DE10157859A1 - Pseudo-parallele Ladesysteme und -verfahren - Google Patents

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Bereitstellung eines verbesserten Ladewirkungsgrades und zur Verringerung der Ladesystemkosten, wenn segmentierte Batterien geladen werden. Ein Stromschaltgerät (20) führt einen Ladestrom von einer Ladequelle einem ausgewählten Segment (14, 16) der Batterie (12) zu, während sich die restlichen Segmente in einem Relaxationsmodus befinden und keinen Ladestrom empfangen. Eine Segmentauswahleinrichtung (20) konfiguriert das Stromschaltgerät periodisch um, um einem weiteren Segment der Batterie einen Ladestrom zuzuführen. Infolgedessen wird jede der in Reihe geschalteten Zellen der Batterie abwechselden Lade- und Relaxationsperioden ausgesetzt, bis die Batterie einen angestrebten Ladezustand erreicht hat.

Description

Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Batterieladesysteme, und im Besonderen das Laden einer Reihe von Batteriezellen als eine Ansamm­ lung von pseudo-parallelen Batteriesegmenten.

Die Verwendung von Batterieladegeräten zum periodischen Wiederaufla­ den von sekundären Energiezellen, wie beispielsweise wieder aufladbare Batterien, Akkumulatoren, sekundäre Batterien, Batteriepakete, Speicher­ zellen oder dergleichen, ist allgemein bekannt. Bestimmte Anwendungen, wie beispielsweise Batteriesysteme in Elektrofahrzeugen, wenden eine lange Kette aus in Reihe geschalteten Batteriezellen an. Diese "langketti­ gen" Batteriesysteme werden typischerweise unter Verwendung eines Ladegerätes mit hoher Wattleistung geladen, das beispielsweise für ein Laden mit konstantem Stromkonstanter Spannung (constant-current/constant-voltage = CI/CV) eingerichtet sein kann.

Ladesysteme für langkettige Batterien haben jedoch an eine Anzahl von Nachteilen und Einschränkungen. Im Besonderen ist ein Ladesystem mit hoher Wattleistung erforderlich, und die Zellen der Batterie sind oft be­ trächtlichen Niveaus von sowohl Unterladen als auch Überladen ausge­ setzt, das sowohl zu einer herabgesetzten Batteriekapazität als auch zu einer herabgesetzten Lebenserwartung der Batterie führen kann.

Dementsprechend gibt es einen Bedarf für ein Batterieladegerät, dass das effiziente Laden von Batterien und Batteriesystemen erlaubt, die irgendeine Anzahl von Zellen enthalten. Die vorliegende Erfindung kommt diesem Bedarf sowie weiteren nach, während sie die Mängel der früheren Lade­ systeme beseitigt.

Die vorliegende Erfindung sorgt für ein pseudo-paralleles Laden einer Reihe von Batteriezellen in einem Batteriepaket. Die lange Reihe von Zellen in dem Batteriepaket, die Zellen in einer einzigen Batterie oder einer Reihe von separaten Batterien umfassen kann, wird in Segmente unter­ teilt, die als pseudo-parallele Batterien geladen werden, so dass das Batte­ riepaket mit einem größeren Wirkungsgrad mit einem kostengünstigeren Ladegerät geladen werden kann.

Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Ansatz gewählt, der im Gegensatz zu dem steht, was herkömmlich im Hinblick auf die Ladesystemkonstruk­ tion gelehrt wird, nämlich die gesamte Kette von Zellen als eine einzige nicht teilbare Einheit zu laden. Das Laden einer Batterie als eine einzige Einheit mit einem einzigen Ladegerät ist einfach, und die Laderate wird typischerweise auf einen konstanten Strom eingestellt, der durch eine obere Ladespannung begrenzt ist. Da jedoch die Zellen und/oder Batterie­ segmente sich in ihrer Fähigkeit, eine Ladung zu akzeptieren, unterschei­ den können, überlädt das Ladegerät immer bestimmte Teile des Batterie­ pakets, während andere Teile unterladen, d. h. zu gering geladen, werden. Es ist beispielsweise üblich, dass schwache Zellen, die einen hohen Lade­ widerstand zeigen, vorzeitig an die Ladespannungsgrenze gelangen, mit dem Ergebnis, dass die restlichen Zellen in einem unterladenen Zustand gehalten werden. Da einige der Zellen unterladen oder überladen sind, leidet deshalb ein langkettiges Batteriepaket an einer verringerten Kapazi­ tät oder an einer verkürzten Nutzungsdauer.

Im Gegensatz dazu sorgt die vorliegende Erfindung dafür, dass Segmente in einer Reihe von Batteriesegmenten auf eine abwechselnde Weise gela­ den werden, die hierin als "pseudo-paralleles" Laden bezeichnet wird. Die Ausdrücke "Segmente" oder "Batteriesegmente" werden hierin allgemein dafür verwendet, einen Teil eines in Reihe geschalteten Satzes von Batte­ riezellen zu bezeichnen, an dem ein leitender Zugriff zum Zweck des La­ dens vorgesehen ist.

Die Verwendung eines pseudo-parallelen Ladens liefert eine Anzahl von Vorteilen. Beispielsweise stehen die Kosten eines Ladesystems mit der maximalen Ladespannung und der zugeführten Menge an Strom in Bezie­ hung. Ein individuelles Laden der Segmente einer Batterie senkt die ma­ ximal erforderliche Ladespannung und folglich die erforderliche Wattleis­ tung des Ladegeräts und der zugehörigen Schaltungselemente, wie etwa Hochstromgleichrichter. Außerdem ist seit langem festgestellt worden, dass der Ladewirkungsgrad eines Batterieladesystems wesentlich verbes­ sert werden kann, indem ein Impulsstrom-Laden durchgeführt wird, bei dem Hochstrom-Impulse periodisch an die Batterie angelegt werden. Eine Beschreibung von Ladeverfahren mit gepulstem Strom ist in einem Artikel von L. T. Lam et al. mit dem Titel "Pulsed-current Charging of Lead/acid Batteries - A possible means of Overcoming Premature Capacity Loss?" aus dem Journal of Power Sources, Ausgabe 53, Seiten 215-228, 1995 veröffentlicht, zu finden, welches hierin durch Bezugnahme in seinem Offenbarungsgehalt mit eingeschlossen ist. Ein Laden mit gepulstem Strom liefert Hochstrom-Ladeimpulse, die durch kurze Relaxationsinter­ valle in der Größenordnung von 10 bis 500 Millisekunden getrennt sind, während denen der Ladestrom unterbrochen ist, um die elektrochemische Umwandlungsrate und den Wirkungsgrad der geladenen Batterie zu erhöhen. Ein pseudo-paralleles Laden mit der vorliegenden Erfindung dehnt das Relaxationsintervall des Impulsladens für ein erstes Batterie­ segment aus, während dem ein zweites Batteriesegment gepulst geladen wird. Das Relaxationsintervall kann ausgedehnt werden, um Batterien mit mehr als zwei Segmenten zu laden.

Es ist ein Ziel der Erfindung, den Ladewirkungsgrad in einer Batterie zu erhöhen, die eine Reihe von Zellen und/oder Segmente umfasst.

Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, die Kosten von Ladesystemen für langkettige Batterien zu verringern.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Kompensation von physikali­ schen Unterschieden zwischen den Batteriesegmenten in einer langketti­ gen Batterie bereitzustellen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, das Ausmaß an Überladen oder Unterladen zu reduzieren, dem die Zellen eines Batteriepakets ausgesetzt sind.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Wirkung eines Impuls-Strom-Ladens ohne Verringern des Ladewirkungsgrades zu maximieren.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, die Verwendung von gemischten chemischen Eigenschaften in Segmenten einer langkettigen Batterie zuzu­ lassen.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden in den folgenden Teilen der Beschreibung hervorgebracht, wobei die detaillierte Beschreibung zum Zweck einer vollständigen Offenbarung von bevorzugten Ausführungsfor­ men der Erfindung dient, ohne dieser Beschränkungen aufzuerlegen.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in diesen ist:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schema von Ladewegen in einem pseudo-parallelen Ladesystem gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Laden einer Batterie gezeigt ist, die zwei Segmen­ te enthält,

Fig. 2 ein Schema eines pseudo-parallelen Offline-Ladesystems gemäß der vorliegenden Erfindung, das zum Laden einer Batterie mit zwei Segmenten gezeigt ist,

Fig. 3 ein Graph von Spannungs- und Strom-Ladeprofilen für das pseudo-parallele Ladesystem von Fig. 2,

Fig. 4 ein vereinfachtes Schema eines pseudo-parallelen Ladens von vier Batteriesegmenten gemäß einem Aspekt der vorlie­ genden Erfindung, das an das Laden von Batterien in ver­ schiedenen Temperaturzonen angepasst ist,

Fig. 5 ein vereinfachtes Schema eines pseudo-parallelen Ladens von zwei ungleichartigen Batteriesegmenten gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 6 ein vereinfachtes Schema eines pseudo-parallelen Ladens von drei ungleichartigen Batteriesegmenten, deren Gesamt­ ausgang bei offener Zelle 42 Volt beträgt, gemäß einem As­ pekt der vorliegenden Erfindung.

Zu Veranschaulichungszwecken ist die vorliegende Erfindung in der all­ gemein in den Fig. 1 bis 6 gezeigten Vorrichtung ausgeführt. Es ist festzu­ stellen, dass die Vorrichtung hinsichtlich der Ausgestaltung und hinsicht­ lich der Details der Bauteile variieren kann, und dass das Verfahren hinsichtlich der besonderen Schritte und Abfolge variieren kann, ohne von den hierin offenbarten Grundkonzepten abzuweichen.

Fig. 1 ist eine einfache Darstellung der Ladewege während eines pseudo­ parallelen Ladens 10, wobei ein Batteriepaket 12 ein erstes Segment 14 und ein zweites Segment 16 umfasst, die mit einer Ladequelle 18 durch einen Controller 20 für ein pseudo-paralleles Laden verbunden sind. Die Ladequelle 18 und der Lade-Controller 20 werden vorzugsweise durch ein programmierbares Schaltungselement gesteuert. Es ist festzustellen, dass jedes Segment des Batteriepakets mindestens eine Batteriezelle, und vorzugsweise zahlreiche Zellen, enthält, wie es für ein langkettiges Batte­ riepaket kennzeichnend ist. Der Lade-Controller 20 sieht Schalter 22a, 22b vor, die entweder das Laden des ersten Batteriesegments 14 bei Ver­ bindung mit Leitungen 24a, 24b oder das Laden des zweiten Batterieseg­ ments 16 bei Verbindung mit Leitungen 24b, 24c erlauben. In Fig. 1 nicht gezeigt ist die Zeitgebungs-, Überwachungs- und Steuerschaltung in dem pseudo-parallelen Ladesystem. Bei dem langkettigen Batteriepaket 12 wird jeweils ein Segment geladen, so dass, während ein Segment geladen wird, das andere Segment von dem Ladegerät in einem Relaxationsmodus getrennt ist. Das Batteriepaket 12 wird als ein erstes Segment 14, das "pseudo-parallel" zu dem zweiten Segment 16 liegt, geladen, wobei diese Segmente insofern als "parallel" angesehen werden, dass die an dem Ladegerät sichtbare Batteriespannung die eines einzelnen Segments ist, während der Ladestrom abwechselnd zu beiden Batteriesegmenten fließt (daher die Vorsilbe "pseudo"). Die Ladequelle 18 kann durch ein Ladegerät mit einer geringeren Wattleistung vorgesehen sein, als sie erforderlich wäre, um aufgrund der Reihenspannungsaddition beide Segmente gleich­ zeitig direkt aufzuladen.

Fig. 2 führt beispielhaft eine Ausführungsform eines Controllers für ein pseudo-paralleles Laden 30 aus, der mit einem Batteriepaket 32 mit einer ventilgeregelten 24-Volt-Bleibatterie (VRLA), einem Ladesystem 34 und einer Anwendungslast 36 verbunden ist. Der ausgeführte Stromkreis stellt ein Offline-Laden der Batterie bereit, wobei die Batterie entweder der Anwendungslast Energie zuführt, oder ihr in einem Ladezyklus, in dem die Last getrennt ist, oder "offline" ist, Energie zugeführt wird. Der Strom­ kreis befindet sich dadurch entweder in einem Gebrauchszustand, bei dem die Batterie Energie zuführt, oder in einem Ladezustand. Ein Beispiel eines Offline-Ladestromkreises ist in der Speisebatterie zu finden, die allgemein in einem Elektrofahrzeug vorgesehen ist. Während der Verwen­ dung führt das Batteriepaket dem Fahrzeug Energie zu, und während es parkt, mit einer Verbindung zu einer Ladestation, wird das Batteriepaket geladen. Wenn die Ladeverbindung 40 Energie von einer Ladestation empfängt, empfängt ein Lasttrennrelais 42 Strom durch eine Spule 44, die den normal geschlossenen Schalter 46 öffnet. Der Strom von dem Batte­ riepaket 32 zur Last 36 wird dadurch unterbrochen, da nicht länger Strom durch die Spulen 50, 56 in den Relais 48, 54 fließt und die normal offenen Schalter 52, 58 in einen Leerlaufzustand zurückkehren, wodurch die Anwendungslast von der Batterie getrennt wird. Ein Segment des Batteriepakets wird zum Laden durch ein Zeitglied 60 ausgewählt, das einen periodischen Ausgang aufweist, der zwischen zwei Zuständen um­ schaltet; und zwar einem Strom ausgebenden Zustand und einem keinen Strom ausgebenden Zustand. Diese beiden Zustände sind durch den Schalter 62 dargestellt, der sich periodisch mit einem Tastverhältnis von typischerweise 50% öffnet und schließt, wenn Energie von der Ladestation angelegt wird. Der von dem Zeitglied 60 ausgegebene Strom treibt die Spule 66 eines Segmentauswahlrelais 64, dessen Schalter 68 Strom zu jeweils einem von zwei Sätzen Relais leitet. Ein erster Satz Relais 70, 76 empfängt den Strom durch Spulen 72, 78, was ein Schließen der normal offenen Schalter 74, 80 bewirkt, um einen Ladestrom von dem Ladesystem 34 zu dem Segment der Batterie zwischen Leitungen 38a und 38b zu leiten. Ein zweiter Satz Relais 82, 88 kann den Strom von dem Relais 64 durch Spulen 84, 90 empfangen, die ein Schließen der normal offenen Schalter 86, 92 bewirken, um dadurch einen Ladestrom von dem Ladesys­ tem 34 zu dem Segment der Batterie zwischen Leitungen 38b und 38c zu leiten. Es ist festzustellen, dass beim Anlegen von Energie an die Vorrich­ tung 30 mittels des Ladeanschlusses 40 von der Ladestation ein Lade­ strom abwechselnd durch jedes der beiden Segmente in dem Batteriepaket fließen wird, während das Ladesystem 34 den Ladeprozess für jedes der Segmente überwacht und steuert. Die veranschaulichte Ausführungsform lädt vorzugsweise jedes der beiden 12-Volt-Segmente des 24-Volt-VRLA-Batteriepakets mit einem herkömmlichen spannungsbegrenzten Konstantstrom-Ladegerät und mit der Pseudo-Parallel-Schaltung, die fünfminütige Lade- und Relaxationsintervalle benutzt, wie sie von dem Zeitglied 60 eingestellt werden. Die Schaltung wendet typischerweise ausgedehnte Relaxationsintervalle zum Laden der Batterien an, die im Bereich von 0,5 Minuten bis 30 Minuten liegen würden, wobei 5 Minuten oben beispielhaft angegeben sind. Diese ausgedehnten Intervalle bieten ausreichend Zeit, damit sich ein elektrolytisches Gleichgewicht einstellen kann. Batteriesys­ teme mit langsamer Elektrolyt- oder Ionendiffusion, wie beispielsweise Batterien mit festgelegtem Elektrolyt (VRLA vom abgedichteten Typ), wür­ den im Allgemeinen Relaxationsintervalle von mindestens einigen Minuten anwenden. Außerdem ist festzustellen, dass die Verwendung von langen Relaxationsintervallen bei vielen Anwendungen die Notwendigkeit beseiti­ gen, teurere Schalt-Stromversorgungen anzuwenden, die eine schnelle Ein/Aus-Stromsteuerung liefern (d. h. im Millisekundenbereich), und folglich die Verwendung von kostengünstigeren linearen Stromversorgun­ gen erlauben. Der gemessene Strom, die gemessene Spannung, und das Niveau an Ausgasen, d. h. Gasblasenbildung, während des Ladens eines Segments in dem Batteriepaket 32 von Fig. 2 sind in Fig. 3 veranschau­ licht. Es ist zu sehen, dass die Anfangsladerate für annähernd zehn Stun­ den bei C/5 blieb, wenn die Ladespannung anstieg. Wenn sich das Seg­ ment des Batteriepakets einem vollen Ladezustand näherte, hörte der Ladestrom allmählich auf und nach annähernd zwanzig Stunden war ein voller Ladezustand erreicht. Das Ausmaß an Ausgasen durch das Batte­ riepaket war wesentlich reduziert, obwohl die Gesamtladezeit erwartungs­ gemäß erhöht war. Es ist festzustellen, dass die beiden Segmente des Batteriepakets auf unterschiedlichen Ladezustandsniveaus liegen können, und dass das Ladegerät unterschiedliche Ladeströme an jedes der Seg­ mente der Batterie dementsprechend ausgeben kann, wo sich das Seg­ ment in Relation zu den Ladeprofilen befindet.

Bei der vorhergehenden Ausführungsform wurde das Laden jedes Seg­ ments durch das Ladegerät und das Intervall, über dass das Ladegerät mit jedem der Batteriesegmente verbunden war, geregelt. Das Ladeintervall und die Laderate können jedoch angepasst werden, um dass das Laden von Batteriesegmenten zuzulassen, die unterschiedliche Eigenschaften besit­ zen oder zeigen können, die Batteriekapazität, chemische Eigenschaften der Batterie, Batteriezellentyp, Temperaturbelastungen, Batteriealter, Abnormalitäten und Batterievergangenheit umfassen. Die Lehren können mit sonst traditionellen Formen von Ladegeräten oder mit Ladegeräten, die verschiedene intelligente Batteriesteuerungen vorsehen, wie beispielsweise jene, die einen "System-Mangement-Bus" (SMBus) anwenden, benutzt werden. Fig. 4 veranschaulicht ein pseudo-paralleles Ladesystem 100 für vier Segmente, bei dem die langkettige Batterie in einem Bereich gehalten ist, der bezüglich der Temperatur in Zone Eins 102, Zone Zwei 104, Zone Drei 106 und Zone Vier 108 eingeteilt worden ist. Innerhalb dieser Tempe­ raturzonenanordnung werden Batterien, die auf höheren Temperaturen gehalten werden, erhöhte Ladeakzeptanzniveaus zeigen. Es ist daher festzustellen, dass, wenn das Ladegerät 112 ein typisches Ladegerät wäre, das alle vier Zonen gleichzeitig als eine einzige Batterieeinheit laden wür­ de, gesteuert durch den durchschnittlichen Ladezustand aller kombinier­ ter Zonen, dann einige der Zonen einem Überladen und einer Batterie­ schädigung ausgesetzt wären, während die anderen Zonen einem Unterla­ den ausgesetzt wären. Der pseudo-parallele Ladestromkreis 100 mit der Stromschalteinrichtung 110 lässt es zu, dass das Ladegerät 112 separat jedes Batteriesegment in jeder der vier Temperaturzonen laden kann, während gleichzeitig die Temperatur der Batterie in dieser Zone berück­ sichtigt wird, um eine erhöhte Ladeeffektivität und reduzierte Niveaus an Ausgasen zu schaffen. Fig. 5 veranschaulicht eine Ausführungsform 130, bei der zwei unterschiedliche Batterien zusammengeschaltet sind, wobei eine erste Batterie 132 einer ersten Last 134 Energie zuführt, und eine zweite Batterie 136 einer zweiten Last 138 Energie zuführt. Oft werden derartige Batterien parallel geladen, während sie den Strom von dem Ladegerät teilen, wie er durch ihre Größe und ihren Ladezustand be­ stimmt wird. Es muss jedoch verhindert werden, dass die kleinere Batterie sich stark überlädt, während die Unterschiede von Gleichgewichtsspan­ nungen im voll aufgeladenen Zustand bewirken können, dass eine der Batterien einen nicht gerechtfertigten Hauptteil des Ladestromes zieht. Obwohl sie die Probleme hat, die bereits für das Reihenladen erwähnt wurden, kann die Batteriekombination von Fig. 5 in Reihe in Richtung einer kumulierenden Spannung für die kombinierten Batterien geladen werden. Eine ausreichende Ladespannung für diese in Reihe geschalteten Batterien könnte erhalten werden, indem eine Ladequelle mit einer höhe­ ren Ausgangsspannung verwendet wird, oder indem ein DC/DC-Wandler am Ausgang des Ladegeräts verwendet wird, der zum Laden von einer der Batterien ausgestaltet ist. Bei entweder dem parallelen oder dem Reihen­ lade-Schema werden die Zellen der Batterie einem Überladen und Unter­ laden ausgesetzt, was den Betriebswirkungsgrad und die Batterielebens­ dauer reduziert. Die Führungsschalter für den pseudo-parallelen Strom 140 in Fig. 5 erlauben es, dass beide Batterien durch das einzige Ladege­ rät 142 geladen werden können. Ein einfaches Ladegerät für konstanten Stromkonstante Spannung (CI/CV) (d. h. 25 A/ 15 V) kann mit der Schalt­ anordnung für ein pseudo-paralleles Laden 140 angewandt werden, um ein passendes Laden jedes Segments des Gesamtbatteriesystems bereitzu­ stellen. Wenn das Ladegerät 142 derart angepasst ist, dass es ein optima­ les Laden der Batterie 136 bereitstellt, kann dann die kleinere Batterie 132 übermäßigen Ladestromniveaus ausgesetzt sein. Der Begrenzungswi­ derstand 144 an der kleineren Batterie 132 wird dazu benutzt, übermäßi­ ge Ladestromniveaus zu verhindern, und ist so gewählt, dass er einen solchen Widerstandswert besitzt, dass die Ladespannung oder die obere Spannungsgrenze für die Batterie 132 optimiert wird. Die Verwendung eines Begrenzungswiderstandes in einem vorwiegend spannungsgesteuer­ ten Ladestromkreis wird oft als Taper-Laden (Laden mit abnehmenden Ladeströmen) bezeichnet, wobei der Ladestrom eine Funktion der angeleg­ ten Spannung und des Ladezustandes, oder des sog. "Innenwiderstandes" der Batterie ist. Beispielhaft kann ein Doppel-Batteriesystem benutzt werden, so dass eine größere Batterie 136 Energie zum Anlassen des Motors liefern kann, während eine kleinere zweite Batterie 132 Energie für Fahrzeugzusatzeinrichtungen liefern kann. Alternativ kann die kombinier­ te Spannung von der ersten und der zweiten Batterie 132 und 136 zum Antreiben höhere Spannung erfordernden Zusatzeinrichtungen benutzt werden. Fig. 6 veranschaulicht noch eine weitere Ausführungsform eines pseudo-parallelen Ladens 150, bei dem drei 12-Volt-Batteriesegmente 152, 154 und 156 durch ein einziges Ladegerät geladen werden. Die grö­ ßere Zelle 156 kann für eine Last 158, wie beispielsweise den Anlasser, und/oder zum Antreiben von 12-Volt-Zusatzeinrichtungen verwendet werden, während die kombinierte Spannung der drei Batterien, die als Segmente einer einzigen Batterie wirken, im unbelasteten Zustand einen Ausgang von 42 Volt liefern, der dazu verwendet werden kann, eine Last 160 anzutreiben, die eine Anzahl von elektronischen Fahrzeugsystemen umfassen kann. Es ist festzustellen, dass das pseudo-parallele Ladegerät ein passendes Laden der Batteriekombination bereitstellen wird, selbst wenn die Batterien in der Kombination unterschiedliche Kapazitäten auf­ weisen und unterschiedliche Ladezustandsniveaus besitzen. Der Strom­ führungsmechanismus 162 erlaubt eine Auswahl von jedem der drei Segmente zum Laden durch das Ladegerät 164, das vorzugsweise derart eingestellt ist, dass es einen höheren Strom und längere Ladeperioden der Batterie mit der höheren Kapazität 156 liefert, und die Segmente auf der Grundlage ihres Ladezustandes zusätzlich laden kann.

Es ist festzustellen, dass das pseudo-parallele Laden auf einen weiten Bereich von Batterieanwendungen anwendbar ist. Außerdem ist das pseudo-parallele Laden bei einer Batterieformierung in einer Anlage zur Massenherstellung anwendbar, so dass eine Gruppe von Batterien als eine Kette von Segmenten durch ein einziges Ladegerät/Testgerät geladen und getestet werden kann.

Es ist festzustellen, dass das pseudo-parallele Laden mit verschiedenen Ladegerätabarten verwendet werden kann, und dass Ladegeräte mit ge­ pulstem Strom typischerweise bessere elektrochemische Umwandlungsra­ ten liefern, da sie den Massentransportprozess beschleunigen (z. B. die Diffusion von Ionenarten in der porösen Elektrode). Es ist außerdem gezeigt worden, dass die Verwendung eines Ladens mit gepulstem Strom die Säuredurchdringungswirkung (Pickling) steigern und anschließend den Reaktionswirkungsgrad und die Gesamtumwandlung in der ladenden Batterie verbessern kann. Das Kombinieren von einem Laden mit gepuls­ tem Strom mit einem pseudo-parallelen Laden führt zu verbesserten Batteriewirkungsgraden, einer vollständigeren Ausnutzung der Laderes­ sourcen und einer Verringerung der Herstellungskosten.

Es ist dementsprechend zu sehen, dass diese Erfindung verbesserte Lade­ verfahren bereitstellt, die besonders gut zur Verwendung mit langkettigen Batteriepaketen geeignet sind. Es sind unterschiedliche Ausführungsfor­ men der Erfindung beispielhaft und nicht zur Beschränkung vorgesehen worden, da die erfinderischen Lehren in einer Vielfalt von Weisen prak­ tisch ausgeführt werden können, wie es der Fachmann auf dem Gebiet erkennen kann. Insbesondere ist festzustellen, dass die in den Ausfüh­ rungsformen beschriebenen Relais durch andere Formen von Schaltein­ richtungen, wie beispielsweise FETs und Festkörperschalter, ersetzt sein können. Zusätzlich kann mehr als eine Ladequelle verwendet werden, wobei mehrere Segmente gleichzeitig geladen werden, während die verblei­ benden Segmente in einem Relaxationsmodus sind. Außerdem kann es bei bestimmten Anwendungen erwünscht sein, die Zellen während der Rela­ xation aufzubereiten oder zu testen, obwohl dies die Komplexität stark erhöht. Die in den Ausführungsformen verwendete Ladequelle kann ir­ gendeine von einer Anzahl von vorliegenden und vorgeschlagenen Lade­ quellen umfassen und muss nicht speziell zur Verwendung mit einem pseudo-parallelen Laden entworfen sein, jedoch kann in einem bevorzug­ ten Ladegerät die pseudo-parallele Ladeschaltung integriert sein, um verbesserte Fähigkeiten, wie beispielsweise ein Softstartschalten und eine Identifikation von Wiederaufladungseigenschaften in den Segmenten der Batterie bereitzustellen. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung in Batterieladegeräten und Energie-Managementsystemen angewendet wer­ den, die eine intelligente Batteriesteuerung benutzen, wie sie durch den "System-Management-Bus" (SMBus) bereitgestellt wird, das gegenwärtig ausgiebig als eine Schnittstelle benutzt wird, um ein Management einer intelligenten Batterie zu vereinfachen.

Es ist festzustellen, dass, wenn in der Beschreibung ein Element im Sin­ gular genannt ist, dieses nicht "eines und nur ein einziges" sein muss, es sei denn, es ist so festgestellt, sondern es vielmehr "eines oder mehrere" sein kann.

Zusammengefasst betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Ver­ fahren zur Bereitstellung eines verbesserten Ladewirkungsgrades und zur Verringerung der Ladesystemkosten, wenn segmentierte Batterien geladen werden. Ein Stromschaltgerät 20 führt einen Ladestrom von einer Lade­ quelle einem ausgewählten Segment 14, 16 der Batterie 12 zu, während sich die restlichen Segmente in einem Relaxationsmodus befinden und keinen Ladestrom empfangen. Eine Segmentauswahleinrichtung 20 konfi­ guriert das Stromschaltgerät periodisch um, um einem weiteren Segment der Batterie einen Ladestrom zuzuführen. Infolgedessen wird jede der in Reihe geschalteten Zellen der Batterie abwechselnden Lade- und Relaxati­ onsperioden ausgesetzt, bis die Batterie einen angestrebten Ladezustand erreicht hat.

Claims (24)

1. Vorrichtung zum Laden eines Batteriepakets (12) mit mehreren Bat­ teriesegmenten (14, 16), umfassend:

• a) eine Energiequelle (18) und
• b) ein Mittel (20) zum Anlegen eines Ladestromes von der Energie­ quelle (18) an ein ausgewähltes Batteriesegment (14, 16), wäh­ rend die restlichen Batteriesegmente sich in einem nicht­ ladenden Relaxationsintervall befinden, und zum zyklischen Durchlaufen der Batteriesegmente (14, 16) und periodischen An­ legen eines Ladestromes an jedes Segment, während die restli­ chen Segmente sich in einem nicht-ladenden Relaxationsintervall befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Batteriesegment (14, 16) als eine Funktion einer Ladeeigen­ schaft geladen wird, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Zeit, Batterietyp, Umgebung, Batterietemperatur, Temperaturzunahmera­ te, Batteriespannung, Laderate, Ladeakzeptanzrate, ohmscher Span­ nungsabfall, Batteriekapazität und chemische Eigenschaften der Bat­ terie besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom fest ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom durch eine feste Ladespannung begrenzt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom gepulst ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezeit und das Relaxationsintervall für jedes Segment im Be­ reich von annähernd 0,5 Minuten bis annähernd 30 Minuten liegen.

7. Vorrichtung zum Laden eines Batteriepakets (12) mit mehreren Bat­ teriesegmenten (14, 16), umfassend:

• a) ein Mittel (20) zum selektiven Anlegen eines Ladestroms von ei­ nem Batterieladegerät (17) an ein Batteriesegment (14, 16) wäh­ rend eines Ladeintervalls, während die restlichen Batterieseg­ mente sich in einem nicht-ladenden Relaxationszustand befin­ den, und
• b) ein Mittel (12) zum periodischen Auswählen eines Batterieseg­ ments zum Laden, so dass jedes Segment abwechselnden Lade- und Relaxationsperioden ausgesetzt ist, bis das Batteriesystem einen angestrebten Ladezustand erreicht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Batteriesegment (14, 16) als eine Funktion einer Ladeeigen­ schaft geladen wird, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Zeit, Batterietyp, Umgebung, Batterietemperatur, Temperaturzunahmera­ te, Batteriespannung, Laderate, Ladeakzeptanzrate, ohmscher Span­ nungsabfall, Batteriekapazität und chemische Eigenschaften der Bat­ terie besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom fest ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom durch eine feste Ladespannung begrenzt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom gepulst ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezeit und das Relaxationsintervall für jedes Segment im Be­ reich von annähernd 0,5 Minuten bis annähernd 30 Minuten liegen.

13. Batterieladegerät (18), das einem Batteriepaket (12) mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriesegmenten (14, 16) einen Ladestrom lie­ fert, umfassend:

• a) einen Schalt-Stromkreis (20), der zum Verbinden des Ladegeräts (18) mit einem Teil der Batteriesegmente (14, 16) konfiguriert ist, um diesem Ladestrom zuzuführen, wobei die restlichen Batterie­ segmente sich in einem Relaxationszustand befinden, in dem sie keinen Ladestrom empfangen, und
• b) einen Segmentauswahlstromkreis (20), der den Schalt-Strom­ kreis periodisch umkonfiguriert, um das Ladegerät (18) mit ei­ nem unterschiedlichen der Batteriesegmente (14, 16) zu verbin­ den, so dass jedes der Batteriesegmente (14, 16) abwechselnden Lade- und Relaxationszuständen ausgesetzt ist, bis das Batte­ riepaket (12) einen angestrebten Ladezustand erreicht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Batteriesegment (14, 16) als eine Funktion einer Ladeeigen­ schaft geladen wird, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Zeit, Batterietyp, Umgebung, Batterietemperatur, Temperaturzunahmera­ te, Batteriespannung, Laderate, Ladeakzeptanzrate, ohmscher Span­ nungsabfall, Batteriekapazität und chemische Eigenschaften der Bat­ terie besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom fest ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom durch eine feste Ladespannung begrenzt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom gepulst ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezeit und das Relaxationsintervall für jedes Segment im Be­ reich von annähernd 0,5 Minuten bis annähernd 30 Minuten liegen.

19. Verfahren zum Laden eines Batteriepakets (12) mit mehreren Batte­ riesegmenten (14, 16), umfassend, dass:
ein Ladestrom von einer Energiequelle (18) an ein ausgewähltes Batteriesegment (14, 16) angelegt wird, während sich die restlichen Batteriesegmente in einem nicht-ladenden Relaxationsintervall befin­ den, und
die Batteriesegmente (14, 16) zyklisch durchlaufen werden und periodisch ein Ladestrom an jedes Segment angelegt wird, während sich die restlichen Segmente in einem nicht-ladenden Relaxations­ intervall befinden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Batteriesegment als eine Funktion einer Ladeeigenschaft gela­ den wird, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Zeit, Batterie­ typ, Umgebung, Batterietemperatur, Temperaturzunahmerate, Batte­ riespannung, Laderate, Ladeakzeptanzrate, ohmscher Spannungsab­ fall, Batteriekapazität und chemische Eigenschaften der Batterie be­ steht.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom fest ist.

22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom durch eine feste Ladespannung begrenzt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom gepulst wird.

24. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezeit und das Relaxationsintervall für jedes Segment in den Bereich von annähernd 0,5 Minuten bis annähernd 30 Minuten ge­ legt werden.