DE10150376A1

DE10150376A1 - Vorrichtung zum Ausgleich des Ladezustands von in Reihe geschalteten Akkumulatoren

Info

Publication number: DE10150376A1
Application number: DE10150376A
Authority: DE
Inventors: Klaus Beulich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2003-04-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleich des Ladezustands von in Reihe geschalteten Akkumulatoren. Sie weist einen Kondensator, mehrere zwischen dem Kondensator und den Akkumulatoren angeordnete Schalter und eine Logik auf, die zur Messung der an den Akkumulatoren anliegenden Spannungen und beim Überschreiten eines vorgegebenen Differenz-Schwellenwertes zwischen den an den Akkumulatoren anliegenden Spannungen zur Aktivierung eines die Schalter steuernden Treibers dient. Dabei wird ein Kondensator zum Zwecke eines Ladungsaustausches über die Schalter abwechselnd mit den einzelnen Akkumulatoren verbunden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Ausgleich des Ladezustands von in Reihe geschalteten Akkumulatoren. Eine derartige Vorrichtung wird beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet, das zwei in Serie geschaltete Batterien aufweist, die von einem Generator versorgt werden.
Die genannte Serienschaltung mehrere Batterien dient zu einer Erhöhung der Spannung. Durch Fertigungstoleranzen, unterschiedliches Alter oder unterschiedliche Belastung können die Spannungen der einzelnen Batterien voneinander abweichen. Dies führt beim Laden zu einem Überladen der Zellen, die eine höhere Spannung aufweisen. Beim Entladen kann ein vorzeitiger Spannungseinbruch des Akkuverbunds oder gar eine schädigende Tiefentladung die Folge sein. Die Folge der Verwendung eines unsymmetrischen Akkuverbundes ist in jedem Fall ein vorzeitiger Ausfall. Werden viele Zellen in Reihe geschaltet, wie beispielsweise bei einem E-Fahrzeug, ist damit eine entsprechend schlechte Ausnutzung der teuren Ressource Batterie verbunden. Um dem entgegen zu wirken, müsste jede einzelne Zelle mit einem separaten Ladegerät geladen werden.

Kraftfahrzeug-Bordnetze, die zwei von einem Generator versorgte Batterien aufweisen, sind beispielsweise aus der DE 26 03 783 A1 bekannt. Dort ist ein Spannungsregler für ein solches Bordnetz mit zwei in Serie geschalteten Batterien beschrieben, bei dem die eine Batterie zur Versorgung eines Hauptbordnetzes und die andere Batterie zur Versorgung eines weiteren Bordnetzes vorgesehen ist. Dabei wird die Spannung des Hauptbordnetzes mittels eines herkömmlichen Spannungsreglers, der den Erregerstrom des Generators beeinflusst, geregelt. Zusätzlich wird durch die für das Hauptbordnetz wirksame Spannungsregelung auch die Spannung für das zusätzliche Bordnetz beeinflusst. Beim Einsatz eines solchen Spannungsreglers können jedoch, falls Batterien verschiedenen Zustands, beispielsweise Alter, Legierungssystem, Separation oder Batterien mit verschiedenen Kapazitäten verwendet werden, Probleme bei der Erreichung eines guten Ladezustands für beide Batterien auftreten. Dasselbe gilt im Fall ungleichmäßiger Belastung der Batterien.

Weiterhin ist aus der DE 39 33 541 A1 eine Einrichtung zur Symmetrierung der Ladespannung eines Bordnetzes bekannt, das zwei in Serie geschaltete Batterien aufweist, die von einem Generator versorgt werden. Bei dieser bekannten Einrichtung wird der Ladestrom bevorzugt auf die Batterie mit der geringeren Spannung geführt und dadurch eine ungleichmäßige Aufladung der beiden Batterien vermieden.

Vorteile der Erfindung

Eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, dass der Ladungsausgleich zwischen den Akkumulatoren immer erfolgen kann, d. h. sowohl beim Laden als auch beim Entladen als auch im Stillstand. Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass zu ihrer Realisierung nur ein geringer Schaltungsaufwand notwendig ist. Weiterhin treten bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung nur geringe Verluste auf, da sie nur dann arbeitet, wenn sie gebraucht wird. Es ist keine Spannungsregelung und auch kein Abgleich erforderlich. Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann zusätzlich zu einem vorhandenen Ladegerät eingesetzt werden. Das beanspruchte Schaltungsprinzip arbeitet mit beliebig vielen in Reihe geschalteten Akkumulatoren.

Es spielt grundsätzlich keine Rolle, an welchem der Akkumulatoren eine höhere Spannung anliegt. Der Kondensator übernimmt die Ladung vom Akkumulator mit der höheren Spannung und gibt sie an den bzw. die Akkumulatoren geringerer Spannung ab.

Zeichnung

Nachfolgend werden anhand der Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele für die Erfindung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung.

Beschreibung

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die gezeigte Vorrichtung weist zwei in Reihe geschaltete Akkumulatoren oder Ladungsspeicher bzw. wiederaufladbare Batterien B1 und B2 auf. Die an der Batterie B1 abgreifbare Batteriespannung beträgt U1. Die Kathode der Batterie B1 ist mit Masse verbunden.
Die an der Batterie B2 abgreifbare Batteriespannung beträgt U2. Die Kathode der Batterie B2 ist mit der Anode der Batterie B1 verbunden.
Weiterhin ist sowohl die Anode der Batterie B1 als auch die Anode der Batterie B2 mit einer Logik L verbunden. Deren Aufgabe besteht darin, die an den Batterien anliegenden Spannungen U1 und U2 zu messen, deren Differenz zu bilden und den ermittelten Differenzwert mit einem vorgegebenen Differenz- Schwellenwert zu vergleichen. Ist der ermittelte Differenzwert größer als der vorgegebene Differenz-Schwellenwert, dann aktiviert die Logik einen Treiber T, welcher Steuersignale s1, s2, s3 und s4 für die Schalter S1, S2, S3 und S4 erzeugt. Diese Schalter sind vorzugsweise als MOSFETs realisiert.
Der Schalter S1 ist zwischen einem ersten Anschluss eines Kondensators C und der Anode der Batterie B2, d. h. dem massefernen Anschluss der in Reihe geschalteten Batterien, angeordnet und wird mit dem Steuersignal s1 beaufschlagt.
Der Schalter S2 ist zwischen dem zweiten Anschluss des Kondensators C und Masse angeordnet und wird mit dem Steuersignal s2 beaufschlagt.
Der Schalter S3 ist zwischen dem zweiten Anschluss des Kondensators C und dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Batterien B1 und B2 angeordnet und wird mit dem Steuersignal s3 beaufschlagt.
Der Schalter S4 ist zwischen dem ersten Anschluss des Kondensators C und dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Batterien B1 und B2 angeordnet und wird mit dem Steuersignal s4 beaufschlagt.
Nach der Aktivierung des Treibers T werden die Steuersignale s1, s2, s3 und s4 im Sinne der folgenden Ansteuerung der Schalter erzeugt:

- in einem ersten Schritt werden die Schalter S2 und S4 geschlossen, d. h. in den leitenden Zustand gebracht. Dies hat zur Folge, dass sich der Kondensator C auf den Spannungswert D1 auflädt;
- danach werden in einem zweiten Schritt die Schalter S2 und S4 wieder geöffnet, d. h. in den gesperrten Zustand gebracht;
- in einem dritten Schritt werden anschließend die Schalter S1 und S3 geschlossen. Dies hat zur Folge, dass ein Spannungsausgleich zwischen dem Kondensator und der Batterie B2 erfolgt;
- danach werden in einem vierten Schritt die Schalter S1 und S3 wieder geöffnet.

Dieser Schaltersteuerzyklus wird solange wiederholt, bis der in der Logik L ermittelte Differenzwert kleiner ist als der vorgegebene Differenz-Schwellenwert. Dann wird der Treiber T von der Logik L wieder deaktiviert.
In vorteilhafter Weise kann ein Nachlauf oder eine Mindesteinschaltzeit vorgesehen sein.
Bei der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung erfolgt nach alledem ein Ladungsaustausch über einen Kondensator C, welcher abwechselnd über Schalter mit den einzelnen Batterien verbunden wird.
Dabei ist es unerheblich, ob die Spannung U2 größer ist als die Spannung U1 oder umgekehrt. Der Kondensator C übernimmt in beiden Fällen die Ladung von der Batterie mit der höheren Spannung und gibt sie an die Batterie mit der niedrigeren Spannung ab.
Die Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die gezeigte Vorrichtung weist drei in Reihe geschaltete Akkumulatoren bzw. wiederaufladbare Batterien B1, B2 und B3 auf. Die an der Batterie B1 abgreifbare Batteriespannung beträgt U1. Die Kathode der Batterie B1 ist mit Masse verbunden.
Die an der Batterie B2 abgreifbare Batteriespannung beträgt U2. Die Kathode der Batterie B2 ist mit der Anode der Batterie B1 verbunden.
Die an der Batterie B3 abgreifbare Batteriespannung beträgt, U3. Die Kathode der Batterie B3 ist mit der Anode der Batterie B2 verbunden.
Weiterhin ist sowohl die Anode der Batterie B1 als auch die Anode der Batterie B2 als auch die Anode der Batterie B3 mit einer Logik L verbunden. Deren Aufgabe besteht darin, die an den Batterien anliegenden Spannungen U1, U2 und U3 zu messen, deren Differenzen zu bilden und die ermittelten Differenzwerte mit einem vorgegebenen Differenz-Schwellenwert zu vergleichen. Ist einer der ermittelten Differenzwerte größer als der vorgegebene Differenz-Schwellenwert, dann aktiviert die Logik einen Treiber T, welcher Steuersignale s1, s2, s3, s4, s5 und s6 für die Schalter S1, S2, S3, S4, S3 und S6 erzeugt. Diese Schalter sind vorzugsweise als MOSFETs realisiert.
Der Schalter S1 ist zwischen einem ersten Anschluss eines Kondensators C und der Anode der Batterie B3, d. h. dem massefernen Anschluss der in Reihe geschalteten Batterien, angeordnet und wird mit dem Steuersignal s1 beaufschlagt.
Der Schalter S2 ist zwischen dem zweiten Anschluss des Kondensators C und Masse angeordnet und wird mit dem Steuersignal s2 beaufschlagt.
Der Schalter S3 ist zwischen dem zweiten Anschluss des Kondensators C und dem Verbindungspunkt zwischen den Batterien B2 und B3 angeordnet und wird mit dem Steuersignal s3 beaufschlagt.
Der Schalter S4 ist zwischen dem ersten Anschluss des Kondensators C und dem Verbindungspunkt zwischen den Batterien B2 und B3 angeordnet und wird mit dem Steuersignal s4 beaufschlagt.
Der Schalter S5 ist zwischen dem zweiten Anschluss des Kondensators C und dem Verbindungspunkt zwischen den Batterien B1 und B2 angeordnet und wird mit dem Steuersignal s5 beaufschlagt.
Der Schalter S6 ist zwischen dem ersten Anschluss des Kondensators C und dem Verbindungspunkt zwischen den Batterien B1 und B2 angeordnet und wird mit dem Steuersignal s6 beaufschlagt.
Nach der Aktivierung des Treibers T werden die Steuersignale s1, s2, s3, s4, s5 und s6 im Sinne der folgenden Ansteuerung der Schalter erzeugt:

- in einem ersten Schritt werden die Schalter S2 und S6 geschlossen, d. h. in den leitenden Zustand gebracht. Dies hat zur Folge, dass sich der Kondensator C auf den Spannungswert U1 auflädt;
- danach werden in einem zweiten Schritt die Schalter S2 und S6 wieder geöffnet, d. h. in den gesperrten Zustand gebracht;
- in einem dritten Schritt werden anschließend die Schalter S4 und S5 geschlossen. Dies hat zur Folge, dass ein Spannungsausgleich zwischen dem Kondensator und der Batterie B2 erfolgt;
- danach werden in einem vierten Schritt die Schalter S4 und S5 wieder geöffnet;
- in einem fünften Schritt werden danach die Schalter S1 und S3 geschlossen. Dies hat zur Folge, dass ein Spannungsausgleich zwischen dem Kondensator und der Batterie B3 erfolgt;
- danach werden in einem sechsten Schritt die Schalter S1 und S3 wieder geöffnet.

Dieser Schaltersteuerzyklus wird solange wiederholt, bis alle in der Logik L ermittelten Differenzwerte kleiner sind als der vorgegebene Differenz-Schwellenwert. Dann wird der Treiber T von der Logik L wieder deaktiviert.
In vorteilhafter Weise kann ein Nachlauf oder eine Mindesteinschaltzeit vorgesehen sein.
Auch bei der in der Fig. 2 dargestellten Vorrichtung erfolgt nach alledem ein Ladungsaustausch über einen Kondensator C, welcher abwechselnd über Schalter mit den Batterien B1, B2 und B3 verbunden wird.
Auch dabei ist es unerheblich, welche der Spannungen U1, U2 und U3 größer ist als die jeweils anderen Spannungen. Der Kondensator C übernimmt stets Ladung von der Batterie mit der höheren Spannung und gibt sie an eine Batterie mit niedrigerer Spannung ab.

Claims

1. Vorrichtung zum Ausgleich des Ladezustands von in Reihe geschalteten Akkumulatoren oder Ladungsspeichern, mit:
einem Kondensator (C),
mehreren zwischen dem Kondensator und den Akkumulatoren (B1, B2, . . .) angeordneten Schaltern (S1, S2, . . .),
einer Logik (L), die zur Messung der an den Akkumulatoren anliegenden Spannungen und beim Überschreiten eines vorgegebenen Differenz-Schwellenwertes zwischen den an den Akkumulatoren anliegenden Spannungen zur Aktivierung eines die Schalter steuernden Treibers (T) dient, wobei
der Kondensator (C) zum Zwecke eines Ladungsaustausches über die Schalter (S1, S2, . . .) abwechselnd mit den einzelnen Akkumulatoren (B1, B2, . . .) verbindbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie
zwei in Reihe geschaltete Akkumulatoren (B1, B2) und
vier Schalter (S1, S2, S3, S4) aufweist, wobei
ein erster der Schalter (S1) zwischen einem ersten Anschluss des Kondensators (C) und dem massefernen Anschluss der in Reihe geschalteten Akkumulatoren,
ein zweiter der Schalter (S2) zwischen dem zweiten Anschluss des Kondensators (C) und Masse, ein dritter der Schalter (S3) zwischen dem zweiten Anschluss des Kondensators (C) und dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Akkumulatoren und
ein vierter der Schalter (S4) zwischen dem ersten Anschluss des Kondensators (C) und dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Akkumulatoren angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie
drei in Reihe geschaltete Akkumulatoren (B1, B2, B3) und
sechs Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) aufweist, wobei ein erster der Schalter (S1) zwischen einem ersten Anschluss des Kondensators (C) und dem massefernen Anschluss der in Reihe geschalteten Akkumulatoren,
ein zweiter der Schalter (S2) zwischen dem zweiten Anschluss des Kondensators und Masse,
ein dritter der Schalter (S3) zwischen dem zweiten Anschluss des Kondensators (C) und dem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten und dritten der Akkumulatoren,
ein vierter der Schalter (S4) zwischen dem ersten Anschluss des Kondensators (C) und dem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten und dritten der Akkumulatoren,
ein fünfter der Schalter (S5) zwischen dem zweiten Anschluss des Kondensators (C) und dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und zweiten der Akkumulatoren, und
ein sechster der Schalter (S6) zwischen dem ersten Anschluss des Kondensators (C) und dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und zweiten der Akkumulatoren angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter MOSFETs sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Logik (L) den Treiber (T) dann, wenn die Differenz der an den Akkumulatoren anliegenden Spannungen den vorgegebenen Differenz-Schwellenwert unterschreitet, deaktiviert.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des Treibers (T) jeweils für eine vorgegebene Mindesteinschaltzeit erfolgt.