetzt, bis der Paket-Kühlmodus abgeschlossen oder eine vorbe­ stimmte Ampèrestunden-Eingabe erreicht worden ist.

5. Verfahren zum Ausgleichen eines Ladungszustandes unter mehre­ ren Batterien (16a, 16b, 16c) in einem wiederaufladbaren Nickelme­ tallhydrid-Batteriepaket (15), wobei das Batteriepaket eine Reihen­ anordnung der Batterien (16a, 16b, 16c) im Paket (15) und ein Pa­ ket-Kühlsystem (25) mit einem Kühlmedium und einem Kühlmodus aufweist, mit den Schritten:
Bestimmen, ob das Paket-Kühlsystem (25) im Kühlmodus ist und mit einer Paketkühlung beschäftigt ist;
Einrichten eines vorausgewählten Schwellwertes für den Ladungs­ zustand (SOC_min), unterhalb dessen ein Ausgleich nicht stattfinden wird;
Einrichten eines ersten, vorausgewählten Schwellwertes für die Pakettemperatur (T_opp), oberhalb dessen ein Ausgleich nicht statt­ finden wird;
Einrichten eines zweiten, vorausgewählten Schwellwertes für die Kühlmedientemperatur (T_hi), oberhalb der angenommen wird, daß die Effektivität einer Paketkühlung durch das Paket-Kühlsystem (25) reduziert ist;
Messen der Gesamtpakettemperatur, wobei die Kühlmedientempera­ tur an einem Punkt im Paket-Kühlsystem gemessen wird, durch den das Kühlmedium vor einer Wärmeübertragung vom Paket (15) strömt, um die Temperatur des Kühlmediums einzustellen, wie es auf das Paket angewendet wird;
Messen des Ladungszustandes, und
falls das Kühlsystem (25) im Kühlmodus ist,
Einleiten eines La­ dungsausgleichs im Paket (15) bei einem ersten Strom, falls der La­ dungszustand oberhalb des Schwellwertes für den Ladungszustand (SOC_min) und die Gesamtpakettemperatur unterhalb des ersten Schwellwertes für die Pakettemperatur (T_opp) liegt und die Kühlme­ dientemperatur niedriger als der zweite Schwellwert für die Kühlme­ dientemperatur ist, oder
Einleiten eines Ladungsausgleichs im Pa­ ket (15) bei einem zweiten Strom, der niedriger als der erste Strom ist,
wobei der zweite Strom als Funktion der Temperatur geändert wird, falls der Ladungszustand oberhalb des Schwellwertes für den Ladungszustand (SOC_min) und die Pakettemperatur unterhalb des ersten Schwellwertes für die Pakettemperatur (T_opp) liegt, die Kühl­ medientemperatur aber oberhalb des zweiten Schwellwertes für die Kühlmedientemperatur liegt,
wobei ein Ausgleich sich fortsetzt, bis der Paket-Kühlmodus abgeschlossen oder eine voreingestellte Ampè­ restunden-Eingabe erreicht worden ist.

6. Vorrichtung zum Ausgleich eines Ladungszustandes in einem wie­ deraufladbaren, elektrochemischen Batteriesystem mit einer Reihen­ anordnung mehrerer Batterien (16a, 16b, 16c) in einem Paket (15) und einem Kühlsystem (25) mit einem Kühlmodus, aufweisend:
eine Batteriepaket-Steuereinheit (10) mit einer Leitung (22) zur Zuführung eines Signals, das anzeigt, ob das Kühlsystem arbeitet, und einer Komparatorschaltung (11), wobei die Steuereinheit (10) mit einem vorausgewählten Schwellwert für den Ladungszustand (SOC_min) programmiert ist, unterhalb dessen ein Ausgleich nicht stattfinden wird, einem ersten, vorausgewählten Schwellwert für die Pakettemperatur (T_opp), oberhalb dessen ein Ausgleich nicht statt­ finden wird und mit einem zweiten, vorausgewählten Schwellwert für die Kühlmedientemperatur (T_hi), oberhalb dessen angenommen wird, daß die Effektivität einer Paketkühlung durch das Paket- Kühlsystem reduziert ist;
einen Temperatursensor (20a, 20b, 20c), der mit einem Abfühlpunkt für die Pakettemperatur in Verbindung steht, wobei der Tempera­ tursensor (20a, 20b, 20c) ein Temperatursignal erzeugt;
einen Stromsensor (23), der mit dem Batteriepaket (15) in Verbin­ dung steht, um den Ladungszustand zu berechnen;
eine Signalschaltung, die das Temperatursignal und das Stromsig­ nal zur Steuereinheit überträgt;
eine Ausgleichsladungsschaltung, die eine Stromquelle mit jeder besagten Batterie verbindet, wobei die Steuereinheit (10) ein Ausgleichsprogramm aufweist, das das Signal, das anzeigt, ob das Kühlsystem (25) arbeitet, liest, um zu bestimmen, ob das Kühlsystem in einem Kühlzyklus arbeitet oder nicht, und, wenn das Kühlsystem in Betrieb ist, eine Aus­ gleichsladung von der Stromquelle bei einem ersten Strom beginnt, wenn der Ladungszustand oberhalb des Schwellwertes für den Ladungszustand (SOC_min) und die Pakettemperatur unterhalb des ers­ ten Schwellwertes für die Pakettemperatur (T_opp) liegt und eine Aus­ gleichsladung von der Stromquelle bei einem zweiten Strom einlei­ tet, der niedriger als der erste Strom ist, falls der Ladungszustand oberhalb des Schwellwertes für den Ladungszustand (SOC_min) und die Pakettemperatur unterhalb des ersten Schwellwertes für die Pa­ kettemperatur (T_opp), die Kühlmedientemperatur aber oberhalb des zweiten Schwellwertes für die Kühlmedientemperatur liegt.

7. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 6, worin das Programm und damit die Steuereinheit (10) den zweiten Strom als Funktion der Temperatur ändert.

8. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 7, worin das Programm und damit die Steuereinheit (10) einen Ausgleich fortsetzt, bis der Paket- Kühlmodus abgeschlossen worden ist oder eine vorbestimmte Am­ pèrestunden-Eingabe erreicht worden ist.